СИСТЕМА КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА ГЕРМЕТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
AIR CONDITIONING SYSTEM OF HERMETIC ZONE OF FLYING APPARATUS

Изобретение относится к системам кондиционирования воздуха (СКВ) летательных аппаратов, обеспечивающих жизнедеятельность экипажа летательного аппарата и работоспособность оборудования, размещенного в герметической зоне.
Для нормальной работы экипажа и оборудования необходима подача в кабину и в герметические технические отсеки, т.н. герметическую зону предварительно подготовленного рабочего воздуха с требуемыми значениями температуры, давления, а также других параметров. Для обеспечения соответствия этим требованиям горячий воздух, отобранный от двигателя, проходит через последовательно устанавливаемые в основном трубопроводе агрегаты: теплообменники, продуваемые атмосферным воздухом, петлевые теплообменники, турбохолодильник (ТХ), охлаждающий рабочий воздух за счет адиабатического расширения при прохождении через него потока воздуха.
Система кондиционирования воздуха, как правило, обеспечивает оптимальные температуру и давление кондиционированного воздуха применительно к герметическим кабинам и отсекам. При эксплуатации, однако, имеют место режимы полета самолета на больших высотах при низкой плотности воздуха, когда требования по охлаждению рабочего воздуха в турбохолодильнике (ТХ), т.е. по давлению воздуха на входе в турбину турбохолодильника и, следовательно, по температуре воздуха на выходе из турбины турбохолодильника, превышают возможности двигателя по требуемым давлению и расходу рабочего воздуха. В этой ситуации расход и давление отбираемого для системы кондиционирования рабочего воздуха, понижены. А поскольку мощность, производимая турбиной турбохолодильника, механически передается компрессору, соединенному одним валом с турбиной, то мощность, производимая турбиной турбохолодильника, и потребляемая компрессором, снижается. Для обеспечения требований по давлению и расходу рабочего воздуха в систему кондиционирования воздуха может быть введен источник дополнительной энергии.
Известно техническое решение «Турбохолодильник и использующая его система кондиционирования воздуха» в соответствии с патентом US 6,427,471B1 (опубл. 06.08.2002, МПК F25D 9/00). В качестве первого аспекта изобретения представлен турбохолодильник, содержащий турбину с подводом рабочего воздуха, отбираемого от двигателя, передающую компрессору полученную турбиной мощность, при этом компрессор имеет электрический привод, используемый в качестве источника дополнительной энергии. Наличие электродвигателя ухудшает весо-габаритные характеристики турбохолодильника.
Наиболее близким к заявленному объекту техническим решением выбрана система кондиционирования воздуха (СКВ) летательного аппарата, представленная во втором аспекте изобретения по патенту US 6,427,471 B1, в котором заявлена система кондиционирования воздуха с турбохолодильником, описанным в первом аспекте изобретения, так называемым «гибридным турбохолодильником». Известная система кондиционирования воздуха содержит первичный и вторичный теплообменники, продуваемые атмосферным воздухом, турбохолодильник, содержащий компрессор для получения сжатого воздуха, турбину, вырабатывающую мощность, механически передаваемую компрессору, и электрический мотор для активации компрессора (повышение степени сжатия). Все агрегаты установлены на одном валу. При этом турбохолодильник в своей конструкции должен иметь встроенный датчик числа оборотов, контролирующий угловую скорость вращения ротора турбокомпрессора, и в случае необходимости, при падении угловой скорости вращения ротора вследствие снижения давления поступающего воздуха, инициирующий включение в работу электродвигателя в качестве дополнительного источника энергии.
Такой путь решения проблемы нехватки мощности турбохолодильника является технически сложным и затратным, кроме того, дополнительные агрегаты увеличивают вес и габариты системы кондиционирования.
Решаемой технической проблемой заявленного изобретения является разработка системы кондиционирования воздуха, способной обеспечить требуемую холодопроизводительность на любых режимах полета.
Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение достаточной степени сжатия воздуха в компрессоре турбохолодильника при пониженном давлении поступающего в систему воздуха.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что система кондиционирования воздуха герметической зоны летательного аппарата, содержащая последовательно установленные в основном трубопроводе по направлению потока воздуха следующие агрегаты охлаждения воздуха: первичный и вторичный теплообменники, продуваемые атмосферным воздухом, петлевые теплообменники и основной турбохолодильник, дополнительно содержит обводной трубопровод, подключенный через заслонку после первичного теплообменника, и содержащий дополнительный турбохолодильник, подключенный по входу в компрессор и по входу в турбину к трубопроводу отбора воздуха от двигателя, при этом выход компрессора включен в основной трубопровод перед вторичным теплообменником, а выход турбины подключен к зоне атмосферного давления.
Наличие в системе кондиционирования воздуха дополнительного обводного трубопровода с турбохолодильником позволяет получить на турбине дополнительную мощность при поступлении в систему воздуха с пониженным давлением. Воздух из трубопровода отбора воздуха от двигателя поступает на вход компрессора и на вход турбины дополнительного турбохолодильника, при этом воздух из турбины сбрасывается в атмосферу с пониженным давлением, что дает возможность получить значительный перепад давления на турбине, и, следовательно, увеличить мощность, передаваемую механически через вал компрессору дополнительного турбохолодильника, преобразуемую в работу сжатия. Таким образом, пропорционально полученной степени сжатия в компрессоре возрастет давление рабочего воздуха на выходе из компрессора дополнительного турбохолодильника, это позволяет компенсировать снижение давления рабочего воздуха, поступающего в систему, на режимах полета на большой высоте.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема системы кондиционирования воздуха.
Заявленная система кондиционирования воздуха содержит устройство 1 ограничения расхода, установленное в линии отбора воздуха от двигателя, первичный теплообменник 2, линию 3 подачи, обратный клапан 4, линию 5 подачи дополнительного трубопровода, заслонку 6, линию 7 подачи основного трубопровода, вторичный теплообменник 8, перегреватель 9, линию 10 основного трубопровода, конденсатор 11, линию 12 основного трубопровода, первый влагоотделитель 13, линию 14 основного трубопровода, турбину 15 основного турбохолодильника, линии 16 и 17 основного трубопровода, второй влагоотделитель 18, дополнительный турбохолодильник 19, ограничитель расхода 20.
Заявленная система кондиционирования воздуха работает следующим образом. При наземном режиме работы и при полете на малых высотах при достаточном давлении наружного воздуха потребности системы кондиционирования и количество отбираемого от двигателя воздуха сбалансированы. Рабочий воздух, отбираемый от двигателя, по линии отбора поступает в устройство 1 ограничения расхода, которое регулирует расход и перекрывает линию отбора воздуха в случае необходимости, например, в случае отказов изделий установки охлаждения, приводящих к аварийной ситуации, и далее, в первичный теплообменник 2, продуваемый наружным воздухом. Далее воздух по линии 3 основного трубопровода при закрытой заслонке 6 проходит через открытый обратный клапан 4, затем по линии 7 основного трубопровода попадает во вторичный теплообменник 8, где дополнительно охлаждается наружным воздухом. Далее, через перегреватель 9 по линии 10 основного трубопровода и через конденсатор 11, то есть по охлаждающим полостям петлевых теплообменников, осуществляется последовательное снижение температуры воздуха, сопровождающееся конденсацией влаги, рабочий воздух по линии 12 основного трубопровода проходит влагоотделитель 13, предназначенный для утилизации влаги, с последующим ее впрыском в продувочный тракт первичного теплообменника 2, и по линии 14 основного трубопровода через перегреватель 9, который повышает температуру рабочего воздуха на входе в турбину, превращает капельную влагу в пар, предотвращая тем самым ее попадание в турбину и защищая, таким образом, от обмерзания, поступает на вход турбины 15 основного турбохолодильника. Турбина 15 реализует адиабатическое расширение поступившего воздуха, в результате чего на выходе турбины образуется воздух со значительно сниженной температурой. В качестве тормозного устройства для снятия мощности, развиваемой турбиной 15, используется вентилятор, осуществляющий подачу продувочного воздуха в первичный теплообменник 2 в полете и в условиях стоянки. С выхода турбины 15 рабочий воздух по линии 16 основного трубопровода через конденсатор 11, в котором охлажденный в турбине воздух отдает часть холода рабочему воздуху, проходящему по охлаждающей полости конденсатора 11, по линии 17 основного трубопровода и через влагоотделитель 18 поступает в герметическую зону.
На режимах полета на больших высотах при низкой плотности воздуха задействуется обводной трубопровод с дополнительным турбохолодильником 19, выполняющим функцию источника дополнительной тепловой энергии. В этом случае обратный клапан 4 закрыт, а заслонка 6 находится в открытом положении, при этом рабочий воздух после первичного теплообменника 2 поступает по линии 3-1 обводного трубопровода на вход компрессора дополнительного турбохолодильника, а по линии 5 основного трубопровода на вход турбины дополнительного турбохолодильника 19, выход из турбины дополнительного турбохолодильника 19 через устройство 20 ограничения расхода, регулирующее вывод, выведен в атмосферу. В качестве устройства 20 ограничения расхода может быть использовано устройство, обеспечивающее дополнительное гидравлическое сопротивление в трубопроводе. Выход из компрессора дополнительного турбохолодильника 19 по линии 3-2 дополнительного трубопровода включен в линию 7 основного трубопровода. Организация выхода рабочего воздуха из турбины в атмосферу с пониженным давлением дает возможность получить значительный перепад давлений на турбине, что соответственно, повышает мощность, передаваемую механически через общий вал компрессору дополнительного турбохолодильника и преобразуемую затем в работу сжатия. Таким образом, пропорционально полученной степени сжатия в компрессоре возрастет давление рабочего воздуха на выходе из компрессора дополнительного турбохолодильника, и соответственно, в линии 7 основного трубопровода системы кондиционирования воздуха.
Как правило, в системах кондиционирования воздуха с турбохолодильником предполагается включение компрессора для сжатия воздуха и турбины, вырабатывающей мощность, в единый тракт рабочего воздуха, при этом основным элементом является компрессор, а турбина служит приводом. В заявленной схеме турбина подключена в самостоятельную обводную линию с выходом в атмосферу с пониженным давлением, что позволяет существенно увеличить вырабатываемую мощность, преобразуемую в компрессоре в работу сжатия. Применение турбохолодильника типичной конструкции позволяет получить требуемые параметры рабочего воздуха с помощью изделий с подтвержденными эксплуатацией тепловыми характеристиками и позволяет избежать применение сложных гибридных турбохолодильников. В результате в заявленной системе кондиционирования воздуха на выходе достигаются требуемые параметры рабочего воздуха при эксплуатации летательного аппарата во всем диапазоне режимов, и при формировании СКВ с турбохолодильником типичной конструкции.