СИСТЕМА КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА ДЛЯ ВОЗДУШНОГО СУДНА
AIRCRAFT AIR CONDITIONING SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе кондиционирования воздуха для воздушного судна, в особенности для коммерческого воздушного судна, имеющей источник отбираемого воздуха, трубопровод отбираемого воздуха, содержащий главный регулирующий клапан, и блок кондиционирования воздуха, причем массовый поток воздуха, подаваемый от источника отбираемого воздуха по трубопроводу отбираемого воздуха в блок кондиционирования воздуха, регулируется при помощи главного регулирующего клапана. Изобретение также относится к способу кондиционирования воздуха в воздушном судне, в особенности в коммерческом воздушном судне, включающему в себя следующие этапы: обеспечение массового потока отбираемого воздуха; подача массового потока отбираемого воздуха в блок кондиционирования воздуха по трубопроводу отбираемого воздуха.
Уровень техники
Учитывая обычную в настоящее время высоту полетов и условия окружающей среды, преобладающие на этой высоте, а именно низкое давление воздуха и низкую температуру, кондиционирование воздуха, так же как и регулирование давления воздуха внутри воздушного судна и в особенности в пассажирском салоне, являются абсолютно необходимыми. Пример системы 10 кондиционирования воздуха для воздушного судна (система генерации воздуха) в соответствии с известным уровнем техники представлен на фиг.3. Для выравнивания большой разницы давлений между наружным воздухом и внутренней частью салона горячий отбираемый воздух под высоким давлением отбирается от ступени 12 компрессора силовой установки турбины (не показана) и подается в систему 10 кондиционирования воздуха. Для этого, среди прочего, отбираемый воздух подается через разные участки 20, 22, 26, 30 трубопровода отбираемого воздуха и главный регулирующий клапан 16 в блок 32 кондиционирования воздуха. Здесь, так же как в предшествующих и последующих отдельных блоках (преобразователе 24 озона, клапанах, компрессоре, турбине и т.д.), отбираемый воздух в основном обрабатывается, так что его физические свойства (температура, давление, содержание воды) приводятся к необходимым значениям, позволяющим использовать отбираемый воздух в качестве свежего воздуха для кабины. Чтобы ограничить необходимое количество отбираемого воздуха и, следовательно, избежать излишнего потребления энергии, часть воздуха из кабины отводится и смешивается со свежим воздухом для кабины. Система 10 кондиционирования воздуха в целом имеет конструкцию, при которой две независимых друг от друга части 32, 32а системы кондиционирования воздуха снабжают пассажирские места в кабине воздушного судна. Таким образом, при соответствующем увеличении производительности блоков кондиционирования воздуха и связанных отдельных компонентов может достигаться определенное дублирование и, следовательно, повышенная надежность.
Важным отдельным компонентом системы кондиционирования воздуха является главный регулирующий клапан 16 (клапан регулирования расхода), управляемый регулирующим компьютером на основе различных параметров измерения системы и воздействующий на массовый поток воздуха, подаваемый в блок 32 кондиционирования воздуха. Для этого в канале потока блока главного регулирующего клапана устанавливается подвижная дроссельная заслонка, с помощью которой массовый поток воздуха, полученного от источника отбираемого воздуха, может уменьшаться до необходимого значения. Помимо регулирования массового потока воздуха, главный регулирующий клапан 16 может также использоваться для полного прерывания отбора воздуха от ступени компрессора путем закрывания дроссельной заслонки, что позволяет обеспечить максимальную возможную мощность силовой установки турбины. Например, это регулярно осуществляется перед взлетом воздушного судна, оборудованного такой системой 10 кондиционирования воздуха, для обеспечения максимальной тяги силовой установки во время взлета. Однако после закрывания дроссельной заслонки главного регулирующего клапана 16 свежий воздух для кабины также перестает поступать. При достижении определенной высоты полета (например, 1500 футов - 457,2 м) главный регулирующий клапан 16 вновь открывается, так что блок 32 кондиционирования воздуха может возобновить работу.
Учитывая высокую температуру отбираемого воздуха, главный регулирующий клапан подвергается высокому термическому напряжению. В то же время, как и для любого конструктивного компонента в авиационной технологии, здесь необходимо использовать технологии легких конструкций для поддержания как можно меньшего общего веса воздушного судна. Следовательно, часто возникает ситуация, когда главный регулирующий клапан, закрытый перед взлетом, не может снова открыться при достижении соответствующей высоты полета. Это может быть вызвано, например, заеданием дроссельной заслонки, а также неисправностью электрооборудования. Поскольку в случае неисправности одного из главных регулирующих клапанов вся часть системы кондиционирования воздуха, расположенная после указанного главного регулирующего клапана, другими словами, в особенности также соответствующий блок кондиционирования воздуха, в основном прекращает работу, оставшаяся дублирующая часть системы кондиционирования воздуха должна взять на себя работу неисправной части. Дополнительная неисправность уже недублирующей части системы кондиционирования воздуха может в наихудшем случае привести к декомпрессии кабины воздушного судна, требующей немедленного аварийного снижения для восстановления давления в кабине до значений, приемлемых для пассажиров. Особенно при выполнении дальних перелетов над водными пространствами, над полюсами или над в основном ненаселенными местностями такие неисправности главных регулирующих клапанов представляют значительную опасность. Усугубляющим фактором является то, что указанные главные регулирующие клапаны устанавливаются в негерметизированной части воздушного судна и, следовательно, их ремонт невозможен во время полета. Помимо опасности, представляемой такими неисправностями для пассажиров и экипажа, эти инциденты также отрицательно сказываются на репутации авиалинии, типа воздушного судна или изготовителя воздушного судна. Так, например, готовность воздушного судна перед взлетом (так называемая «надежность вылета») может также ухудшаться в случае неисправности главных регулирующих клапанов, поскольку, как указано выше, отказ последних классифицируется как серьезная авария.
В патентной публикации US 5086622 предлагается в случае падения давления подачи отбираемого воздуха перекрыть части системы кондиционирования воздуха с помощью блока управления клапаном. Таким образом, хотя давление в кабине может поддерживаться на более низком первоначальном уровне, из-за отказа отдельных важных компонентов системы кондиционирования воздуха воздух, предназначенный для подачи в кабину, обрабатывается недостаточно, что неприемлемо, например, при дальних перелетах.
В патентной публикации US 6189324 также описывается система кондиционирования воздуха для воздушного судна, работающая с отбираемым воздухом. В случае неисправности в этой системе подача отбираемого воздуха в блок кондиционирования воздуха может быть закрыта, и отбираемый воздух может подаваться непосредственно в кабину воздушного судна, возможно, при пониженном давлении. Указанное решение также не обеспечивает более полного кондиционирования воздуха для кабины, и, следовательно, также может использоваться только в аварийных случаях в течение короткого периода времени.
В патентной публикации DE 102004101366 А1 описывается система для обеспечения сжатого воздуха в воздушном судне. Основой идеей этой системы является структурное или функциональное встраивание теплообменника системы, необходимого для снабжающего оборудования, такого как бортовая система для генерации кислорода или система с подобной потребностью в сжатом воздухе, в теплообменник блока кондиционирования воздуха. В этой связи в особенности предлагается вариант осуществления изобретения, в котором теплообменник системы и теплообменник блока кондиционирования воздуха параллельно снабжаются сжатым воздухом. Сжатый воздух подается в теплообменник блока кондиционирования воздуха через регулирующий клапан и подается в теплообменник системы через двухпозиционный клапан. Выпускные отверстия сжатого воздуха обоих теплообменников соединяются закрываемым трубопроводом.
В патентной публикации DE 102004038860 А1 описывается система для обеспечения технологического воздуха, в которой в первую охлаждающую систему с первым теплообменником встраивается вторая охлаждающая система со вторым теплообменником.
В патентной публикации WO 99/24318 А1 описывается система кондиционирования воздуха для воздушного судна, относящаяся к улучшенному способу получения необходимой влажности воздуха. В особенности, описывается использование двух главных регулирующих клапанов, соединенных параллельно.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является предложение системы кондиционирования воздуха для воздушного судна, в основном решающей указанные проблемы без существенного повышения сложности системы.
Эта задача решается при помощи признаков независимых пунктов прилагаемой формулы изобретения.
Дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы.
Изобретение создано на основе известного уровня техники, в котором обводной трубопровод, содержащий перепускной клапан и обходящий, по меньшей мере, часть трубопровода отбираемого воздуха, расположен между источником отбираемого воздуха и блоком кондиционирования воздуха, причем обводной трубопровод выполнен таким образом, что он может использоваться для снабжения блока кондиционирования воздуха достаточным массовым потоком воздуха. В случае неисправности в части трубопровода отбираемого воздуха, обходимой обводным трубопроводом и расположенной перед блоком кондиционирования воздуха, например, в случае неисправности главного клапана, который не может открыться, по меньшей мере, часть массового потока воздуха может посредством открывания перепускного клапана подаваться по обводному трубопроводу. Таким образом, можно предотвратить потенциальный или уже существующий отказ подачи отбираемого воздуха в блок кондиционирования воздуха и компенсировать его путем предоставления альтернативного пути подачи. Класс неисправности трубопровода отбираемого воздуха, ведущего к блоку кондиционирования воздуха, уменьшается, поскольку обеспечение в особенности кондиционированного свежего воздуха для кабины при соответствующем давлении может продолжаться.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения предусматривается трубопровод отбираемого воздуха, содержащий преобразователь озона. При неисправности в части трубопровода отбираемого воздуха, расположенной за преобразователем озона, эта часть трубопровода отбираемого воздуха может при необходимости быть обойдена обводным трубопроводом, и использование преобразователя озона может продолжаться. Кроме того, при отказе или неисправности самого преобразователя озона и соответствующем направлении обводного трубопровода эта неисправность может иметь не такие тяжелые последствия, и, по меньшей мере, может поддерживаться работа блока кондиционирования воздуха.
Также в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения перепускной клапан и главный клапан отличаются по конструкции. Это существенно уменьшает вероятность появления вызванной конструктивным дефектом неисправности как главного, так и перепускного клапанов. В особенности конструкция обычных главных регулирующих клапанов может также быть изменена с помощью этой меры.
Обычные главные регулирующие клапаны, как правило, имеют сложную конструкцию и структуру, имеющую чисто электрическое и чисто пневматическое управление для обеспечения пневмомеханического регулирования внутреннего давления в кабине в случае неисправности электроники. Наличие перепускного клапана в соответствии с настоящим изобретением позволяет передать ему встроенную в главный регулирующий клапан аварийную функцию пневматического управления, и, таким образом, исключить указанную функцию в главном регулирующем клапане, что позволяет снизить вес и упростить конструкцию последнего. Кроме того, перепускной и главный регулирующий клапаны должны как можно больше отличаться по конструкции для обеспечения как можно большей технологической независимости систем обеих конструкций, и, таким образом, уменьшения вероятности одновременного появления вызванной конструктивным дефектом неисправности обоих клапанов. Кроме того, путем использования простой конструкции контроль давления может осуществляться при аварийной работе при помощи, например, задания размеров внутреннего сечения перепускного клапана по отношению к массовому потоку воздуха, так что полученная разница давления по отношению к давлению отбираемого воздуха создает соответствующее внутреннее давление в кабине. Такая конструкция обеспечивает быстрое изменение давления отбираемого воздуха внутри кабины. Альтернативно также может осуществляться простое регулирование давления.
Кроме того, предпочтительно перепускной клапан содержит регулировку демпфирования. Регулировка демпфирования может осуществляться, например, при помощи установки моментов открытия клапана и позволяет избежать нежелательных скачков давления в обводном трубопроводе и соединенных с ним компонентах системы кондиционирования воздуха.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения перепускной клапан может являться двухпозиционным клапаном, другими словами, он может принимать открытое или закрытое положение. Такой простой режим работы является целесообразным в особенности для компонентов, которые должны работать главным образом в аварийных ситуациях, и обеспечивает легкую, надежную и возможно также экономичную конструкцию.
Также в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения перепускным клапаном можно управлять с помощью блока управления системы кондиционирования воздуха. Так, обводной трубопровод может быстро открываться в случае неисправности, и работа расположенных за ним компонентов может продолжаться.
В соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения предусматривается обводной трубопровод, составляющий часть второй воздушной системы, именно выполненный, по меньшей мере, частично независимым от системы кондиционирования воздуха. Это позволяет в случае неисправности использовать уже существующие воздушные трубопроводы второй воздушной системы и уменьшает структурные издержки при осуществлении изобретения. В зависимости от конструкции второй воздушной системы использование ее воздушных трубопроводов в случае неисправности может не препятствовать обычной работе второй воздушной системы или может частично или полностью прекратить такую работу. Нарушение работы второй воздушной системы должно иметь класс неисправности ниже, чем повреждение одного или более блоков кондиционирования воздуха.
В соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения вторая воздушная система является системой охлажденного воздуха общего назначения и/или системой инертного газа топливного бака. В зависимости от конкретной конструкции соответствующих систем части системы, в особенности участки воздушного трубопровода, клапаны и т.п., могут использоваться с сохранением или с прекращением работы системы для обвода подачи отбираемого воздуха в блок кондиционирования воздуха.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения может предусматриваться источник отбираемого воздуха, являющийся вспомогательной турбиной. Таким образом, если отбираемого воздуха от главных турбин недостаточно, можно использовать вспомогательную турбину и ее трубопроводы отбираемого воздуха.
Способ в соответствии с настоящим изобретением основан на известном уровне техники, в котором, в случае уменьшения пропускной способности трубопровода отбираемого воздуха, часть массового потока отбираемого воздуха подается через обводной трубопровод в блок кондиционирования воздуха. Таким образом, преимущества настоящего изобретения также осуществляются в соответствии с указанным способом.
Настоящее изобретение основано на том, что неисправность главного регулирующего клапана, так же как нарушение массового потока воздуха через преобразователь озона перед блоком кондиционирования воздуха, может в основном компенсироваться, если между источником отбираемого воздуха и связанным с ним блоком кондиционирования воздуха с помощью перепускного клапана подключен обводной трубопровод, по которому массовый поток воздуха может обходить неисправный или прерывающий поток элемент и может снабжать блок кондиционирования воздуха. В этой связи трубопроводы, уже имеющиеся в системе кондиционирования воздуха, могут предпочтительно использоваться как часть обводного трубопровода.
Краткое описание чертежей
Ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи подробно описываются предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения.
На фиг.1 представлена схема соединений блока кондиционирования воздуха в соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления изобретения.
На фиг.2 представлена схема соединений блока кондиционирования воздуха в соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления изобретения.
На фиг.3 представлена схема соединений блока кондиционирования воздуха в соответствии с известным уровнем техники.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлена схема соединений системы 10 кондиционирования воздуха в соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Система 10 кондиционирования воздуха зеркально симметрична по линии А на схеме соединений, иными словами, все основные компоненты имеются в двойном количестве. Ниже описывается только часть системы 10 кондиционирования воздуха, расположенная слева на соответствующем чертеже, а резервная правая часть идентичной конструкции только обозначена на чертеже и не описывается подробно.
Горячий отбираемый воздух под высоким давлением отбирается от турбинного блока (не показан) через ступень компрессора, схематически представленную источником 12 отбираемого воздуха. Отобранный воздух подается по главному трубопроводу 20 отбираемого воздуха и ответвлению 22 отбираемого воздуха в преобразователь 24 озона, откуда он проходит через дополнительный участок 26 трубопровода отбираемого воздуха в главный регулирующий клапан 16 и подается через Т-образный участок 28 трубопровода (Т-образный воздуховод), а также через дополнительный участок 30 трубопровода отбираемого воздуха в блок 32 кондиционирования воздуха (установку для кондиционирования воздуха). Блок 32 кондиционирования воздуха содержит воздухозаборное отверстие 62 и воздуховыпускное отверстие 64. Кроме указанного прямого соединения отбираемого воздуха через участки 20-26 трубопровода отбираемого воздуха, блок 32 кондиционирования воздуха соединяется перед Т-образным участком 28 трубопровода через обходной трубопровод с источником 12 отбираемого воздуха. Обходной или обводной трубопровод, начиная с Т-образного участка 28 трубопровода, с участками 40, 38, 36, 37 обводного трубопровода образует соединение между блоком 32 кондиционирования воздуха и главным трубопроводом 20 отбираемого воздуха. Перепускной клапан 34 предусмотрен на участке 36 обводного трубопровода. Перепускной клапан открывает и закрывает участок 36 обводного трубопровода и имеет существенно менее сложную конструкцию, чем главный регулирующий клапан 16. Для устранения скачков давления может быть предусмотрена простая система регулировки демпфирования. Кроме того, путем открывания перепускного клапана 34 дополнительно обеспечивается массовый поток воздуха для непрерывной работы соответствующей системы балансировочной массы воздуха, служащей для обеспечения тонкой регулировки температуры воздуха в разных зонах кабины. Опционно вместо участка 40 обводного трубопровода соединение обводного трубопровода 38 может осуществляться через участки 58, 60 трубопровода балансировки, расположенные между Т-образным участком 28 трубопровода и балансировочным клапаном 54 регулирования давления, с помощью участка 39 обводного трубопровода, если это благоприятно для схемы расположения трубопровода. Альтернативно или дополнительно также может обеспечиваться соединение трубопровода между системой 34-40 обводного трубопровода и источником отбираемого воздуха дополнительной турбины 14 (ВСУ - вспомогательная силовая установка), который может соединяться с помощью обратного клапана 18 вспомогательной турбины (обратный клапан ВСУ).
При нормальной работе горячий отбираемый воздух под высоким давлением проходит, как описано выше, от источника 12 отбираемого воздуха через преобразователь 24 озона, причем давление регулируется с помощью главного регулирующего клапана 16, в блок 32 кондиционирования воздуха. В этом блоке отбираемый воздух кондиционируется, т.е., среди прочего, с помощью термодинамических процессов, таких как повышение давления, охлаждение и сброс давления, регулируются давление, температура и содержание воды. В этой связи, например, набегающий через воздухозаборное отверстие 62 воздух используется для охлаждения. Затем кондиционированный воздух проходит в кабину (не показана). Неисправность возникает, если в главном регулирующем клапане 16 или в преобразователе 24 озона поток массы воздуха нежелательно прерывается или, по меньшей мере, значительно уменьшается. Возникающее в результате этого падение давления может, прежде всего, привести к отказу блока 32 кондиционирования воздуха. При помощи оценки соответствующих параметров измерения или автоматически при помощи соответствующей конструкции перепускного клапана 34 последний открывается, в результате чего непосредственное соединение между источником 12 отбираемого воздуха и блоком 32 кондиционирования воздуха восстанавливается. При необходимости должен открыться кран 68 кольцевания, отделяющий части независимой резервной системы кондиционирования воздуха. Кроме того, если из обоих блоков не поступает или поступает слишком мало отбираемого воздуха, отбираемый воздух ВСУ может использоваться непосредственно при помощи открывания обратного клапана 18 вспомогательной турбины. Обход преобразователя 24 озона в соответствии с таким вариантом осуществления настоящего изобретения может рассматриваться как менее важный, так как, таким образом, можно избежать аварийного снижения, необходимого в ином случае из-за потери давления в кабине, особенно поскольку на высоте полета менее 31000 футов (10121 метра) не имеется официально установленных значений необходимой концентрации озона в кабине. В качестве альтернативы обходу преобразователя 24 озона, обводной трубопровод может также начинаться за преобразователем 24 озона, обходить главный регулирующий клапан 16 и заканчиваться в Т-образном участке 28 трубопровода, что, однако, может быть труднее осуществить из-за стесненного пространства.
На фиг.2 представлена схема соединений системы кондиционирования воздуха в соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Поскольку основные части системы кондиционирования воздуха в соответствии с этим альтернативным вариантом осуществления изобретения соответствуют частям системы кондиционирования воздуха в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, соответствующие компоненты имеют одинаковые номера позиций.
Ниже речь пойдет только об отличающихся частях. В соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, кроме воздушной системы для снабжения внутренней части кабины, представлена дополнительная система, а именно система 66 охлажденного воздуха общего назначения. Она снабжается через трубопроводы 42, 43, 44, 48, 51 отбираемого воздуха, а также через преобразователь 46 озона отбираемым воздухом от источника 12 отбираемого воздуха. Кроме того, имеется трубопровод отбираемого воздуха 47 с перепускным клапаном 50, при помощи которого трубопроводы 43, 44, 48 отбираемого воздуха системы 66 охлажденного воздуха общего назначения могут соединяться с трубопроводами отбираемого воздуха блока 32 кондиционирования воздуха, в особенности с Т-образным участком 28 трубопровода.
При неисправности, как описано выше, система 66 охлажденного воздуха общего назначения выключается, и открывается перепускной клапан 50. Несмотря на заблокированные трубопроводы 22, 26, поступление отбираемого воздуха от источника 12 отбираемого воздуха, таким образом, осуществляется через обводные трубопроводы 44, 48, 51, 47. Таким образом, большая часть уже существующих трубопроводов второй воздушной системы может использоваться при неисправности, и должны быть добавлены только перепускной клапан 50 и короткий участок 47 трубы. Воздух может направляться через преобразователь 46 озона, имеющийся в системе 66 охлажденного воздуха общего назначения, так что пассажиры не должны страдать от каких-либо связанных с этим неудобств. В целом класс неисправности блока кондиционирования воздуха уменьшается с 1 до 2, поскольку после открывания перепускного клапана блок может возобновить работу. Следовательно, поскольку такая неисправность не оказывает немедленного воздействия на продолжение полета, отключенная в таком случае система 66 охлажденного воздуха общего назначения и присоединенная за ней система инертного газа топливного бака могут конструироваться с меньшей надежностью. Если для обеспечения независимости системы система 66 охлажденного воздуха общего назначения не используется для создания обводного трубопровода, может быть предусмотрен обводной трубопровод с перепускным клапаном, который начинается у трубопровода 26, проходящего вниз за преобразователем 24 озона, и заканчивается после главного регулирующего клапана 16, например, в Т-образном участке 28 трубопровода. Таким образом, для обхода неисправного главного регулирующего клапана 16 для снабжения блока 32 кондиционирования воздуха обеспечивается дополнительная комбинация. Кроме того, в то же время воздух проходит через преобразователь 24 озона.
Для осуществления настоящего изобретения признаки, раскрытые выше в описании и чертежах, так же как и в прилагаемой формуле изобретения, могут использоваться по отдельности или в произвольных сочетаниях.