УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОБОГРЕВА КАБИНЫ ВОЗДУШНОГО СУДНА
DEVICE AND METHOD FOR HEATING OF AIRCRAFT CABIN

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройствам для обогрева кабины воздушного судна в соответствии с преамбулой пункта 1 формулы изобретения и к способу обогрева кабины воздушного судна в соответствии с преамбулой пункта 9 формулы изобретения.
Уровень техники
Для управления климатом в кабинах самолетов обычно производят отбор горячего воздуха от двигателей самолета. Данный горячий воздух, который называют «воздухом отбора», проходит через воздушную магистраль, содержащую клапан управления подачей, для управления объемом воздуха, поступающего в агрегат кондиционирования воздуха, где горячий воздух охлаждается до температуры, которую необходимо иметь в кабине самолета. На самолетах, в кабинах которых требуется сформировать различные климатические зоны, принято посредством агрегата кондиционирования воздуха охлаждать отобранный горячий воздух до температуры, равной минимальной из требуемых для различных климатических зон, а чтобы обеспечить воздух для климатических зон с более высокой требуемой температурой, отводить определенную долю горячего воздуха, поступающего в агрегат кондиционирования, и смешивать его с воздухом, охлажденным агрегатом кондиционирования, согласно соответствующим температурным требованиям. При такой системе, известной как «система с балансировочным воздухом», температуру, требуемую в отдельных климатических зонах самолета, можно регулировать индивидуально. Если кабина самолета, в которой требуется осуществлять кондиционирование воздуха, очень велика, то таких систем устанавливают несколько, например, две, то есть предусматривают два или более агрегатов кондиционирования воздуха, при этом каждый индивидуально обеспечивается горячим воздухом и средствами управления подачи.
В патенте US 6189324 описывается устройство для контроля климата, предназначенное для воздушного судна, имеющего кабину, способную выдерживать повышенное давление, и турбинный двигатель. Это устройство содержит первую магистраль для подачи горячего «воздуха отбора» от турбины в контур охлаждения воздуха. В первой магистрали выше по потоку от контура охлаждения воздуха расположен электрический переключающий клапан, включающий первое и второе выпускное отверстия, причем второе выпускное отверстие гидравлически соединено с контуром охлаждения воздуха. Вторая магистраль ответвляется от первой магистрали между переключающим клапаном и контуром охлаждения воздуха и соединяет первую магистраль со смесителем, предназначенным для смешивания охлажденного воздуха, прошедшего контур охлаждения воздуха с неохлажденным воздухом, проходящим по второй магистрали. Первое выпускное отверстие переключающего клапана соединяется с магистралью «воздуха отбора», т.е. с третьей магистралью, причем магистраль «воздуха отбора» выходит в четвертую магистраль, соединяющую смеситель и кабину. В четвертую магистраль встроен механический запорный клапан для предотвращения движения потока от кабины или из магистрали «воздуха отбора» в смеситель.
В вышеупомянутых системах имеется одна проблема, заключающаяся в том, что в случае отказа всех имеющихся на борту агрегатов кондиционирования воздуха устройство управления подачей уменьшает объем горячего воздуха отбора, подаваемого в агрегат кондиционирования, до нуля, чтобы не дать горячему воздуху вывести агрегат кондиционирования из строя. В таком случае становится невозможным продолжать наддув и управление температурой кабины самолета (следует отметить, что в данном контексте термин «кабина самолета» включает и кабину экипажа самолета). Для того, чтобы обеспечить пассажиров и экипаж самолета необходимым свежим воздухом в случае отказа всех имеющихся агрегатов кондиционирования воздуха, в соответствии с известными техническими решениями обычно открывают заслонку в фюзеляже самолета, тем самым давая возможность наружному воздуху войти в фюзеляж. Однако при нормальных высотах полета самолета, а также в холодных районах даже при низко летящем самолете, наружная температура может быть ниже 50°С или даже 60°С, что приводит к тому, что температура воздуха в кабине вследствие забора холодного наружного воздуха может упасть до величины ниже 18°С. Столь низкие температуры внутри кабины без дополнительной защиты не допустимы ни для пассажиров самолета, ни для экипажа.
Раскрытие изобретения
В свете вышеупомянутых известных технических решений задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить средство и предложить систему, которая создаст возможность регулирования температуры в кабине самолета даже в случае отказа всех имеющихся на борту агрегатов кондиционирования воздуха.
Решение данной задачи в соответствии с настоящим изобретением, достигается при помощи устройства для обогрева кабины воздушного судна, характеризуемого отличительными признаками пункта 1 формулы изобретения. Соответственно, вдобавок к первой и второй магистралям подачи горячего воздуха, уже предусмотренным в современных системах аналогичного назначения, устройство, соответствующее настоящему изобретению, оснащено третьей магистралью подачи горячего воздуха, подключенной выше по потоку относительно клапана управления подачей, причем указанная третья магистраль подачи горячего воздуха ответвляется от первой магистрали и соединяет последнюю со второй магистралью подачи горячего воздуха. Далее, во второй магистрали подачи горячего воздуха предусмотрен первый перекрывающий механизм, расположенный выше по потоку относительно той точки, в которой третья магистраль подачи горячего воздуха выходит во вторую магистраль, при этом перекрывающий механизм в закрытом состоянии препятствует прохождению потока через вторую магистраль в первую магистраль подачи горячего воздуха. Наконец, в третьей магистрали подачи горячего воздуха выше по потоку относительно точки, в которой третья магистраль выходит во вторую магистраль, расположен второй перекрывающий механизм. В случае выхода из строя всех имеющихся агрегатов кондиционирования воздуха, указанная конструкция позволяет направить горячий воздух в кабину воздушного судна в обход клапанов управления подачей и агрегатов кондиционирования воздуха. Поскольку температура имеющегося горячего воздуха, как правило, слишком высока, чтобы его напрямую направлять в кабину воздушного судна, указанный горячий воздух перед его подачей в кабину с целью получения требуемой температуры смешивают с холодным наружным воздухом, который подают общепринятым способом из-за борта воздушного судна. Для этой цели можно применить средства регулирования температуры воздуха, которые используются при нормальной работе, то есть когда агрегаты кондиционирования воздуха функционируют.
В отличие от системы, описанной в US 6189324, в предложенном устройстве третья магистраль подачи горячего воздуха ответвляется от первой магистрали подачи горячего воздуха выше по потоку от клапана управления подачей. Более того, третья магистраль подачи горячего воздуха соединяет первую магистраль подачи горячего воздуха и вторую магистраль подачи горячего воздуха, образуя составную часть заявленного устройства обогрева кабины воздушного судна, т.е. третья магистраль продолжается вверх по потоку из смесителя или смесительной зоны. Вниз по потоку от места соединения с третьей магистралью подачи горячего воздуха вторая магистраль подачи горячего воздуха продолжается в направлении кабины воздушного судна. В US 6189324 магистраль «воздуха отбора» выходит в четвертую магистраль, соединяющую смеситель с кабиной, причем как смеситель, так и четвертая магистраль не могут рассматриваться в качестве частей устройства обогрева кабины воздушного судна. Кроме того, в US 6189324 запорный клапан расположен в четвертой магистрали и, следовательно, не является частью устройства обогрева кабины воздушного судна, тогда как в заявленном устройстве первый перекрывающий механизм расположен во второй магистрали подачи горячего воздуха. Наконец, в US 6189324 второй перекрывающий механизм расположен в третьей магистрали подачи горячего воздуха выше по потоку от места соединения со второй магистралью подачи горячего воздуха. Подобный перекрывающий механизм в US 6189324 отсутствует.
В предпочтительном варианте устройство согласно изобретению выполнено таким образом, что при нормальной работе агрегата кондиционирования воздуха первый перекрывающий механизм занимает открытое положение, а второй перекрывающий механизм занимает закрытое положение. Горячий воздух может тогда протекать через клапан управления подачей, расположенный в магистрали подачи горячего воздуха, и затем поступать частично в агрегат кондиционирования воздуха, а частично, в обход агрегата кондиционирования воздуха, в кабину воздушного судна. Это соответствует нормальному рабочему режиму устройства обогрева в соответствии с изобретением, при этом третья магистраль подачи горячего воздуха не функционирует.
Может быть предусмотрено несколько устройств, идентичных описанному, т.е. могут существовать несколько первых магистралей подачи горячего воздуха, каждая из которых ведет к соответствующему ей агрегату кондиционирования воздуха. В этом случае в каждой первой магистрали подачи горячего воздуха располагается клапан управления подачей и, как было описано, от каждой первой магистрали ответвляются вторая и третья магистрали подачи горячего воздуха, в которых, подобно описанному, располагается первый перекрывающий механизм (во второй магистрали) и второй перекрывающий механизм (в третьей магистрали).
Если агрегат кондиционирования воздуха или все имеющиеся агрегаты кондиционирования воздуха выйдут из строя, то в устройстве, соответствующем предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, клапан управления подачей (или все клапаны управления подачей), а также первый перекрывающий механизм (или все первые перекрывающие механизмы) перейдут в закрытое положение, а второй перекрывающий механизм (или все вторые перекрывающие механизмы) перейдет в открытое положение. Это не позволит горячему воздуху пройти к агрегатам кондиционирования воздуха и повредить их, но в то же время гарантирует поступление теплого воздуха в кабину воздушного судна. Таким образом может продолжаться обогрев кабины воздушного судна, включая кабину экипажа, и без каких-либо дальнейших действий осуществляться необходимый забор свежего воздуха.
Это решает проблему системы, раскрытой в US 6189324, в которой необходима полная функциональность переключающего клапана для того, чтобы обеспечить подачу «воздуха отбора» из первой магистрали в магистраль «воздуха отбора», т.е. в третью магистраль.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения первый (или каждый первый) перекрывающий механизм представляет собой обратный клапан. Технически обратные клапаны имеют простую конструкцию и надежны в работе. Для приведения их в действие не нужен никакой исполнительный механизм, и поэтому экономится вес. Однако вместо обратного клапана первый перекрывающий механизм может быть образован любым устройством, известным специалистам в данной области техники, которое при нормальной работе пропускало бы поток газа из первой магистрали подачи горячего воздуха во вторую магистраль подачи горячего воздуха и сквозь ее, а в случае отказа, связанного с указанными магистралями агрегата кондиционирования воздуха, прекращало бы прохождение потока через вторую магистраль обратно в первую магистраль подачи горячего воздуха.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения второй (или каждый второй) перекрывающий механизм образован отсечным клапаном, который оснащен автоматическим приводом. Однако в качестве второго перекрывающего механизма может быть использовано любое устройство, которое при нормальной работе прекращает прохождение потока из первой магистрали подачи горячего воздуха в третью магистраль и сквозь нее, но позволяет такое прохождение в случае отказа агрегата кондиционирования воздуха.
Желательно, чтобы каждый отсечной клапан был соединен со средствами управления, в частности со средствами управления соответствующего агрегата кондиционирования воздуха, чтобы в случае отказа данного агрегата кондиционирования открывать проход для потока через третью магистраль подачи горячего воздуха. Как вариант, каждый отсечной клапан можно также устанавливать в определенное положение посредством выключателя в кабине экипажа, при этом в данном положении будет происходить открытие третьей магистрали.
Решение поставленной задачи достигается также за счет способа обогрева кабины воздушного судна, в котором одну часть регулируемого потока горячего воздуха от источника горячего воздуха направляют через агрегат кондиционирования воздуха, а другую часть указанного потока направляют в обход агрегата кондиционирования в кабину воздушного судна, при этом в соответствии с изобретением в случае отказа агрегата кондиционирования указанный горячий воздух смешивают с холодным наружным воздухом и подают в кабину воздушного судна в обход клапанов управления подачей и агрегата кондиционирования. Холодный наружный воздух можно смешивать с горячим воздухом в любой удобной точке.
Чтобы в случае отказа агрегата кондиционирования воздуха или отказа всех имеющихся агрегатов кондиционирования все же иметь возможность устанавливать требуемую температуру воздуха, подаваемого в кабину воздушного судна, в предпочтительном варианте осуществления способа используют средства управления, которые отвечают за температуру воздуха в кабине воздушного судна также при нормальной работе агрегата кондиционирования. В этом случае, чтобы получить требуемую температуру, средства управления смешивают горячий воздух с холодным забортным воздухом в необходимой пропорции.
Краткое описание чертежей
Вариант осуществления устройства согласно настоящему изобретению, также иллюстрирующий способ по изобретению, далее будет описан более подробно со ссылкой на схематический чертеж, на котором показано построение магистралей для подачи горячего воздуха с различными перекрывающими механизмами.
Осуществление изобретения
Прилагаемый чертеж схематически показывает часть устройства 10 для обогрева кабины самолета (не показана). Показанное на чертеже устройство 10 касается устройства обогрева самолета, кабина которого содержит несколько климатических зон, то есть температура не одинакова по всей кабине, но должна быть возможность индивидуальной регулировки температуры в зависимости от климатической зоны.
Устройство 10 содержит две первых магистрали 12 подачи горячего воздуха, в которые подается горячий воздух от одного или нескольких двигателей самолета и/или от вспомогательного двигателя (вспомогательной силовой установки).
Горячий воздух, поступающий от двигателей самолета, часто называют воздухом, отбираемым от двигателя, или воздухом отбора.
Каждая первая магистраль 12 подачи горячего воздуха направляет горячий воздух в агрегат 14 кондиционирования воздуха, который охлаждает поступающий воздух до самой низкой температуры, которая требуется для климатической зоны кабины самолета с наименьшей температурой. В каждой первой магистрали 12 подачи горячего воздуха располагается клапан 16 управления подачей для управления количеством горячего воздуха, подаваемого в соответствующий агрегат 14 кондиционирования.
Воздух, который требуется для подачи в климатическую зону с наименьшей температурой, направляется из агрегата 14 кондиционирования воздуха прямо в кабину самолета. Для остальных климатических зон воздух, выходящий из агрегата 14 кондиционирования, необходимо в большей или меньшей степени подогревать. С этой целью ниже по потоку относительно клапана 16 управления подачей, но выше по потоку относительно агрегата 14 кондиционирования, от каждой первой магистрали 12 подачи горячего воздуха ответвляется вторая магистраль 18 подачи горячего воздуха, причем через вторую магистраль 18 горячий воздух обходит агрегат 14 кондиционирования воздуха. Этот горячий воздух в необходимом количестве смешивается с охлажденным воздухом, выходящим из агрегата 14 кондиционирования, при этом средства управления, отвечающие за температуру в кабине, задают необходимую температуру, регулируя пропорцию смеси охлажденного и горячего воздуха. Такое устройство также называют «системой балансировочного воздуха».
В случае отказа агрегата 14 кондиционирования воздуха клапаны 16 управления подачей закрываются, чтобы горячий воздух не повредил агрегат 14 кондиционирования. Чтобы в этом случае иметь возможность управлять температурой воздуха в кабине самолета, от каждой первой магистрали 12, выше по потоку относительно клапана 16 управления подачей, ответвляется третья магистраль 20 подачи горячего воздуха, которая соединяет первую магистраль 12 со второй магистралью 18. В каждой третьей магистрали 20 подачи горячего воздуха расположен автоматически приводимый в действие отсечной клапан 22, который при нормальной работе, то есть когда агрегат 14 кондиционирования воздуха функционирует, занимает закрытое положение, чтобы предотвратить течение воздуха через третью магистраль 20.
В аварийной ситуации, т.е. в случае отказа агрегата 14 кондиционирования воздуха, отсечной клапан 22 выключателем, установленным в кабине экипажа, или средствами управления, соединенными с отсечным клапаном 22, переводится в открытое состояние так, что горячий воздух может обходить клапан 16 управления подачей и агрегат 14 кондиционирования воздуха и поступать в кабину самолета. Чтобы не дать горячему воздуху, проходящему через третью магистраль 20, пройти через вторую магистраль 18 обратно в первую магистраль 12, а оттуда в агрегат 14 кондиционирования воздуха, и тем самым повредить агрегат 14 кондиционирования, во второй магистрали 18, выше по потоку относительно места ее соединения с третьей магистралью 20, соответственно расположен обратный клапан 24.
Горячий воздух, поступающий из третьей магистрали 20 во вторую магистраль 18, а оттуда в кабину самолета, перед поступлением в кабину смешивается с холодным наружным воздухом, который подается в устройство 10 через стандартную заслонку, известную специалистам в данной области и потому далее не описанной. Для установки желаемой температуры в кабине применяются средства управления, которые также используются и при нормальной работе.