СИСТЕМА ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА
SYSTEM FOR PRESSURE INCREASING AND AIR CONDITIONING

Изобретение относится к системам обеспечения воздуха, более конкретно к системам обеспечения воздуха без отбора из двигателей сжатого воздуха и его кондиционирования для подачи в кабину экипажа и в салоны для пассажиров летательных аппаратов с интегрированной системой регулирования температуры.
Известны системы обеспечения воздуха и/или системы кондиционирования воздуха для самолетов с реактивными двигателями и с герметизированными кабинами, в которых для обеспечения энергией системы кондиционирования воздуха используются компрессоры двигателей, причем сжатый воздух, используемый в качестве рабочего тела, кондиционируется системой кондиционирования воздуха и подается для дыхания в кабину экипажа и пассажирские салоны (далее по тексту "кабины").
Для обеспечения работы традиционной системы кондиционирования воздуха компрессор турбореактивного двигателя постоянно отбирает воздух из двигателя в соответствующих точках отбора. В зависимости от нагрузки силовой установки характеристики отбираемого воздуха изменяются, так что температуры воздуха могут изменяться от примерно 250°С до примерно 450°С, а давления - от примерно 1,8 бара до примерно 5,0 бар. Характеристики отбираемого воздуха не могут быть изменены непосредственно.
В принципе, это и является задачей системы кондиционирования воздуха: снизить температуру и давление сжатого и горячего воздуха, отбираемого из двигателя, чтобы получить характеристики, приемлемые для воздуха, используемого для дыхания. Охлаждение обычно осуществляется с помощью теплообменника. Этот отбор энергии необратим, то есть последующее использование энергии невозможно, поскольку она рассеивается в окружающую среду. Для обеспечения необходимой интенсивности подачи в кабины свежего воздуха для дыхания в начале воздушной магистрали должен использоваться дроссельный клапан, снижающий давление потока отбираемого воздуха, причем на клапане также происходит необратимое рассеивание энергии.
Если степень охлаждения с помощью теплообменника недостаточна, то необходимо повысить давление воздушного потока с использованием внутреннего компрессора системы кондиционирования и затем снизить давление до давления в кабинах после снижения температуры за счет теплопередачи в окружающую среду в дополнительном турбохолодильнике. Снижение температуры, сопровождающее снижение давления, позволяет получить температуру на выходе, которая ниже, чем температура в кабине, и в результате достигается эффект охлаждения.
В известных технических решениях необходимую температуру на выходе системы кондиционирования воздуха получают смешиванием охлажденного воздушного потока с потоком горячего воздуха, который подается на вход системы кондиционирования. Регулирование температуры в кабинах самолета обычно осуществляется по зонному принципу, когда внутреннее пространство делится на зоны с различной температурой. Необходимая температура в соответствующей зоне обеспечивается путем подачи в нее потока воздуха, температура которого, соответственно, выше или ниже текущей температуры воздуха в этой зоне. Температура подаваемого воздуха регулируется путем подмешивания горячего воздуха. Использование этого принципа означает, что температура воздушной смеси в смесителе должна обеспечивать получение наименьшей необходимой температуры в какой-либо из зон. Таким образом, температура на выходе охлаждающего устройства также должна регулироваться, так чтобы температура воздуха на выходе смесителя обеспечивала получение наименьшей необходимой температуры в какой-либо из зон.
Существенный недостаток вышеописанной технологии заключается в том, что энергия, необходимая для сжатия и кондиционирования воздуха, обеспечивается компрессором турбореактивного двигателя, и такой отбор энергии не поддается эффективному управлению. Большая часть отбираемой энергии рассеивается в результате теплопередачи и дросселирования и поэтому уже не может быть использована. Другой недостаток заключается в том, что характеристики отбираемого воздуха зависят от мощности силовой установки, которая в основном определяется силой тяги. Кроме того, отбор воздуха из основного воздушного потока силовой установки неблагоприятно отражается на характеристиках ее работы.
Задачей изобретения является создание системы кондиционирования воздуха для герметизированных салонов для пассажиров и кабины экипажа летательных аппаратов, которая не требует для своей работы постоянного отбора воздуха из компрессора двигателя и в которой отсутствуют вышеуказанные недостатки.
В изобретении предлагается система кондиционирования воздуха для герметизированных салонов для пассажиров и кабины экипажа летательного аппарата, содержащая компрессор для повышения давления воздушного потока, который отбирается из канала набегающего потока наружного воздуха и через теплообменники подается в одну из герметизированных зон летательного аппарата, в которых необходимо кондиционировать воздух и повышать давление, при этом для каждой зоны с различными температурами воздуха предусмотрен отдельный зонный теплообменник для подачи в нее дополнительного воздуха в соответствии с температурой, которая должна поддерживаться в зоне, и зонные теплообменники установлены в канале набегающего воздушного потока для охлаждения дополнительного воздуха для отдельных зон до необходимой входной температуры.
Основная идея изобретения заключается в обеспечении требуемого воздушного потока с помощью компрессора, который повышает давление воздуха до величины, соответствующей давлению в кабине с учетом потерь давления в трубопроводах и в разветвлениях системы. Воздух, давление которого необходимо повысить, отбирается из канала набегающего потока наружного воздуха.
В соответствии с изобретением регулирование температуры воздуха, подаваемого в кабины летательного аппарата, осуществляется с использованием электрической энергии, причем низкотемпературный воздух, поступающий снаружи на вход системы, обеспечивает отвод тепла. Таким образом, снижаются потери энергии, поскольку отсутствует отбор воздуха из двигателей, что позволяет оптимизировать их работу. Как результат, обеспечивается снижение расхода топлива. Кроме того, система обладает дополнительными достоинствами, связанными с тем, что система отбора воздуха, используемая в известных технических решениях, отсутствует, и предлагаемая в изобретении система обеспечения воздуха может быть установлена как компактный агрегат.
Ниже описывается предпочтительный вариант осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:
фигура 1 - схематический вид предпочтительного варианта предлагаемой в изобретении системы обеспечения воздуха;
фигура 2 - схематический вид системы обеспечения воздуха, представленной на фигуре 1, в режиме нагрева с указанием воздушных потоков;
фигура 3 - схематический вид системы обеспечения воздуха, представленной на фигуре 1, в режиме охлаждения с указанием воздушных потоков.
Одинаковые компоненты на чертежах указываются одинаковыми ссылочными номерами.
На фигуре 1 представлен схематический вид предпочтительного варианта предлагаемой в изобретении системы обеспечения воздуха; В состав системы 1 обеспечения воздуха входит электродвигатель 2 для привода компрессора 3. Компрессор 3 повышает давление воздуха, поступающего снаружи, до величины, соответствующей давлению в кабине с учетом потерь давления в трубопроводах и в разветвлениях системы. Требуемый максимальный объем подаваемого воздуха определяется объемом кабины. Если потребуется более высокая степень охлаждения и/или нагрева, то электродвигатель 2 может обеспечить более высокую мощность и увеличение давления и/или температуры воздуха.
Кроме того, система 1, как показано на фигуре 1, содержит турбину 4, через которую сжатый воздух подается в конденсатор 5. Функция турбины 4 будет описана более подробно ниже со ссылками на фигуру 3.
Далее, система 1 содержит регулятор 6 потока воздуха, который обеспечивает регулирование потока сжатого воздуха, поступающего из компрессора 3, на необходимом уровне, который прежде всего определяется объемом кабины. Регулятор 6 потока воздуха, который установлен после компрессора 3, обеспечивает регулирование объема воздуха, подаваемого в кабину (зоны 10А-10D). В альтернативном варианте этот регулятор может отсутствовать, и в этом случае может использоваться компрессор 3 с регулируемой производительностью.
Как можно видеть на фигуре 1, между конденсатором 5 и турбиной 4 установлен промежуточный теплообменник 7. Воздушный поток из теплообменника 7 может проходить через клапан-регулятор давления 8 и клапаны-регуляторы 9 температуры в различных зонах 10А-10D кабины летательного аппарата. С помощью регуляторов 9А-9D температуры осуществляется точное раздельное регулирование температур в соответствующих зонах 10А-10D.
Как можно видеть на фигуре 1, предпочтительный вариант предлагаемой в изобретении системы 1 обеспечения воздуха содержит также главный клапан-регулятор 11 температуры, который установлен между конденсатором 5 и смесителем 12 воздуха для поддержания заданной температуры потока воздуха, поступающего в смеситель 12 воздуха.
Кроме того, на фигуре 1 показан канал 13 набегающего воздушного потока, в котором установлен главный теплообменник 15, из которого воздушный поток может поступать через главный регулятор 11 температуры в смеситель 12 воздуха. Кроме того, в канале 13 набегающего воздушного потока установлена регулируемая воздушная заслонка 16 и вентилятор 17 с электроприводом для обеспечения работы главного теплообменника 15.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения параллельно каналу 13 набегающего воздушного канала может быть устроен второй канал 14 набегающего воздушного потока, в котором размещаются четыре зонных теплообменника 18А-18D, предназначенных для зон 10А-10D, соответственно. Так же как и канал 13 набегающего воздушного потока, канал 14 содержит регулируемую воздушную заслонку 19 и вентилятор 20.
Для раздельного регулирования температуры в зонах 10А-10D система 1 обеспечения воздуха содержит клапаны-регуляторы 21А-21D температуры воздуха в зонах, установленные после смесителя 12 воздуха.
Предлагаемая в изобретении система обеспечения воздуха содержит также преобразователь 22 озона, который установлен после клапана 5 регулирования воздушного потока и перед промежуточным теплообменником 7.
Вентилятор 23 отработанного воздуха системы 1, установленный выше (по потоку) смесителя 12 воздуха, подает в него воздух из зон 10А-10D.
Ниже со ссылками на фигуры 2 и 3 описываются различные режимы работы системы.
На фигуре 2 приведена схема с указанием воздушных потоков (пунктирные линии) для работы в режиме подогрева воздуха, подаваемого в кабину экипажа и в салоны для пассажиров.
Когда самолет находится на земле, работой компрессора 3 управляют так, чтобы он обеспечивал подачу достаточного потока воздуха. Повышение давления и/или температуры рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить максимально возможные требуемые температуры воздуха для всех зон 10А-10D и компенсировать потери давления. Такое увеличение давления выгодно с экономической точки зрения, поскольку не создается избыточного давления, и величина тепловой энергии, которую возможно придется рассеивать в окружающую среду с помощью теплообменников, сравнительно невысока.
Избыточная температура дополнительного воздуха, которая является результатом сжатия воздуха компрессором 3, снижается в главном теплообменнике 15, установленном в канале 13 набегающего воздушного потока. После смешивания в смесителе 12 с рециркуляционным воздухом, подаваемым из кабин с помощью воздушного вентилятора 23, воздушная смесь подается в зонные теплообменники 18А-18D через соответствующие регуляторы 21А-21D температуры в зонах. Направляя потоки в зонные теплообменники 18А-18D, клапаны 21А-21D обеспечивают независимое регулирование температуры в соответствующих зонах 10А-10D. В зонных теплообменниках 18А-18D дополнительный воздух, подаваемый в зоны раздельно, охлаждается наружным воздухом в канале 14 набегающего потока воздуха до необходимой температуры. Регулирование температуры осуществляется с помощью вентилятора 20 с электроприводом и регулируемой воздушной заслонки 19, а также с помощью регуляторов 21А-21D температуры воздуха в зонах. Как можно видеть на фигуре 2, в этом случае клапан-регулятор 8 давления закрыт.Если требуется увеличить подачу тепловой энергии в какую-либо из зон 10А-10D, то это может быть осуществлено с помощью регулятора 8 давления и регуляторов 9А-9D температуры воздуха в зонах.
Ниже со ссылками на фигуру 3 описывается второй режим работы, в котором самолет находится на земле, и воздух, подаваемый в кабины, необходимо охлаждать. Соответствующая схема потоков представлена на фигуре 3 пунктирными линиями.
В этом режиме охлаждения работой компрессора 3 управляют так, чтобы обеспечить подачу достаточного потока воздуха. Повышение давления и/или температуры рассчитывается по меньшей мере таким образом, чтобы обеспечить минимальные требуемые температуры воздуха для всех зон 10А-10D и компенсировать потери давления. Такое увеличение давления выгодно с экономической точки зрения, поскольку создается минимальная избыточная тепловая энергия, которую придется рассеивать в окружающую среду с помощью теплообменников.
Насколько это возможно, охлаждение обеспечивается прежде всего за счет использования теплообменников 15, 18А-18D. В этом случае главный теплообменник 15 используется для обеспечения наименьшей требуемой температуры в одной из зон при условии, что это может быть достигнуто при текущей температуре наружного воздуха. После смешивания в смесителе 12 с рециркуляционным воздухом, подаваемым из кабин с помощью воздушного вентилятора 23, воздушная смесь подается в зонные теплообменники 18А-18D через соответствующие регуляторы 21А-21D температуры воздуха в зонах. Зонные теплообменники 18А-18D обеспечивают дополнительное охлаждение воздуха в зонах посредством регуляторов 21А-21D температуры. Зоны, в которых необходимо повышение температуры, нагреваются с помощью горячего воздуха.
Если самая низкая требуемая температура в какой-либо из зон не может быть получена с использованием только теплообменников каналов набегающего воздушного потока, то закрытием главного клапана-регулятора 11 температуры осуществляется направление части потока через турбину 4 (см. фигуру 3). В этом случае с помощью электродвигателя 2 задают работу компрессора для получения наибольшего конечного давления, так что после главного теплообменника 15 и снижения давления в турбине 4, обеспечивается достаточная охлаждающая способность.
В этом случае зонные теплообменники 18А-18D продолжают работать настолько долго, насколько возможно дальнейшее охлаждение воздушной смеси с помощью регуляторов 21А-21D температуры воздуха в зонах. За счет механической работы при снижении давления турбина 4 снимает нагрузку с электродвигателя 2 и, соответственно, экономится энергия.
Ниже описываются другие режимы работы, иллюстрирующие функционирование системы 1 обеспечения воздуха.
Когда самолет находится в полете и воздух в кабинах необходимо подогревать, работой компрессора 3 управляют так, чтобы обеспечивать подачу достаточного потока воздуха и поддержания необходимого давления в кабинах. Повышение давления и/или температуры должно рассчитываться таким образом, чтобы прежде всего обеспечить необходимое давление воздуха в кабинах и, по возможности, наиболее высокую требуемую температуру в какой-либо из зон, и компенсировать потери давления. После главного теплообменника 15 так же, как и в случае подогрева воздуха при нахождении самолета на земле, температура регулируется так, чтобы обеспечить максимальную требуемую температуру в какой-либо из зон.
Точное регулирование обеспечивается так же, как и на фигуре 2, с помощью регуляторов 21А-21D температуры в зонах и/или зонных теплообменников 18А-18D. Если потребуется увеличить подачу тепловой энергии в какую-либо из зон, это может быть осуществлено с помощью регулятора 8 давления и регуляторов 9А-9D температуры воздуха в зонах.
Для случая, когда самолет находится в полете и необходимо охладить воздух в кабинах, работой компрессора 3 управляют так, чтобы обеспечить подачу достаточного потока воздуха и поддержания необходимого давления в кабинах. Повышение давления и/или температуры должно рассчитываться таким образом, чтобы прежде всего обеспечить необходимое давление воздуха в кабинах и, по возможности, наиболее низкую требуемую температуру в какой-либо из зон, и компенсировать потери давления.
В соответствии со стандартом ISA охлаждение большей частью можно будет осуществлять с помощью главного теплообменника 15 и зонных теплообменников 18А-18D, используя охлаждающую способность набегающего воздушного потока. В соответствии со стандартом ISA температура наружного воздуха падает от -4°С на высоте 10'000 футов до -56°С на высоте 39'000 футов. Такое регулирование в рабочих режимах очень экономично, так как потери минимальны. Если не обеспечивается достаточное охлаждение, то турбина 4 управляется главным клапаном-регулятором 11 температуры с одновременным повышением давления компрессором 3, и давление воздуха снижается до величины давления в кабинах, пока не будет получено достаточное охлаждение. Зонные теплообменники 18А-18D в этом случае также продолжают работать настолько долго, насколько возможно дальнейшее охлаждение воздушной смеси с помощью регуляторов 21А-21D температуры воздуха в зонах.
Хотя изобретение описано со ссылками на предпочтительный вариант его осуществления, однако ясно, что могут быть выполнены различные модификации и изменения без выхода за объем охраны изобретения.
Например, система может обеспечивать более четырех зон с использованием более четырех зонных теплообменников, причем параметры зонных теплообменников могут быть подобраны для режимов полета в соответствии со стандартом ISA. Рабочие режимы, в которых задействована система, могут относиться к полету. Поскольку на высоте 40'000 футов температура воздуха составляет -56°С, то достаточный теплообмен возможен даже для сравнительно малых теплообменных поверхностей. Поэтому, если это возможно, конструкция должна быть рассчитана на +23 (жаркий день) по ISA, что соответствует температуре -33°С на высоте 40'000 футов, для того чтобы обеспечить даже более высокие требования к охлаждающей способности.
Система, описанная со ссылками на предпочтительный вариант осуществления изобретения, может быть дополнена еще одним теплообменником в потоке циркулирующего воздуха. Такой теплообменник может быть установлен перед вентилятором циркулирующего воздуха или после него. С помощью этого теплообменника из циркулирующего воздуха извлекается тепло, что позволяет понизить температуру. Этот теплообменник может быть реализован в форме испарителя, являющегося одной из частей парокомпрессионной холодильной машины, и теплообменник может быть установлен внутри герметизированной части корпуса самолета. Благодаря использованию такого дополнительного теплообменника понижается температура циркулирующего воздуха на входе смесителя воздуха. Таким образом, температура потока свежего воздуха в смесителе может быть повышена так, чтобы получить такую же температуру воздушной смеси, какая может быть получена без использования такого теплообменника для потока циркулирующего воздуха. В результате может быть снижено потребление электроэнергии компрессором и/или вентилятором канала набегающего воздушного потока. В то же время электроэнергия будет потребляться парокомпрессионной холодильной машиной, однако эффективность работы такой машины обычно выше эффективности работы воздушной холодильной машины с открытым циклом. Это означает, что в случае использования парокомпрессионной холодильной машины будет потребляться меньше электроэнергии для обеспечения такой же охлаждающей способности.
Кроме того, система, описанная применительно к предпочтительному варианту осуществления изобретения, может быть дополнена еще одним теплообменником в потоке циркулирующего воздуха, который является частью центральной бортовой системы охлаждения. В этом случае используется система охлаждения, уже имеющаяся на летательном аппарате, в результате чего может быть снижено потребление электроэнергии и общий вес системы, конечно в предположении, что потребность в охлаждении не возникает одновременно во всех системах. Потребность в охлаждении продуктов и напитков падает в процессе полета, так что высвобождающаяся охлаждающая способность может быть использована в системе кондиционирования воздуха.