СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА В КАБИНЕ ВОЗДУШНОГО СУДНА
METHOD AND DEVICE FOR AIRCRAFT CAB AIR CONDITIONING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для кондиционирования воздуха в кабине воздушного судна.
Уровень техники
Согласно современной технологии кондиционирование воздуха в кабине самолета принято осуществлять, например, при помощи смешанного воздуха, который составляют из рециркулирующего воздуха, т.е. воздуха, забираемого из кабины, свежего воздуха (подогретого, если требуется) и воздуха, отбираемого от двигателей. Смешивание происходит в соответствии с требованиями к кондиционированию воздуха. Термин «кондиционирование воздуха» в данном контексте не следует понимать лишь в узком смысле, как задание соотношения влажности воздуха и его температуры; его необходимо понимать также и в смысле установления соответствующих параметров для воздуха, подаваемого в кабину, в частности его температуры. Термин «кабина» в данном случае означает не только имеющийся пассажирский салон, но также и другие зоны самолета, в частности зоны отдыха и рабочие зоны.
При кондиционировании кабин самолетов следует принимать во внимание широкий разброс условий эксплуатации и условий окружающей среды. Например, условия окружающей среды при работе самолета на земле очень сильно отличаются от условий окружающей среды в полете. В зависимости от условий эксплуатации происходят большие изменения теплового баланса. Как следствие значительных вариаций эксплуатационных условий и условий окружающей среды имеют место выраженные переходные процессы нагревания и охлаждения, т.е. процессы регулирования при кондиционировании воздуха должны происходить во время быстрых изменений условий. Изменение эксплуатационных условий приводит к значительному изменению количества тепла, которое необходимо подавать в зоны кабин, например, в результате изменения плотности установки кресел и т.п.
Регулирование температуры потока воздуха, нагнетаемого в кабину, вследствие таких изменений эксплуатационных и наружных условий производят различными способами. Способ регулирования определяется современным технологическим уровнем. Например, состав смеси рециркулирующего воздуха, свежего воздуха и горячего воздуха, отбираемого от двигателей, можно устанавливать так, чтобы воздух, нагнетаемый в кабину при кондиционировании, имел требуемую температуру. В процессе нагрева данная требуемая температура выше установленной средней температуры, измеренной в кабине, а в процессе охлаждения требуемая температура ниже измеренной.
Агрегаты кондиционирования воздуха для самолета должны быть оптимизированы, как в отношении их веса, так и в отношении занимаемого места. Это означает, что отверстия выпуска воздуха, через которые выходят струи воздуха, нагнетаемого в кабину, в общем случае имеют очень небольшое проходное сечение. В общем случае их необходимо располагать в верхней части панелей кабины. Это означает, что вентиляция зон кабины осуществляется посредством так называемых свободных струйных течений, которые приводят воздух кабины в движение и таким образом создают так называемые адвективные вихревые течения.
Хорошо известно, что характеристики таких свободных струйных течений, которые направлены в кабину, очень сильно зависят от действия сил, вызывающих всплывание воздушной массы.
Подобная система кондиционирования воздуха для автомобиля описана в патенте US 5755378. Однако в этом патенте не предусматривается изменения направления воздушных струй, подаваемых в автомобиль.
В патенте GB 954342 описана система для обогрева воздушного судна. В этом патенте предусматривается изменение только количества поступающего в кабину воздуха в зависимости от температуры, но не описано изменение направления воздуха, подающегося в кабину.
Наиболее близким решением является устройство, описанное в патенте US 5556335. В устройстве впуска воздуха предусмотрен температурный элемент, определяющий температуру проходящего через него воздуха, и, в соответствии с определенной температурой, поворачивается пластина, изменяющая направление воздушного потока.
Агрегаты кондиционирования воздуха для самолетов, соответствующие современному состоянию техники, как правило, таковы, что они оптимизированы для типовых условий эксплуатации и условий окружающей среды в полете, то есть характеристики нагнетания для струй воздуха, подаваемого в кабину, в частности их направления и значения их импульсов (скоростей течений), выбирают таким образом, чтобы во время полета обеспечить пассажирам максимально возможный уровень теплового комфорта. Это, естественно, означает, что, если эксплуатационные условия или условия окружающей среды отклоняются от заданных условий полета, то иногда невозможно получить должный уровень теплового комфорта в кабине.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для кондиционирования воздуха в кабине воздушного судна, посредством которых можно обеспечить высокий уровень теплового комфорта для пассажиров и летного персонала даже при изменении эксплуатационных условий и условий окружающей среды.
Для решения указанной задачи в соответствии с настоящим изобретением предлагается способ кондиционирования воздуха в кабине воздушного судна, в котором воздушную струю направляют в кабину, причем направление и/или импульс воздушной струи изменяют в зависимости от измеренной температуры. Под термином «импульс» воздушной струи следует понимать импульс потока такой струи. Показателем импульса воздушной струи является, например, скорость течения струи на выходе устройства, например сопла или патрубка, посредством которого воздушная струя формируется и вводится в кабину.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения производят измерение температуры самой воздушной струи, чтобы на ее основе получить параметры управления для задания направления и/или импульса воздушной струи. Необходимым условием для этого является наличие в составе агрегата кондиционирования воздуха воздушного судна управляемого компьютером регулятора известного типа. При таком способе измеряют фактическую температуру в соответствующей точке внутри кабины, подлежащей кондиционированию, и при помощи указанного регулирующего оборудования готовят вышеописанную воздушную смесь так, чтобы средняя температура в кабине или температура непосредственно в зоне расположения пассажиров изменилась от фактического значения до требуемого оптимального значения. Поэтому, чтобы осуществить такое регулирование, нагнетаемый в кабину воздух либо нагревают, либо охлаждают до заданного значения температуры. Если, например, воздух в кабине необходимо нагреть, температура указанной воздушной струи имеет более высокое значение, нежели температура воздуха, измеренная в кабине. Следовательно, в соответствии с вышеприведенным примером производят определение температуры воздушной струи, чтобы задать направление и/или импульс указанной воздушной струи. В действительности данная температура воздушной струи является показателем текущего состояния системы кондиционирования воздуха.
Если, например, в результате действий имеющегося регулирующего оборудования агрегата кондиционирования воздуха воздушная струя получает сравнительно высокую температуру, то это означает, что кабина требует сравнительно сильного нагрева. В таком случае воздушную струю, подаваемую в кабину, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения следует направить по отношению к вертикали в более низкую точку.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом способа согласно настоящему изобретению, когда температура воздушной струи возрастает, также производят увеличение импульса (скорости течения) указанной струи. В известном документе GB 954342 в таком случае предусмотрено только изменение количества воздуха, поступающего в кабину, т.е. его общего объема, а в других, таких как US 5556335, такая возможность вообще не предусмотрена.
Изобретение также предлагает устройство для кондиционирования воздуха в кабине воздушного судна, которое содержит средства для формирования и направления по меньшей мере одной воздушной струи, которая подается в кабину, и средства для измерения температуры, при этом предусмотрены средства для изменения направления и/или импульса указанной воздушной струи в зависимости от измеренной температуры.
При этом желательно, чтобы средства для изменения направления и/или импульса воздушной струи содержали элемент, форма которого зависит от температуры. Желательно располагать данный элемент таким образом, чтобы он непосредственно реагировал на температуру воздушной струи до того, как струя выйдет в кабину.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения желательно, чтобы указанный элемент с температурно-зависимой формой представлял собой пассивный сенсорно-исполнительный элемент, т.е. элемент, который выполняет свои функции без внешнего источника энергии (не считая воздушную струю, которая вызывает изменение температуры). Например, данный элемент может включать в себя сплав с памятью формы или биметаллический материал. Таким образом, элемент с температурно-зависимой формой включают в состав средств для изменения направления и/или импульса воздушной струи, чтобы он совершал необходимое действие в зависимости от конкретной измеренной температуры. Например, при помощи элемента с температурно-зависимой формой можно простым способом задавать направление соплу или патрубку в зависимости от температуры указанного элемента. А также, если того требуют механические средства, при помощи элемента с температурно-зависимой формой можно в функции температуры устанавливать проходное сечение сопла или патрубка. При вышеописанном предпочтительном варианте осуществления изобретения, в частности, реализуются требования в отношении малого веса и малых габаритов.
Данные предпочтительные варианты настоящего изобретения также делают возможным простым способом оснастить уже существующие воздушные суда указанными устройствами кондиционирования воздуха.
Краткое описание чертежей
Далее пример осуществления изобретения показан более подробно со ссылками на прилагаемый чертеж.
На чертеже схематически показана кабина самолета в разрезе.
Осуществление изобретения
На чертеже схематически показана кабина 10 самолета в разрезе. Пассажирские кресла установлены на полу 12 кабины в поперечном направлении. На уровне потолка 14 стандартным образом расположены багажные полки 16.
Кондиционирование воздуха в кабине 10 осуществляется симметрично относительно центральной оси 18.
Воздушную струю 26 направляют в кабину под углом α нагнетания, который можно изменять. Стрелка воздушной струи 26 показывает направление воздушной струи, выбранное для текущих эксплуатационных условий и условий окружающей среды. Чтобы компенсировать эффекты в свободных струйных течениях, вызванные всплыванием воздушной массы, направление и, если необходимо, импульс (скорость струи) нагнетаемой воздушной струи 26 автоматически корректируют в зависимости от измеренной температуры.
Необходимым условием этого является оснащение кабины 10 агрегатом кондиционирования воздуха, соответствующим современному уровню техники. Агрегат кондиционирования воздуха осуществляет регулирование температуры воздушной струи 26, нагнетаемой через сопло или направляющий патрубок 22. Благодаря такому регулированию нагнетаемый воздух на выходе сопла или направляющего патрубка 22 имеет температуру, заданную устройством регулирования. Эта температура может быть получена, например, путем смешивания рециркулирующего воздуха из кабины, подогретого свежего воздуха и, если требуется, горячего воздуха, отбираемого от двигателей.
С другой стороны, датчик 30 температуры непосредственно измеряет температуру воздушной струи 26, направляемой в кабину 10. В зависимости от измеренной температуры осуществляется автоматическая установка угла α воздушной струи относительно вертикали V. Вертикаль V проходит параллельно оси 18 симметрии кабины.
Чем более высокую температуру регистрирует датчик 30, тем меньше устанавливают угол α, и тем круче направляют воздушную струю в кабину. Если датчик 30 зарегистрировал температуру, например, 25°С, т.е. в силу эксплуатационных условий или условий окружающей среды кабина должна быть нагрета, то угол α должен быть в диапазоне от 10° до 30°. Если температура, зарегистрированная датчиком 30, составила, например, 15°С, т.е. требуется небольшое охлаждение кабины, угол α может быть в диапазоне от 45° до 60°. Если температура, зарегистрированная датчиком 30, составляет, например, 9°С, т.е. требуется значительное охлаждение кабины, угол α устанавливается ближе к 90°, например, в диапазоне от 75° до 90°.
Можно сделать так, чтобы автоматическая подстройка угла α в соответствии с эксплуатационными условиями осуществлялась за счет изменения скорости нагнетания, т.е. импульса воздушной струи 26. Изменение импульса можно производить простым способом, например, путем уменьшения поперечного сечения выпускного отверстия направляющего патрубка или канала, через который происходит выход воздуха. Поскольку маршрут, по которому воздух проходит через компрессор, по существу, является нормированным, сужение поперечного сечения выпускного отверстия приводит к увеличению скорости потока и к увеличению импульса воздушной струи. Увеличение импульса означает, что увеличивается глубина проникновения свободной струи в кабину. В целом указанные меры делают возможным получить более эффективную геометрию течений внутри кабины. При полете с постоянными параметрами, что является нормой, требуются сравнительно невысокие скорости течения воздушных струй, и таким образом, можно исключить сквозняки.
Направление (угол α) воздушной струи и импульс очень легко задавать при помощи элемента, который одновременно служит и датчиком, и исполнительным органом (приводом). Для этой цели подходят, например, элементы, выполненные из известных типов сплавов с памятью формы или, в простых случаях, из биметаллических материалов. Такие материалы меняют свою форму с температурой, а изменение формы может механически приводить к изменению направления или изменению поперечного сечения на конце канала выпуска воздуха. Например, элемент из сплава с памятью формы или биметаллический элемент могут механически приводить в действие поворотное устройство 20, при помощи которого направляющий патрубок 22 поворачивается вокруг оси 24 с изменением угла α.