НАГНЕТАТЕЛЬ СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к средствам обработки воздуха на летательных аппаратах, предназначенных для перевозки пассажиров или грузов, и может быть использована для нагнетания атмосферного воздуха в систему кондиционирования воздуха летательного аппарата на высоте (в условиях разреженного воздуха).
Уровень техники
Системы кондиционирования воздуха на летательном аппарате обычно содержат блок кондиционирования воздуха, который снабжается сжатым воздухом, генерируемый компрессором маршевого двигателя или вспомогательной силовой установкой воздушного судна. На больших высотах в условиях разреженного воздуха отбор воздуха от маршевых двигателей для нужд системы кондиционирования воздуха ограничивается, и возникает необходимость подключения дополнительных источников сжатого воздуха для обеспечения требуемых параметров системы кондиционирования воздуха.
Известны технические решения по подключению дополнительных источников сжатого воздуха, выход которого прямо или косвенно соединяется с кабиной самолета (например, заявка DE20051037285, МПК B64D 13/02; B64D 13/06, 08.08.2005; патент US 9205925, приоритет 11.11.2011, опубликовано 08.12.2015). В таких системах отбирают воздух непосредственно из атмосферы (снаружи самолета), используя компрессор (нагнетатель) для регулировки давления воздуха перед отправкой воздуха в кабину самолета или подают окружающий воздух и смешивают с воздухом, отбираемым от маршевого двигателя, или дополнительно обрабатывают, например, подвергают охлаждению, увлажнению или осушению, прежде чем направлять в кабину самолета.
Известна холодильная установка и центробежный компрессорный агрегат холодильной установки (патент RU 2104448; МПК F25B 1/00, F25B 31/02, F04D 25/06, F04D 29/58; опубл. 10.02.1998). В центробежном компрессорном агрегате, содержащем две центробежные ступени с рабочими колесами, диффузорными каналами, сборными камерами и патрубка входа и выхода, при этом патрубок выхода первой ступени сообщен напорным каналом с патрубком входа второй ступени, встроенный между ступенями центробежного компрессора электродвигатель, ротор которого расположен с рабочими колесами центробежных компрессорных ступеней на одном валу, установленном на подшипниках, а статор электродвигателя закреплен в его корпусе с образованием между ними охлаждающей рубашки, причем в корпусе электродвигателя выполнены канал подвода газового хладагента и канал отвода газового хладагента,
Недостатком известного компрессорного агрегата является его увеличенные габариты за счет охлаждающей рубашки и дополнительными каналами для подвода хладагента из конденсатора.
Известен двухступенчатый компрессорный агрегат холодильной установки (патент на полезную модель №38382, МПК F25B 1/10, опубл. 10.06.2004), который содержит корпус с торцевыми крышками, вал установленный на подшипниках в корпусе, первую и вторую компрессорные ступени с рабочими колесами, диффузорными каналами, каналами подвода и отвода хладагента, электродвигатель, ротор которого размещен на одном валу с рабочими колесами первой и второй ступеней между последними, а статор размещен в корпусе с образованием в последнем охлаждающей рубашки.
Недостатком известного технического решения является перегрев подшипников, в связи с недостаточным охлаждением подшипниковых узлов первой и второй компрессорных ступеней, и низкий КПД.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей настоящего технического решения являлась разработка такого нагнетателя воздуха с небольшими массогабаритными характеристиками и эффективным охлаждением его активных частей, который при режимах полета в условиях разреженного воздуха гарантирует подачу свежего воздуха с необходимыми параметрами напрямую потребителю или в систему кондиционирования воздуха.
Поставленная задача достигается тем, что в нагнетателе системы кондиционирования воздуха летательного аппарата, содержащим две компрессорные ступени с центробежными рабочими колесами, диффузорными каналами, являющиеся частью улитки, сборными камерами в виде улиток и патрубками входа и выхода, при этом патрубок выхода первой ступени сообщен напорным каналом с патрубком входа второй ступени, встроенный между ступенями центробежного компрессора электродвигатель, ротор которого расположен с рабочими колесами компрессорных ступеней на одном валу на подшипниках, а статор электродвигателя закреплен в его корпусе предпочтительно прессовой посадкой, корпус выполнен в виде теплообменной поверхности, отводящей тепло от статора электродвигателя, в щитах первой и второй ступеней выполнены каналы подвода воздуха, охлаждающего подшипники каждой ступени, омывающего лобовые части обмотки статора с каждой стороны, выходящего через отверстия, расположенные в корпусе вдоль границ статора.
Нагнетатель-монороторный полугерметичный двухступенчатый центробежный компрессор со встроенным электродвигателем, в котором рабочие колеса ступеней сжатия расположены оппозитно на консолях вала электродвигателя. Нагнетатель имеет рабочие колеса предпочтительно осерадиального типа, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с обычными радиальными рабочими колесами и позволяют повысить КПД центробежного компрессора.
Рабочие колеса также могут быть выполнены радиальными.
Ступень сжатия компрессора состоит из рабочего колеса насосного типа, безлопаточного диффузора и сборной камеры (улитки), корпус которой формирует направление потока воздуха на выходе (патрубке) из ступени в напорный канал, сообщающий патрубки выхода первой ступени с патрубком входа второй ступени нагнетателя.
Повышение КПД достигается за счет напорных каналов, сообщающие патрубки выхода первой ступени компрессора с патрубком входа второй ступени.
Нагнетатель всасывает воздух из атмосферы с низкой температурой и низким давлением и нагнетает в коллектор системы кондиционирования воздуха или напрямую потребителю.
Нагнетатель подключается к системе кондиционирования воздуха при помощи ограниченно подвижных соединений, всасывающий патрубок нагнетателя расположен на оси сборной камеры первой ступени сжатия.
Электродвигатель нагнетателя - встроенный высокочастотный асинхронный, с питанием от бортового источника электрического тока. Охлаждение электродвигателя нагнетателя осуществляется отбором воздуха со ступеней компрессора на охлаждение статора и подшипников.
Через зазоры между рабочими колесами и крышками воздух с первой и второй ступени отбирается для охлаждения подшипников и статора. В щитах первой и второй ступеней выполнены каналы подвода охлаждающего воздуха, а в корпусе выполнены отверстия для его выхода.
Корпус может быть выполнен ребристым для увеличения поверхности теплообмена и охлаждения статора электродвигателя.
Наличие каналов подвода и отвода охлаждающего воздуха, а также внешнего корпуса с ребрами, увеличивающими площадь теплоотдачи, обеспечивают качественное охлаждение активных узлов нагнетателя.
В лобовые части статора электродвигателя нагнетателя встроен датчик-терморезистор, для предупреждения перегрева обмоток. При превышении температуры обмоток выше допустимого значения датчик размыкается и разрывает управляющую цепь статического преобразователя частоты, тем самым отключая нагнетатель.
На вал электродвигателя и в щиты первой и второй ступени установлены радиально-упорные гибридные подшипники. Схема установки подшипников - с пружинным предварительным натягом. Смазка подшипников - консистентная. Подшипники применяются закрытого типа, в результате отсутствует необходимость подвода смазывающего масла в полость агрегата, что положительным образом сказывается на безопасности изделия и системы в целом, а также позволяет получить воздух без малейших примесей.
На вал нагнетателя могут быть установлены как газодинамические подшипники, так и подшипники качения.
Электрические разъемы (силовой и сигнальный от датчика температуры) могут быть смонтированы в патрубках, расположенных на корпусе нагнетателя или через герметичный разъем на корпусе или выводиться через отверстие в корпусе.
Электродвигатель также может быть установлен на раме, что повысит технологичность изделия с точки зрения серийного производства.
Массовый расход воздуха через нагнетатель зависит от частоты вращения ротора и, соответственно, частоты питающего тока.
Краткое описание чертежей
Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами. На фиг.1 представлен продольный разрез нагнетателя системы кондиционирования воздуха летательного аппарата, на фиг. 2 - схема движения охлаждающего воздуха.
Электронагнетатель состоит из корпуса 1, во внутреннюю часть которого запрессован статор 2 электропривода. С торцов внутреннюю полость корпуса 1 закрывают щит первой ступени 3 и щит второй ступени 4. В щиты 3, 4 устанавливаются радиально-осевые подшипники закрытого типа 5, 6. Для предотвращения вымывания смазки из подшипников 5, 6 воздухом, проходящем через зазоры (на чертеже не указаны) между валом 7 и крышками 8, 9, предусмотрены лабиринтные уплотнения, состоящие из полимерных втулок 10, 11 и металлических втулок 12, 13. Ротор электропривода 14 напрессован на вал 7. Рабочие колеса 15, 16 фиксируются на валу 7 с помощью винта 17 и контровочной шайбы 18. К фланцам корпуса 1 крепятся улитки 19, 20 с помощью шпилек 21, шайб 22 и гаек 23. Выводные концы катушечной группы статора 2 соединяются с силовыми проводами 24. В статор 2 встроен датчик-терморезистор, провода которого соединены с сигнальным кабелем 25.
Принцип работы: запуск нагнетателя производится путем подачи на него по средствам силовых проводов 24 электрического тока. На данных частотах начинает вращаться вал 7 нагнетателя. Рабочие колеса 15, 16, жестко соединенные с ротором нагнетателя, начинают вращаться вместе с валом 7. Благодаря профилю лопаток рабочих колес 15, 16, воздух отбрасывается в радиальном направлении. При этом создается разрежение воздуха, засасывающее атмосферный воздух в нагнетатель через патрубок входа первой ступени 26. На выходе с рабочих лопаток у частиц газа увеличивается скорость. Затем воздух тормозится в диффузоре (на чертеже не показан) улитки 19, в результате чего давление воздуха увеличивается, а скорость падает. На второй ступени происходят аналогичные процессы: воздух из улитки 19 поступает в патрубок входа второй ступени 27, лопатки рабочего колеса второй ступени 16 отбрасывают в радиальном направлении воздух, который тормозится в диффузоре улитки 20 и далее подается потребителю или в систему кондиционирования воздуха. В щитах 3,4 выполнены каналы 28 (аналогичные каналы на первой ступени на чертеже не показаны) подвода охлаждающего воздуха.
На фиг. 2 изображена схема движения охлаждающего воздуха на примере второй ступени нагнетателя. Охлаждение воздухом происходит следующим образом: с рабочего колеса 16 через зазоры охлаждающий воздух направляется к подшипниковому узлу и, проходя по каналам 28, выполненным в щите 4 отводит тепло от подшипника 6. Далее охлаждающий воздух омывает лобовые части обмотки статора 2 и выходит через отверстия 29 в корпусе 1, забирая тепло от корпуса 1. Такие движения охлаждающего воздуха происходят по всему объему первой и второй ступени сжатия нагнетателя.
Осуществление полезной модели
В соответствии с настоящей полезной моделью был изготовлен опытный образец двухступенчатого нагнетателя с прямым приводом от асинхронного электродвигателя. Корпус нагнетателя выполнен ребристым. Рабочие колеса осерадиальные, диаметром 140 мм. Каналы подвода воздуха, охлаждающего подшипники каждой ступени, омывающего лобовые части обмотки статора с каждой стороны, выходящего через отверстия в корпусе. Отверстия расположены в корпусе вдоль границы статора. Опытный образец нагнетателя успешно прошел испытания, расход воздуха на охлаждение подобран оптимальным, для эффективного охлаждения активных частей нагнетателя и подачи свежего воздуха с необходимыми параметрами.