专利名称：双级压缩空气循环制冷系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用双级压缩的空气循环制冷系统，属飞行器环境控制系统技术领域。
背景技术：
目前，在飞机上使用的空气循环制冷系统有两轮简单式、两轮升压式、三轮升压式和四轮升压式。这些系统的供气均需从发动机提供，在增加系统代偿损失的同时也降低了座舱供气的清洁度。系统的冷边需要从机外引进冲压空气，从而使飞机的阻力增加。座舱排气直接排出机外或经过电子设备舱后再排出机外，相对于机外的低压环境，这部分可用能可以回收。目前，排气的可用功回收在国内尚未见有相关专利提出
发明内容
本发明提供一种性能好、空气洁净度高、能量利用率高的双级压缩空气循环制冷系统，避免了从发动机引气和引进机外冲压空气的不足，同时回收座舱排气的可用能。双级压缩空气循环制冷系统主要包括环境空气，阀门，一级压缩机，电机，换热器，二级压缩机，冷凝器，水分离器，冷却涡轮，座舱，风扇，动力涡轮。本系统以高空巡航状态为主，兼顾地面工况的环控要求，设计了旁路系统。高空巡航状态时，环境空气(I)首先通过阀门(2)进入由电机(4)驱动的一级压缩机(3 )，升温升压后通过阀门(5 )进入换热器(7 )，温度有所降低，再进入二级压缩机(8 )，压力和温度进一步升高，随后流经阀门(9)和换热器(10)的热边释放热量，再进入冷凝器
(11)的热边进一步降温，通过水分离器(12)后在冷却涡轮(13)中膨胀降温，温度和压力均大幅降低，流经冷凝器(11)的冷边吸收热量，温度有所回升后送入座舱(14)。座舱排气通入换热器(10)的冷边，在风扇(19)的抽吸作用下压力略微升高，并进入动力涡轮(20)，膨胀降温后流经换热器(7)的冷边并排出机外。地面状态时，环境空气(I)首先通过阀门(2)进入由电机(4)驱动的一级压缩机
(3),升温升压后通过阀门(6 )直接进入换热器(10 )的热边释放热量，再进入冷凝器(11)的热边进一步降温，通过水分离器(12)后在冷却涡轮(13)中膨胀降温，温度和压力均大幅降低，流经冷凝器(11)的冷边吸收热量，温度有所回升后送入座舱(14)。座舱排气通入换热器(10)的冷边，随后经过阀门(15)，在风扇(16)的抽吸作用下排出机外。该双级压缩空气循环制冷系统的特征在于(I)系统供气完全由机外环境空气提供，避免了从飞机发动机引气，从而不影响发动机推力，减少了代偿损失，且避免了发动机滑油挥发对空气洁净度的影响；(2)通过调整阀门(5)、(9)、( 18)和阀门(6)、( 15)的先后开闭，可以实现制冷系统在高空巡航状态和地面状态的环境控制，详述如下 关闭阀门(5)、(9)、( 18)，开启阀门(6)、( 15)，环境空气只经过一级压缩机(3)压缩，增压比较小，通过冷却涡轮(13)膨胀后送入座舱(14)，座舱排气由电机(17)驱动的风扇(16)抽吸，满足地面工况时的座舱环境控制； 开启阀门(5)、(9)、(18)，关闭阀门(6)、(15)，环境空气由一级压缩机(3)和二级压缩机(8)压缩，增压比较大，通过冷却涡轮(13)膨胀后送入座舱(14)，座舱排气由冷却涡轮(13)驱动的风扇(19)抽吸，经过动力涡轮(20)膨胀，满足高空巡航状态的座舱环境控制。(3)座舱排气直接通入系统冷边，替代冲压空气。从而去除了冲压空气的入射口，减少了系统的代偿损失；(4)系统冷边的可用功回收。相对于高空巡航的低压外环境，冷边的座舱排气具有可用功，这部分功量可通过动力涡轮回收，以驱动二级压缩机。
图1是一种双级压缩空气循环制冷系统示意图。图2是该双级压缩空气循环制冷系统在高空巡航状态的示意图。图3是该双级压缩空气循环制冷系统在地面状态的示意图。图中，1.环境空气，2.阀门，3. —级压缩机，4.电机，5.阀门，6.阀门，7.换热器，8. 二级压缩机，9.阀门，10.换热器，11.冷凝器，12.水分离器，13.冷却涡轮，14.座舱，15.阀门，16.风扇，17.电机，18.阀门，19.风扇，20.动力涡轮。
具体实施例方式在图2中，一级压缩机(3)与电机(4)相连，将环境空气压缩后送入换热器(7)的热边，气流降温后进入二级压缩机(8)，二级压缩机(8)与动力涡轮(20)同轴连接，将气流进一步压缩后送入换热器(10)的热边，气流在冷凝器(11)中进一步降温后流经水分离器
(12)，冷却涡轮(13)与风扇(19)同轴连接，将水分离器出来的气流膨胀降温后送入冷凝器
(11)的冷边，随后送入座舱(14)，座舱排气连接在换热器(10)的冷边，风扇(19)在换热器
(10)的下游抽吸冷边气流，并将其送入随后的动力涡轮(20)，动力涡轮(20)回收冷边可用功后将气流送入换热器(7)的冷边，随后排出机外。在图3中，一级压缩机(3 )与电机(4 )相连，将环境空气压缩后送入换热器(10 )的热边，气流从换热器(10)出来后，在冷凝器(11)中进一步降温后流经水分离器(12)，冷却涡轮(13)将水分离器出来的气流膨胀降温后送入冷凝器(11)的冷边，随后送入座舱(14)，座舱排气连接在换热器(10 )的冷边，在电机(17 )驱动的风扇(16 )的抽吸作用下排出机外。系统实施算例为了说明该双级压缩空气循环制冷系统的可行性，本专利对其热力性能进行了计算。计算分高空巡航和地面状态两部分，其中，地面状态取起飞阶段，大气参数按热天标准选取。两部分的系统参数如表I所示。表I双级压缩空气循环制冷系统性能计算工况设置
权利要求
1.一种双级压缩空气循环制冷系统，包括环境空气(1)，阀门(2)，一级压缩机(3)，电机(4)，阀门(5)，阀门(6)，换热器(7)，二级压缩机(8)，阀门(9)，换热器(10)，冷凝器(11)，水分离器(12)，冷却涡轮(13)，座舱(14)，阀门(15)，风扇(16)，电机(17)，阀门(18)，风扇(19)，动力涡轮(20)，其特征是采用双级压缩实现座舱增压供气，排气替代冲压空气，冷边功量回收利用。
2.根据权利要求1所述的双级压缩空气循环制冷系统，其特征在于取消了发动机引气，系统供气完全由环境空气(I)提供，不影响发动机推力，避免了发动机滑油挥发对空气洁净度的影响，同时降低了系统的代偿损失。
3.根据权利要求1所述的双级压缩空气循环制冷系统，其特征在于通过调整阀门(5 )、( 9 )、( 18 )和阀门(6 )、( 15 )的先后开闭，可以实现制冷系统在高空巡航状态和地面状态的环境控制，详述如下 3.1关闭阀门(5)、(9)、(18)，开启阀门(6)、(15)，环境空气只经过一级压缩机(3)压缩，增压比较小，通过冷却涡轮(13)膨胀后送入座舱(14)，座舱排气由电机(17)驱动的风扇(16)抽吸，满足地面工况时的座舱环境控制； 3.2开启阀门(5)、(9)、(18)，关闭阀门(6)、(15)，环境空气由一级压缩机(3)和二级压缩机(8)压缩，增压比较大，通过冷却涡轮(13)膨胀后送入座舱(14)，座舱排气由冷却涡轮(13)驱动的风扇(19)抽吸，经过动力涡轮(20)膨胀，满足高空巡航状态的座舱环境控制。
4.根据权利要求1所述的双级压缩空气循环制冷系统，其特征在于座舱排气替代冲压空气，取消了冲压空气入射口，减小了系统代偿损失。
5.根据权利要求1所述的双级压缩空气循环制冷系统，其特征在于高空巡航状态下座舱排气的可用功通过动力涡轮(20)回收，驱动二级压缩机(8)，提高了系统的能源利用率。
全文摘要
本发明公开了一种双级压缩空气循环制冷系统，用于飞行器环境控制系统技术领域。该系统利用电机和冷边回收功驱动两级压气机，直接压缩环境空气，并用座舱排气替代冲压空气，避免了从发动机引气和从机外引入冲压空气的不足，可提高座舱供气质量，减少系统重量和代偿损失。取代二级压缩的旁路设计保证该系统在地面工况也能对舱内实现环境控制，满足全高度应用需求。
文档编号B64D13/02GK103010466SQ20121049229
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月27日 优先权日2012年11月27日
发明者张兴娟, 柯鹏, 刘贵林, 王超, 陈龙 申请人:北京航空航天大学