利用增强型压缩机的环境控制系统的制作方法
背景
一般来说，关于飞行器的目前的空气调节系统，在巡航时利用发动机引气压力向机舱增压和冷却供应动力。举例来说，经由改变增压空气的温度和压力的一连串系统向机舱提供来自飞行器的发动机的增压空气。为了向增压空气的此项准备供应动力，唯一的能量源是空气本身的压力。因此，目前的空气调节系统在巡航时始终都需要相对高的压力。不幸的是，鉴于航空航天行业中朝向更高效的飞行器的总体趋势，相对高的压力在发动机燃料燃烧方面提供了有限的效率。
简要描述
根据一个实施例，提供一种用于飞行器的系统。所述系统包括压缩装置和至少一个热交换器。所述压缩装置包括压缩机、在所述压缩机的下游的涡轮机，和耦合到所述涡轮机和所述压缩机的电机。此外，所述压缩机包括高速转子后掠。所述系统可以是空气调节系统。
通过本文实施例的技术实现了额外的特征和优势。其他实施例和各方面在本文中予以了详细描述，且被视为权利要求书的一部分。为了更好地理解优势和特征，参阅以下描述和图式。
附图简述
在说明书完结时的权利要求书中特别地指出且清楚地要求保护标的。根据结合附图进行的以下详细描述，前述和其他特征和优势会显而易见，在附图中：
图1是根据实施例的环境控制系统的示意图；
图2是根据实施例的环境控制系统的操作实例；
图3是收缩的压缩机图；
图4是根据实施例的压缩机转子后掠的示意图；
图5说明根据实施例的套管引气放置图；
图6是根据实施例的具有带有套管引气的高速转子后掠和低稠度扩压器的增强型压缩机的收缩的压缩机图；
图7是根据实施例的混流通道的示意图；
图8是根据实施例的具有混流通道的压缩机的收缩的压缩机图；
图9是根据实施例的压缩装置的扩压器的示意图；以及
图10是根据实施例的利用可变叶片扩压器的增强型压缩机的收缩的压缩机图。
详细描述
在本文中参考附图通过例证且不带限制性地呈现了对所公开的设备和方法的一个或多个实施例的详细描述。
本文的实施例提供了一种环境控制系统，其利用引气压力向环境控制系统供应动力并且以高引擎燃料燃烧效率提供机舱增压和冷却，并且包括在广得多的经校正流量和压力比率范围内具有高效率的增强型压缩机。所述增强型压缩机可以包括以下各者中的一者或多者：具有高速转子后掠、套管引气和低稠度扩压器的压缩机；可变叶片扩压器，和混流压缩机。
一般来说，环境控制系统的实施例可以包括一个或多个热交换器和一个压缩装置。从发动机的低压位置引出的媒介流过一个或多个热交换器进入腔室。现在转向图1，说明系统100，其从入口101接收媒介且向腔室102提供媒介的经过调节的形式。系统100包括压缩装置120和热交换器130。所述系统的元件经由阀、导管、管子等进行连接。阀是系统100的通过打开、关闭或部分地阻塞导管、管子等内的各个通路来调节、引导和/或控制媒介的流量的装置。可以通过致动器操作阀，使得可以将系统100的任何部分中的媒介的流动速率调节至所要的值。
如图1中所示，媒介可以从入口101穿过系统100流动到达腔室102，如由实线箭头a、b指示。在系统100中，媒介可以流过压缩装置120、流过热交换器130、从压缩装置120流动到热交换器130、从热交换器130流动到压缩装置120等。
一般来说，所述媒介可以是空气，而其他实例包括气体、液体、流化固体或浆料。在通过连接到系统100的发动机例如从入口101提供媒介时，所述媒介在本文中可以被称作引气(例如，外部空气或新鲜空气)。关于引气，可以利用发动机(或辅助动力单元)的低压位置以接近在媒介处于腔室102中时的媒介压力(例如，腔室压力)的初始压力水平提供所述媒介。
例如，关于飞行器实例，可以通过从涡轮机发动机的压缩机级“引出”而将空气供应给环境控制系统。此引气的温度、湿度和压力依据压缩机级和涡轮机发动机每分钟的转数而广泛地变化。由于利用了发动机的低压位置，所以媒介可以略微高于或略微低于腔室102中的压力。从低压位置以此类低压引出媒介导致比从更高压力位置引出空气更少的燃料燃烧。然而，因为媒介开始于此相对低初始压力水平且因为在一个或多个热交换器上出现压力的下降，所以在媒介流过热交换器130时，媒介将下降到腔室压力以下。在媒介的压力低于腔室压力时，媒介将不流动到腔室中来提供增压和温度调节。
为了实现所要的压力，引气可以在通过压缩装置120时加以压缩。压缩装置120是控制并操纵媒介(例如，增加引气的压力)的机械装置。压缩装置120的实例包括空气循环机器、三轮机器、四轮机器等。压缩装置120可以包括压缩机，例如离心式、对角或混流式、轴流式、往复式、离子液体活塞、旋转螺杆、旋转叶片、卷动、隔膜、气泡压缩机。可以经由涡轮机通过电机或媒介(例如，引气、腔室排放空气，和/或再循环空气)驱动压缩机。压缩装置的压缩机可以是如下文进一步描述的增强型压缩机。
热交换器130是为了从一个媒介到另一媒介的高效热传递而构建的装置。热交换器的实例包括套管、壳和导管、板、板和壳、绝热轮、板翅片、枕板，和流体热交换器。在实施例中，被风扇迫动(例如，经由推动或拉动方法)的空气可以呈可变的冷却气流被吹过热交换器，以便控制引气的最终的空气温度。
鉴于飞行器实例，现在将参考图2描述图1的系统100。图2描绘可以安装在飞行器上的系统200(例如，系统100的实施例)的示意图。
系统200是为飞行器的机组人员和乘客提供空气供应、热控制和机舱增压的飞行器的环境控制系统的实例。系统200可以是引气驱动的，其接收在地面上的45磅/平方英寸与在巡航时的30磅/平方英寸之间的引气压力。系统200还可以是引气驱动的，其接收处于或接近机舱压力(例如，在巡航期间使用接近腔室压力的引气压力工作)。使用冷的干燥空气来冷却机舱、驾驶舱和其他飞机系统。
系统200说明引气在入口201处流入(例如，在初始流动速率、压力、温度和湿度下关闭飞行器的发动机或辅助动力单元)，所述引气继而以最终的流动速率、压力、温度和湿度被提供给腔室202(例如，机舱、驾驶舱等)。所述引气还可以采取往回穿过系统200的替代性路径来驱动和/或辅助系统200。系统200包括壳体210以便接收和引导穿过系统200的冲压空气。应注意，基于所述实施例，可以将来自系统200的排气发送到出口(例如，通过壳体210释放到周围空气)。
系统200进一步说明阀v1-v2、热交换器220、221、空气循环机器240(其包括涡轮243、增强型压缩机244、风扇248，和轴杆249)、再热器250、冷凝器260，和脱水机270，其中的每一者经由导管、管子等进行连接。应注意，热交换器220、221是如上文描述的热交换器130的实例。此外，在实施例中，热交换器221是辅助热交换器，其中主要热交换器是热交换器220。还要注意的是，空气循环机器240是如上文描述的压缩装置120的实例。
空气循环机器240控制/调节媒介的温度、湿度和压力(例如，增加引气的压力)。增强型压缩机244是升高从第一热交换器接收的引气的压力的机械装置。涡轮机243是经由轴杆249驱动增强型压缩机244和风扇248的机械装置。风扇248是可以经由推动或拉动方法迫使空气以可变冷却的气流跨辅助热交换器220穿过壳体210的机械装置。因此，涡轮机243、增强型压缩机244和风扇248一起说明(例如)空气循环机器240可以作为三轮空气循环机器而操作。
再热器250和冷凝器260是特定类型的热交换器。脱水机270是执行从任何源(例如，媒介(例如，引气)收取水的过程的机械装置。再热器250、冷凝器260和/或脱水机270可以一起组合为高压水分离器。
在操作中，经由阀v1来自入口201的引气进入主要热交换器220并且被冲压空气冷却以产生更冷的空气。此更冷的空气随后进入空气循环机器240的增强型压缩机244。增强型压缩机244进一步对所述更冷的空气进行增压并且在所述过程中对其进行加热。此经过增压、加热的空气随后进入次要热交换器221，在那里其再次被冲压空气冷却至大致周围温度以产生冷却的空气。此冷却的空气进入高压水分离器。在高压水分离器中，冷却的空气经过：再热器250，在那里其被冷却；冷凝器260，在那里其被来自涡轮机243的空气冷却；脱水机270，在那里水分被移除；以及再热器250，在那里其被加热回到几乎与在其进入高压水分离器时开始的相同的温度。退出高压水分离器的空气现在是干燥的空气且进入涡轮机243，在那里其膨胀且被提取功。此功驱动增强型压缩机244和/或风扇248，其用于拉动冲压空气流穿过主要和辅助热交换器220、221。在离开涡轮机243之后，可以在冰点以下的空气冷却冷凝器260中的空气。
鉴于以上内容，应注意，增强型压缩机是体积流量装置，且经校正流量是用于界定增强型压缩机244的入口条件的术语。此外，通过下式界定经校正流量：
其中，wc是经校正流量，w是校正之前的流量，
在系统200中，增强型压缩机244被设计成在标称1.5到1的较窄的入口压力范围内高效地工作。为了补偿较低的入口压力，空气的一部分绕过增强型压缩机244。这具有将压缩机经校正流量缩窄到1.1到1的效果。阀v2的位置经过控制，使得满足机舱流量(例如，腔室流量202)的要求。在操作中，当增强型压缩机244的入口压力不足以使所有所需的机舱流量经过空气循环机器240时，控制器将打开阀v2。阀v2定位成使得经过压缩机和阀v2的空气的组合满足所需的流量。
在一些现代环境控制系统中，当进入增压回路的引气压力小于机舱压力的压力(例如，比机舱压力低5磅/平方英寸时)，使用电机驱动压缩机进行升压。在其他现代环境控制系统中，空气循环机器可以包括额外的电机驱动的压缩机以在相同条件下进行升压。然而，在这些现代环境控制系统中，未解决的问题是，压缩机如何在接收地面上大约14.7磅/平方英寸以及飞行时低至6.8磅/平方英寸的增压回路中高效地工作。
举例来说，在飞行器的现代环境控制系统中，增压回路可以使用从飞行器发动机引出的低压，且冷却回路可以从飞行器的机舱外部的空气排除热和水。可以使现代环境控制系统的空气循环机器机动化(即，通过电机驱动)。在由于海拔或动力设定而使发动机引气压力减小之后，使用电机向空气循环机器的常规压缩机供应动力以提供对机舱的增压。然而，当压力不足以使机舱增压(例如，增压回路接收地面上大约14.7磅/平方英寸以及飞行时6.8磅/平方英寸或存在不充分的冷却时，空气循环机器的常规压缩机会低效得无法提供增压和膨胀冷却，而不管电机如何。
现在转向图3，示出收缩的压缩机图300。收缩的压缩机图300包括与压缩机经校正流量相关的x轴，和与压缩机压力比率相关的y轴。此外，图3示出在收缩的压缩机图300上绘制的多个点301-308。点301表示地面条件。点302表示飞行条件。如图3中示出，点301和302合理地靠近在一起，且两者都具有非常高的效率。这是因为经校正流量范围非常窄，大约为1.1到1。点303-308表示现代环境控制系统的各种入口压力(利用低压引气)下的巡航条件。例如，点303表示常规压缩机的入口处的恰好低于机舱压力的压力，且点308表示比机舱压力低4磅/平方英寸的压力。应注意，流量范围和压力比率的组合导致低于η/ηmax＝0.7的压缩机效率。也就是说，现代环境控制系统中的空气循环机器的常规压缩机将需要多于2∶1的经校正压缩机入口流量范围(几乎是2.5比1的压力范围)以对所述不足的压力进行恰当地增压。此类较高的经校正压缩机入口流量范围导致低于50％的压缩机效率。替代地，对于比机舱压力低多于2磅/平方英寸的情况，大于50％的压缩机效率将需要更大的电机、更大的冲压空气热交换器、增加的系统重量、增加的冲压空气阻力等。
鉴于以上内容且与现代环境控制系统的常规压缩机和2.5比1的所得的经校正流量范围相比，系统200(及其实施例)提供具有增强型压缩机244的增强型空气循环机器240，其在广得多的经校正流量和压力比率范围(例如，1.1到1的经校正流量范围)上具有较高的效率。增强型压缩机244可以包括以下各者中的一者或多者：具有高速转子后掠、套管引气和低稠度扩压器的压缩机；可变叶片扩压器，和混流压缩机。
现在转向图4至10，现在将描述增强型压缩机244。关于图4至6，描述了包括具有套管引气的高速转子后掠和低稠度扩压器的增强型压缩机244。也就是说，图4是根据实施例的压缩机转子后掠的示意图；图5说明根据实施例的套管引气放置图；以及图6是根据实施例的具有带有套管引气的高速转子后掠和低稠度扩压器的增强型压缩机244的收缩的压缩机图。
图4说明根据实施例的具有多个叶片402的转子400。如所说明，参考线404从转子400的中心径向地延伸。在转子叶片402将从转子400的周向边缘延伸的情况下，虚线406跟踪转子叶片402的方向。如所示，转子叶片402的方向(例如，虚线406)与参考线404平行，其指示没有转子后掠。
图4还说明根据实施例的具有多个叶片452的转子450。如所说明，参考线454从转子450的中心径向地延伸。在转子叶片452将从转子450的周向边缘延伸的情况下，虚线456跟踪转子叶片452的方向。如所示，转子叶片452的方向(例如，虚线456)与参考线454平行，其指示转子后掠。可以通过角度458界定转子后掠。在转子的设计期间预先确定角度458，且所述角度的范围可以从0°到90°。后掠的实施例包括(但不限于)0°、30°、42°、45°和52°的角度。
图5说明根据实施例的套管引气放置图500，其包括覆盖转子的一部分的灰色视图的多个分界和线。如所示，转子叶片或叶轮叶片502(例如，叶轮叶片502.1和502.2)限定流路径。形成从叶轮叶片502.1的套管顶端503(即，叶轮叶片前缘)到叶轮叶片502.2的套管吸入表面504的流路径的咽喉部505。在咽喉部505接触叶轮叶片502.2的套管吸入表面504的位置处形成平面516。平面516垂直于转子本身的旋转轴517。可以利用平面516使套管引气523偏移521。在实施例中，偏移521可以选自一个范围，例如从0到0.90英寸的范围。
套管引气523可以是开口，其用于允许流路径中的媒介的一部分引出或引入流路径而不是退出转子。套管引气523可以周向地定位在转子的外壳上。套管引气523可以包括一个或多个开口，可以通过固定或不同的间隔、长度和/或图案将所述开口中的每一者分段，以适应不同的引气速率。套管引气523可以是孔、狭缝、切口等。可以通过一个区域来界定套管引气523，所述区域例如为是咽喉区域524的总转子入口的百分比(例如，0到50％)的总开放区域。通过每对叶轮叶片502之间的区域524界定总转子入口咽喉区域524。
如图6中说明，根据实施例示出包括具有套管引气的高速转子后掠的增强型压缩机244的收缩的压缩机图600。增强型压缩机244还可以包括低稠度扩压器。收缩的压缩机图600包括与压缩机经校正流量相关的x轴，和与压缩机压力比率相关的y轴。此外，图6示出在收缩的压缩机图600上绘制的多个点601-607。点601表示地面条件。点602-607表示系统200的各种入口压力(利用低压引气)下的巡航条件。点602表示恰好低于机舱压力的压力。点607表示入口201处的比机舱压力低4磅/平方英寸的压力。应注意，流量范围和压力比率的组合示出由于增强型压缩机244与常规压缩机之间的差异而趋于高于η/ηmax＝0.7的压缩机效率。也就是说，包括具有套管引气的高速转子后掠(和低稠度扩压器)的增强型压缩机244具有广得多的流量范围，且因此在显著高于没有这些特征的常规压缩机的高于η/ηmax＝0.7的条件下操作。
现在转向图7-8，现在将描述具有混流通道的压缩机。图7是根据实施例的混流通道的示意图；以及图8是根据实施例的具有混流通道的压缩机的收缩的压缩机图。
图7说明增强型压缩机244的横截面图700。如横截面图700中所示，增强型压缩机244包括界定流路径的入口702和出口704。也就是说，入口702与出口704之间的流路径是混流通道。混流通道可以收容位置706处的扩压器和位置708处的转子。可以将混流通道的形状选择成在通道710.1到通道710.2的范围之间。例如，通道710.1包括笔直的流路径，使得穿过通道710.1的媒介流平行于转子的旋转轴。此外，通道710.2包括弯曲的流路径，使得穿过通道710.2的媒介流开始于与转子的旋转轴平行的入口702，且结束于与转子的旋转轴垂直的出口704。
如图8中说明，根据实施例示出具有混流通道的增强型压缩机244的收缩的压缩机图800。收缩的压缩机图800包括与压缩机经校正流量相关的x轴，和与压缩机压力比率相关的y轴。此外，图8示出在收缩的压缩机图800上绘制的多个点801-807。点801表示地面条件。点802-807表示系统200的各种入口压力(利用低压引气)下的巡航条件。点802表示恰好低于机舱压力的压力。点807表示入口201处的比机舱压力低4磅/平方英寸的压力。应注意，流量范围和压力比率的组合示出由于增强型压缩机244与常规压缩机之间的差异而高于η/ηmax＝0.7的压缩机效率。也就是说，包括混流通道的增强型压缩机244以较大的效率在较宽的流量范围内操作，且因此在高于η/ηmax＝0.7的条件下操作，所述条件显著高于没有这个特征的常规压缩机。
现在转向图9-10，现在将描述利用可变叶片扩压器的增强型压缩机244。图9是根据实施例的压缩装置的扩压器的示意图；以及图10说明根据实施例的利用可变叶片扩压器的压缩机的效率相对于流量的曲线图。
图9说明多个扩压器、低稠度扩压器的示意图910、弯曲通道扩压器的示意图920，和可变叶片扩压器的示意图930。扩压器通过逐渐地减慢/扩散媒介的速度(例如，增加离开转子的静态压力)而将在转子的下游流动的媒介的动态压力转换为静压上升。扩压器可以是无叶片的、带叶片的或交替组合。因为不同的扩压器类型影响空气循环机器240的增强型压缩机244的范围和效率，所以可以在增强型压缩机244内利用(例如，在位置706处)这些扩压器910、920和930中的一者。低稠度扩压器具有更少的叶片，且展现具有略微减小的效率的较广操作范围。弯曲通道扩压器沿着叶片中的每一者呈弓形延伸，且展现具有高效率的窄操作范围。可变叶片扩压器包括多个叶片，其中的每一者被配置成在铰接部件移动多个叶片时围绕销旋转，且包括具有高效率的非常高的操作范围。此外，还可以利用具有扩压器910、920和930中的两者或更多者的组合的单个扩压器。
如图10中说明，根据实施例示出利用可变叶片扩压器的压缩机的收缩的压缩机图1000。收缩的压缩机图1000包括与压缩机经校正流量相关的x轴，和与压缩机压力比率相关的y轴。此外，图10示出在收缩的压缩机图1000上绘制的多个点1001-1007。点1001表示地面操作条件。点1002-1007表示系统200的各种入口压力(利用低压引气)下的巡航条件。点1002表示恰好低于机舱压力的压力。点1007表示入口201处的比机舱压力低4磅/平方英寸的压力。应注意，流量范围和压力比率的组合示出由于增强型压缩机244与常规压缩机之间的差异而高于η/ηmax＝0.7的压缩机效率。也就是说，包括可变叶片的增强型压缩机244在非常高的效率和非常广的操作范围内操作，且因此在高于η/ηmax＝0.7的条件下操作，所述条件显著高于没有这个特征的常规压缩机。
鉴于以上内容，本文的实施例可以包括用于车辆或压力容器的混合电动和引气系统。所述混合电动和引气系统可以包括具有增压回路和冷却回路的环境控制系统。所述增压回路提供接近机舱压力的空气。所述冷却回路从压力容器外部的空气排除热和水。环境控制系统可以被配置成通过来自增压引气的机械动力和/或通过电力借助电机供应动力。环境控制系统可以包括机械地附接到涡轮机的压缩机，其中所述压缩机具有带有套管引气的高速转子后掠和低稠度扩压器，利用可变叶片扩压器和/或利用混流压缩机。
鉴于以上内容，一个或多个实施例可以包括一种系统，其包括：压缩装置，所述压缩装置包括：包括高速转子后掠的压缩机、在压缩机的下游的涡轮机，和耦合到涡轮机和压缩机的电机；以及至少一个热交换器。
一个或多个实施例可以进一步包括以上系统，其中所述压缩机包括带有套管引气组件的高速转子后掠。
一个或多个实施例可以进一步包括以上系统中的任一者，其中所述压缩机包括混流转子。
一个或多个实施例可以进一步包括以上系统中的任一者，其中所述压缩装置在转子的退出路径上包括扩压器。
一个或多个实施例可以进一步包括以上系统中的任一者，其中所述扩压器是低稠度扩压器。
一个或多个实施例可以进一步包括以上系统中的任一者，其中所述扩压器是可变叶片扩压器。
一个或多个实施例可以进一步包括以上系统中的任一者，其中所述扩压器是弯曲通道扩压器。
一个或多个实施例可以进一步包括以上系统中的任一者，其中所述压缩机在较宽的经校正流量和压力比率范围内提供高效率。
鉴于以上内容，一个或多个实施例可以包括一种系统，其包括：压缩装置，所述压缩装置包括：包括混流转子的压缩机、在压缩机的下游的涡轮机，和耦合到涡轮机和压缩机的电机；以及至少一个热交换器。
一个或多个实施例可以进一步包括以上系统，其中所述压缩机包括高速转子后掠。
一个或多个实施例可以进一步包括以上系统中的任一者，其中所述压缩机包括套管引气组件。
一个或多个实施例可以进一步包括以上系统中的任一者，其中所述压缩装置在混流转子的退出路径上包括扩压器。
一个或多个实施例可以进一步包括以上系统中的任一者，其中所述扩压器是低稠度扩压器。
一个或多个实施例可以进一步包括以上系统中的任一者，其中所述扩压器是可变叶片扩压器。
一个或多个实施例可以进一步包括以上系统中的任一者，其中所述扩压器是弯曲通道扩压器。
一个或多个实施例可以进一步包括以上系统中的任一者，其中所述压缩机在较宽的经校正流量和压力比率范围内提供高效率。
鉴于以上内容，一个或多个实施例可以包括一种系统，其包括：压缩装置，所述压缩装置包括：包括可变叶片扩压器的压缩机、在压缩机的下游的涡轮机，和耦合到压缩机和涡轮机的电机；以及至少一个热交换器。
一个或多个实施例可以进一步包括以上系统，其中所述压缩机包括后掠转子。
一个或多个实施例可以进一步包括以上系统中的任一者，其中所述压缩机包括套管引气组件。
一个或多个实施例可以进一步包括以上系统中的任一者，其中压缩机包括混流转子。
一个或多个实施例可以进一步包括以上系统中的任一者，其中所述压缩机在较宽的经校正流量和压力比率范围内提供高效率。
本文参考根据实施例的方法、设备和/或系统的流程图说明、示意图和/或框图来描述实施例的各方面。此外，已经出于说明的目的呈现了各种实施例的描述，但是所述描述不打算是详尽的或者受限于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域技术人员来说将显而易见。本文使用的术语经过选择以便最佳地阐释实施例的原理、实际应用或对市场中发现的技术的技术改进，或者使得本领域其他技术人员能够理解本文公开的实施例。
本文使用的术语是用于仅描述特定实施例的目的，而不打算具有限制性。如在本文中所使用，除非上下文另外清楚地指示，否则希望单数形式“一”和“所述”也包括复数形式。将进一步理解，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”当用于本说明书中时指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除更多其他特征、整体、步骤、操作、元件组件和/或其群组的存在或添加。
本文描绘的流程图仅是一个实例。在不脱离本文的实施例的精神的情况下，对于其中描述的此图或步骤(或操作)可能存在许多变化。例如，可以通过不同次序执行各个步骤，或者可以添加、删除或修改步骤。所有这些变化都被视为权利要求书的一部分。
虽然已经描述了本发明的优选实施例，但应了解，本领域技术人员在现在和未来可以作出属于所附权利要求书范围内的各种改进和增强。这些权利要求将被解释为维持适当保护。
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