УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ВОЗДУХА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ НА ЛЕТАТЕЛЬНОМ АППАРАТЕ
METHOD AND DEVICE FOR AIR COOLING AND THEIR APPLICATION FOR AIRCRAFT

Настоящее изобретение относится к охлаждению воздуха на летательном аппарате. Более конкретно, настоящее изобретение относится к устройству охлаждения воздуха на летательном аппарате, способу охлаждения воздуха на летательном аппарате, применению соответствующего устройства охлаждения воздуха на летательном аппарате, а также к летательному аппарату, содержащему соответствующее устройство охлаждения воздуха.
На летательных аппаратах используются так называемые бортовые системы генерации инертного газа (OBIGGS-системы). Такие OBIGGS-системы применяются, например, для генерации азота, который используется для вытеснения кислорода из топливных баков. В качестве источника воздуха для генерации инертного газа используется воздух, отбираемый из двигателей или из вспомогательных силовых установок (ВСУ). Горячий отобранный воздух, имеющий температуру порядка 200°С, должен быть охлажден до определенной температуры, и его давление должно быть снижено. Технические решения, используемые в настоящее время, предусматривают использование теплообменника с воздушным охлаждением, в котором охлаждается отбираемый воздух. Количество отбираемого воздуха и его давление регулируются с помощью отсечного клапана. Для охлаждения используется забортный воздух, который в режиме полета обеспечивается через канал набегающего потока, а при нахождении летательного аппарата на земле обеспечивается дополнительным устройством (вентилятор, эжекторный насос). Температура воздуха, отбираемого для OBIGGS-системы, регулируется с помощью перепускного клапана и датчика температуры.
Для подготовки воздуха, отобранного для OBIGGS-системы, может использоваться теплообменник с охлаждением воздухом и отдельный канал поступления набегающего воздушного потока с дополнительным оборудованием (вентилятор или эжекторный насос) для обеспечения работы системы при нахождении летательного аппарата на земле. Использование канала набегающего воздушного потока влечет за собой увеличение веса летательного аппарата. Встраивание канала набегающего воздушного потока в существующий летательный аппарат может создавать серьезные технические проблемы. Кроме того, дополнительный канал набегающего воздушного потока создает значительное аэродинамическое сопротивление. Два дополнительных отверстия (входное и выходное отверстия канала набегающего воздушного потока) ослабляют несущую конструкцию, и поэтому требуется ее соответствующее усиление, что также увеличивает вес.
Целью настоящего изобретения является создание улучшенной системы охлаждения воздуха на летательном аппарате.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения указанная цель достигается за счет использования устройства охлаждения воздуха, содержащего первую зону отбора, первую линию и вторую линию, причем в первой зоне отбора первый поток охлаждающего воздуха может быть отобран из первого устройства кондиционирования воздуха. Первый поток охлаждающего воздуха после его отбора может направляться по первой линии для охлаждения подаваемого воздуха, и после охлаждения подаваемый воздух по второй линии может подаваться в систему генерации инертного газа.
Поскольку охлаждающий воздух отбирается из устройства кондиционирования воздуха, то подача охлаждающего воздуха в устройство охлаждения воздуха может быть обеспечена и в полете, и на земле. Такое решение не требует использования отдельного канала набегающего воздушного потока, и в результате уменьшается общий вес летательного аппарата, и повышается прочность его фюзеляжа. Кроме того, за счет использования охлаждающего воздуха из устройства кондиционирования воздуха и отсутствия необходимости в дополнительном канале набегающего воздушного потока исключается увеличение аэродинамического сопротивления, связанное с использованием таких каналов, Дополнительное достоинство предлагаемого в изобретении устройства охлаждения воздуха заключается в том, что его установка на летательном аппарате более проста и требует меньше места размещения.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения первая зона отбора размещается в канале набегающего воздушного потока или на канале первого устройства кондиционирования воздуха, причем охлаждение подаваемого воздуха осуществляется в теплообменнике. После отбора первого потока охлаждающего воздуха и до охлаждения подаваемого воздуха первый поток охлаждающего воздуха имеет первую температуру. Перед охлаждением подаваемый воздух имеет вторую температуру, причем первая температура ниже, чем вторая температура.
Расположение первой зоны отбора в канале набегающего воздушного потока устройства кондиционирования воздуха обладает тем преимуществом, что для охлаждения подаваемого воздуха может быть использован наружный воздух (набегающий поток), используемый для охлаждения в устройстве кондиционирования воздуха. Достоинством предлагаемого в изобретении устройства является то, что охлаждение подаваемого воздуха осуществляется с помощью теплообменника, что обеспечивает эффективную теплопередачу.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения устройство охлаждения воздуха дополнительно содержит выходной канал, через который выпускается первый поток охлаждающего воздуха после осуществления охлаждения, причем пропускная способность выходного канала может регулироваться. Таким образом, если в полете оказывается, что необходимое количество охлаждающего воздуха для теплообменника превышает его фактическую подачу, то можно дополнительно увеличить проходное сечение выходного канала для увеличения количества пропускаемого охлаждающего воздуха.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения устройство охлаждения воздуха дополнительно содержит вторую зону отбора, в которой из канала набегающего воздушного потока второго устройства кондиционирования воздуха может быть отобран второй поток охлаждающего воздуха. После отбора второго потока охлаждающего воздуха и до охлаждения подаваемого воздуха второй поток охлаждающего воздуха имеет третью температуру, которая ниже второй температуры. Далее, после того, как происходит отбор, первый поток охлаждающего воздуха может быть смешан со вторым потоком охлаждающего воздуха, и после смешивания полученный поток может использоваться для охлаждения подаваемого воздуха.
Таким образом, обеспечивается резервирование получения охлаждающего воздуха. В случае отказа одной из двух зон отбора воздуха (или соответствующих трубопроводов, или клапанов, или других элементов) подача требуемого количества охлаждающего воздуха в теплообменник может обеспечиваться из другой зоны отбора. Таким образом, надежность работы бортового оборудования существенно повышается.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения устройство охлаждения воздуха дополнительно содержит первый клапан, с помощью которого может регулироваться общее количество подаваемого воздуха.
С помощью первого клапана может быть произведена отсечка подачи воздуха в OBIGGS-систему так, что в случае выхода из строя теплообменника можно отключить подачу в OBIGGS-систему потока очень горячего воздуха (подаваемый воздух). Таким образом, надежность работы бортового оборудования существенно повышается.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения устройство охлаждения воздуха дополнительно содержит датчик температуры, с помощью которого можно измерять четвертую температуру. Четвертая температура соответствует температуре подаваемого воздуха после осуществления охлаждения.
Постоянный контроль температуры подаваемого воздуха после теплообменника или после того, как будет осуществлено охлаждение, дает возможность учитывать нежелательные изменения температуры подаваемого воздуха или противодействовать таким изменениям с помощью соответствующих регулирующих устройств. Например, датчик температуры может быть выполнен с возможностью резервирования.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения устройство охлаждения воздуха дополнительно содержит второй клапан и обводную линию, причем пропускная способность обводной линии может регулироваться с помощью второго клапана.
Например, перепуск подаваемого воздуха через обводную линию в соответствии с настоящим изобретением может регулироваться с помощью второго клапана так, что возможно регулирование температуры подаваемого воздуха после теплообменника. Таким образом, например, можно воздействовать на регулирование температуры без непосредственного вмешательства в контур охлаждения теплообменника.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения устройство охлаждения воздуха дополнительно содержит первый контроллер, который управляет первым клапаном или вторым клапаном, или измеряет пятую температуру с помощью первого датчика температуры.
Электронное управление клапанами или электронный контроль температуры дает возможность эффективного, быстрого и точного управления важных параметров контура охлаждения, например общего количества подаваемого воздуха или количества воздуха, который проходит через теплообменник без охлаждения.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения устройство охлаждения воздуха дополнительно содержит по меньшей мере один элемент из группы, состоящей из второго контроллера, второго датчика температуры и третьего клапана. При этом первый контроллер имеет конструкцию, которая отличается от конструкции второго контроллера так, что в случае отказа первого контроллера его функции начинает выполнять второй контроллер. В случае отказа первого датчика температуры его функции начинает выполнять второй датчик температуры, и в случае отказа первого клапана его функции начинает выполнять третий клапан.
Это означает, что даже в случае возникновения аварийной ситуации на борту, при которой, например, выходит из строя одна или несколько бортовых систем, надежность охлаждения подаваемого воздуха и соответствующего регулирования подачи подаваемого воздуха в OBIGGS-систему обеспечивается путем резервирования контроллеров, которое может выполняться, например, за счет использования нескольких контроллеров разной конструкции и их размещения в разных местах летательного аппарата, и с помощью резервирования регулирующих клапанов и датчиков температуры.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложен способ охлаждения воздуха на летательном аппарате. Способ содержит следующие стадии: отбор первого потока охлаждающего воздуха из первого устройства кондиционирования воздуха в первой зоне отбора, охлаждение подаваемого воздуха первым потоком охлаждающего воздуха и после осуществления охлаждения направление подаваемого воздуха в систему генерации инертного газа. Таким образом, предлагается способ обеспечения OBIGGS-системы охлаждающим воздухом без необходимости использования дополнительного канала набегающего воздушного потока. При этом исключается увеличение аэродинамического сопротивления летательного аппарата, и предотвращается ослабление его несущей конструкции, которое связано с установкой дополнительного канала набегающего воздушного потока.
Другие достоинства предлагаемого в изобретении устройства указываются в зависимых пунктах формулы.
Ниже со ссылками на прилагаемые чертежи дается описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фигура 1 - схема устройства охлаждения воздуха или устройства подачи воздуха.
Фигура 2 - схема устройства кондиционирования воздуха.
Фигура 3 - схема устройства охлаждения воздуха в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
В нижеприведенном описании чертежей используются одинаковые ссылочные обозначения для одинаковых или сходных элементов.
На фигуре 1 приведена схема устройства охлаждения воздуха. Устройство охлаждения воздуха используется для охлаждения потока 26 воздуха, отбираемого для OBIGGS-системы (на фигуре 1 не показана). Устройство охлаждения воздуха содержит теплообменник 17, который обеспечивает охлаждение потока 26 воздуха, отбираемого для подачи в систему.
Поток 26 воздуха отбирается из двигателей или из вспомогательных силовых установок (ВСУ). В большинстве случаев поток 26 отбираемого или подаваемого воздуха имеет температуру порядка 200°С, которая понижается в теплообменнике 17. Для этого поток 26 отбираемого воздуха через входную линию 18 подается в теплообменник 17, где он охлаждается и далее подается в OBIGGS-систему воздуха по линии 19 (воздушный поток 3). Теплообменник 17 имеет воздушное охлаждение. В такой схеме охлаждение воздуха осуществляется потоком 10 охлаждающего воздуха, который проходит по каналу 22, 23 набегающего воздушного потока. Кроме того, для обеспечения подачи соответствующего количества охлаждающего воздуха при работе на земле используется эжекторный насос или вентилятор 24. Далее, поток 25 охлаждающего воздуха выбрасывается в атмосферу.
Для контроля потока 26 отбираемого воздуха, который охлаждается в теплообменнике, используется датчик 12 температуры. В качестве предохранительного устройства, обеспечивающего прекращение подачи в OBIGGS-систему потока 3 отбираемого воздуха, используется отсечный клапан 13. Кроме того, возможность регулирования температуры обеспечивается за счет использования обводной линии 21 и перепускного клапана 20, с помощью которых воздух поступает в обход теплообменника.
Количество и давление отбираемого воздуха регулируется клапаном 13. Использование отдельных теплообменников 17 и канала 22, 23 набегающего воздушного потока влечет за собой увеличение веса летательного аппарата. Встраивание отдельных теплообменников 17 и канала 22, 23 набегающего воздушного потока в существующий летательный аппарат может создавать серьезные технические проблемы. Дополнительный канал 22, 23 набегающего воздушного потока увеличивает аэродинамическое сопротивление летательного аппарата. Два дополнительных отверстия (входное и выходное отверстия канала набегающего воздушного потока) ослабляют несущую конструкцию, и поэтому требуется ее соответствующее усиление, что также увеличивает вес. Кроме того, дополнительный теплообменник 17 требует дополнительного технического обслуживания.
На фигуре 2 представлена схема устройства 4 кондиционирования воздуха, которое в соответствии с изобретением может использоваться для отбора охлаждающего воздуха и подачи его в устройство охлаждения. Как показано на фигуре 1, устройство 4 кондиционирования воздуха (модуль) системы генерации воздуха (AGS) летательного аппарата содержит контур охлаждения, в который входит компрессор 6, турбина 201, испаритель 202, осушитель 203 воздуха, подогреватель 204, основной теплообменник 7, теплообменник 205, вентилятор 206 с воздушным циклом и несколько клапанов 208, 209, 210.
Система генерации воздуха используется для выработки свежего воздуха, который подается в салон и кабину экипажа летательного аппарата. Для генерации воздуха используется поток воздуха, отбираемого из двигателей или из вспомогательных силовых установок. Горячий отбираемый воздух, который имеет температуру порядка 200°С, охлаждается, и его давление понижается. Для охлаждения используется забортный воздух, который во время полета поступает через канал 28 набегающего воздушного потока (поток 10), а при нахождении летательного аппарата на земле обеспечивается вентилятором 206 с воздушным циклом. Система генерации воздуха (AGS) содержит два одинаковых устройства 4 кондиционирования воздуха.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения внутри устройства кондиционирования воздуха обеспечивается зона отбора охлаждающего воздуха. В этом случае температура отбираемого охлаждающего воздуха ниже температуры подаваемого воздуха, который должен охлаждаться. Например, первой зоной отбора воздуха может быть канал 28 набегающего воздушного потока устройства 4 кондиционирования воздуха.
На фигуре 3 представлена схема устройства охлаждения воздуха в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на фигуре 3, устройство охлаждения воздуха содержит следующие основные элементы: первую зону 1 отбора воздуха, вторую зону 2 отбора воздуха, линии подачи 18, 19 и теплообменник 17. Безусловно могут использоваться и другие зоны отбора воздуха, например в дополнительных входных каналах 8, 9 набегающего воздушного потока. При этом обеспечивается дополнительное резервирование, то есть снижается вероятность отказа системы.
В этом случае первая зона 1 отбора воздуха устройства охлаждения воздуха размещается в канале 8 набегающего воздушного потока или на этом канале, через который поток 10 охлаждающего воздуха поступает в теплообменник первой AGS-системы или в устройство 4 кондиционирования воздуха. Поток 10 охлаждающего воздуха поступает снаружи и имеет соответствующую низкую температуру. Вторая зона 2 отбора воздуха размещается в канале 9 набегающего воздушного потока или на этом канале, через который поток 11 охлаждающего воздуха поступает в теплообменник второй AGS-системы или в устройство 5 кондиционирования воздуха.
Воздух, отбираемый в зонах 1, 2, поступает в трубопровод 22 так, что отбираемый охлаждающий воздух может быть подан в теплообменник 17. Подача охлаждающего воздуха в теплообменник OBIGGS-системы может обеспечиваться как на земле, так и во время полета, если по меньшей мере один из модулей 4, 5 включен и работоспособен, то есть если открыт хотя бы частично по меньшей мере один из входных каналов 8, 9 набегающего воздушного потока. Для этого необходимы ответвления 1, 2 охлаждающего воздуха от обоих каналов 8, 9 набегающего воздушного потока. Обратные клапаны 6, 7, установленные в отходящей линии 22, предотвращают обратный выход охлаждающего воздуха в том случае, когда каналы 8, 9 набегающего воздушного потока из-за неисправности остаются закрытыми в полете. Количество поступающего охлаждающего воздуха может быть нерегулируемым. Каналы 8, 9 набегающего воздушного потока устройств 4, 5 кондиционирования воздуха и отходящие линии 22 могут быть рассчитаны так, чтобы необходимое количество охлаждающего воздуха для теплообменника 17 OBIGGS-системы обеспечивалось при всех условиях полета и режимах работы систем AGS и OBIGGS. В этом случае выходной канал 23 OBIGGS-системы может быть нерегулируемым.
Если оказывается, что невозможно обеспечить необходимое количество охлаждающего воздуха для теплообменника 17 OBIGGS-системы при всех условиях и режимах полета, то выходной канал 23 OBIGGS-системы может быть выполнен регулируемым. В этом случае выходной канал 23 OBIGGS-системы содержит заслонку 27 (или клапан, или аналогичное устройство), которая находится в оптимальном фиксированном положении, когда количество поступающего охлаждающего воздуха достаточно для получения необходимой температуры отбираемого воздуха для OBIGGS-системы, и указанная заслонка 27 (или клапан, или аналогичное устройство) открывается, когда количество охлаждающего воздуха недостаточно. Чем больше открыта заслонка 27, тем большее отрицательное давление создается в выходном канале 23 так, что падение давления в теплообменнике 17 OBIGGS-системы увеличивается, и количество проходящего охлаждающего воздуха растет.
С помощью дополнительного устройства 24, которое может быть вентилятором или эжекторным насосом, может быть обеспечена требуемая величина потока 10, 11 охлаждающего воздуха в теплообменнике 17 при нахождении летательного аппарата на земле.
-4
-9
Поток 26 подаваемого воздуха, который может обеспечиваться двигателями или вспомогательными силовыми установками, подается в теплообменник 17 по трубопроводу 18. К отбираемому воздуху, который подается в OBIGGS-систему, предъявляются следующие требования: в зависимости от типа летательного аппарата должно обеспечиваться количество воздуха по меньшей мере от 0,01 кг/сек до 0,12 кг/сек. Температура должна быть примерно 76±6°С, а минимальное давление - примерно 1,7 бар (относительное давление). Из соображений безопасности вероятность отказа всей OBIGGS-системы (включая подачу воздуха) должна быть не более 10. Вероятность перегрева (вероятность превышения температуры 200°С) ограничена величиной 10.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения вся система удовлетворяет указанным требованиям.
Температура, которую должен иметь поток 16 охлажденного воздуха, подаваемого в OBIGGS-систему, обеспечивается с помощью теплообменника 17, обводной линии 21 и соответствующего клапана 20. При таком устройстве можно, используя обводную линию 21, подмешивать неохлажденный воздух к охлажденному подаваемому воздух, выходящему из теплообменника 17 по трубопроводу 19. Это может потребоваться в то случае, когда температура подаваемого воздуха в трубопроводе 19 ниже температуры, необходимой для OBIGGS-системы.
Температура подаваемого воздуха в трубопроводе 19 измеряется с помощью датчика 12 температуры. Далее, устройство охлаждения воздуха снабжено клапанами 13, 36, которые регулируют общее количество воздуха, подаваемое в OBIGGS-систему. Для этой цели клапаны 13, 36, датчик 12 температуры и перепускной клапан 20 с помощью линий 28 - 35 соединены с соответствующими контроллерами 14, 15. В этом случае контроллеры 14, 15 управляют клапанами 13, 20 и 36 и получают информацию из датчика 12 температуры, то есть информацию о температуре подаваемого воздуха в трубопроводе 19.
Для того чтобы минимизировать вероятность отказа устройства охлаждения воздуха и/или получить максимально возможный коэффициент готовности системы, обеспечиваются различные схемы резервирования. Например, для подачи охлаждающего воздуха могут использоваться различные устройства 4, 5 кондиционирования воздуха или различные клапаны 13, 36 для надежной отсечки подачи воздуха в OBIGGS-систему. Кроме того, помимо обратных клапанов 6, 7 могут использоваться и другие дополнительные обратные клапаны. Далее, могут использоваться дополнительная обводная линия 21 и дополнительный клапан 20 так, что в случае отказа одной обводной линии работа устройства будет обеспечиваться другой обводной линией. Кроме того, может использоваться несколько датчиков 12 температуры для дальнейшего повышения надежности системы.
Регулирование температуры и величины потока подаваемого воздуха осуществляется с помощью двух контроллеров 14, 15, имеющих различную конструкцию. В частности, контроллеры 14, 15 могут быть размещены в разных местах летательного аппарата так, чтобы уменьшить вероятность одновременного повреждения обоих контроллеров. Если один из контроллеров 14, 15 выходит из строя, то другой контроллер может выполнять функции отказавшего контроллера.
Достоинством изобретения является то, что для подачи охлаждающего воздуха в теплообменник OBIGGS-системы предлагается более компактная конструкция, имеющая меньший вес. При этом не требуется отдельный входной канал набегающего воздушного потока, то есть обеспечивается дополнительное уменьшение веса. Кроме того, предлагаемое в изобретении техническое решение обеспечивает более компактное размещение устройства на летательном аппарате. Поскольку не требуется дополнительный канал набегающего воздушного потока, то аэродинамическое сопротивление не увеличивается, и не происходит ослабление несущей конструкции летательного аппарата, связанное с установкой такого дополнительного канала. Соответственно, в этом случае отпадает необходимость в дополнительном усилении несущей конструкции, которое приводит к увеличению веса.
Осуществление изобретения не ограничивается предпочтительными вариантами, описанными со ссылками на фигуры. Напротив, могут быть предложены различные варианты, в которых используется предложенное в изобретении техническое решение и его основные отличительные признаки, даже в случае использования вариантов, которые отличаются от раскрытых в описании.