在压缩装置的涡轮机进口处混合排气和冲压空气的制作方法

背景技术：

通常，现代空调系统的压力在巡航时设置为大约30psig至35psig。当今航空航天工业的发展趋势是更高效率的系统。提高飞机效率的一种方法是完全消除排气，并使用电力来压缩外部空气。第二种方法是使用较低的发动机压力。第三种方法是使用排气中的能量来压缩外部空气并将其带入机舱内。

技术实现要素：

根据一个或多个实施例，提供了一种用于飞机的空调系统。空调系统包括：第一旋转部件，其包括：被配置为对第一介质进行增压的压缩机，和被配置为接收第二介质和压缩形式的第一介质的混合物的第一涡轮机；以及第二旋转部件，其包括风扇。

根据一个或多个实施例或上述空调系统实施例，第二旋转可以包括第二涡轮机。

根据一个或多个实施例或上述空调系统实施例中的任一个，第二涡轮和风扇可以是整体转子。

根据一个或多个实施例或上述空调系统实施例中的任一个，轴可以耦接风扇和第二涡轮机。

根据一个或多个实施例或上述空调系统实施例中的任一个，第二旋转部件可以包括电动机。

根据一个或多个实施例或上述空调系统实施例中的任一个，第一旋转部件可以包括动力涡轮机。

根据一个或多个实施例或上述空调系统实施例中的任一个，第一介质可以包括新鲜空气，并且第二介质可以包括排气。

根据一个或多个实施例，提供了一种用于飞机的环境控制系统的空气循环机。空气循环机包括：被配置为对第一介质进行增压的压缩机；被配置为接收第二介质和压缩形式的第一介质的混合物的第一涡轮机；被配置为接收第三介质的第二涡轮机；以及风扇。

根据一个或多个实施例或上述空气循环机实施例，第一介质可以包括新鲜空气，第二介质可以包括排气，并且第三介质可以包括机舱排放空气。

根据一个或多个实施例或上述空气循环机实施例中的任一个，空气循环机器可以包括机械地耦接压缩机、第一涡轮机、第二涡轮机和风扇的轴。

根据一个或多个实施例或上述空气循环机实施例中的任一个，第一涡轮机可以位于该轴的第一端。

根据一个或多个实施例或上述空气循环机实施例中的任一个，风扇可以位于该轴的第二端。

根据一个或多个实施例或上述空气循环实施例中的任一个，第二旋转部件可以包括电动机。

根据一个或多个实施例或上述空气循环实施例，第二旋转可以包括第二涡轮机。

根据一个或多个实施例或上述空气循环实施例中的任一个，第二涡轮和风扇可以是整体转子。

根据一个或多个实施例或上述空气循环实施例中的任一个，轴可以耦接风扇和第二涡轮机。

附加的特征和优点通过本文实施例的技术来实现。其他实施例在本文中被详细描述，并被认为是权利要求的一部分。为了更好地理解具有优点和特征的实施例，参考说明书和附图。

附图说明

主题在说明书结尾处的权利要求书中被特别指出并明确地要求保护。从以下结合附图的详细描述中，上述和其他特征及其优点是显而易见的，其中：

图1是根据实施例的环境控制系统的示意图；

图2a是根据实施例的包括至少一个混合点的环境控制系统的示意图；

图2b是根据实施例的图2a的环境控制系统的变型；

图2c是根据实施例的图2a的环境控制系统的变型；

图3a是根据另一实施例的包括至少一个混合点的环境控制系统的示意图；

图3b示出了根据实施例的多个喷嘴结构；

图4a是根据另一实施例的包括至少一个混合点的环境控制系统的示意图；

图4b是根据实施例的图4a的环境控制系统的变型；

图4c是根据实施例的图4a的环境控制系统的变型；

图5是根据另一实施例的包括至少一个混合点的环境控制系统的示意图；

图6是根据另一实施例的包括至少一个混合点的环境控制系统的示意图；

图7是根据另一实施例的包括至少一个混合点的环境控制系统的示意图；

图8是根据另一实施例的包括至少一个混合点的环境控制系统的示意图；以及

图9是根据另一实施例的包括至少一个混合点的环境控制系统的示意图。

具体实施方式

本文通过举例而不限于附图的方式给出了所公开的装置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飞机的环境控制系统，其混合来自不同来源的介质并使用该不同的能量来源驱动环境控制系统并以高燃料燃烧效率提供机舱压力和冷却。介质通常可以是空气，而其他实例包括气体、液体、流化固体或浆液。

转到图1，示出了从进口101接收介质并将介质的调节形式提供到腔室102的系统100。该系统100包括压缩装置110。如图所示，压缩装置110包括压缩机112、涡轮机113、风扇116和轴118。系统100还包括主换热器120、次级换热器130、冷凝器160、水提取器162和再热器164。

压缩装置110是包括用于对介质执行热力学做功的部件的机械装置(例如，通过升高和/或降低压力并通过升高和/或人降低温度来对介质抽取或做功)。压缩装置110的例子包括空气循环机、三轮空气循环机、四轮空气循环机等。

压缩机112是升高从进口101接收的介质的压力的机械装置。压缩机类型的例子包括离心式、斜流式或混流式、轴流式、往复式、离子液体活塞式、回转螺旋式、旋转叶片式、涡旋式、隔膜式、气泡式等。此外，压缩机可由电动机或介质通过涡轮机113驱动。

涡轮机113是经由轴118驱动压缩机112和风扇116的机械装置。风扇116(例如，冲压空气风扇)是可以经由推或拉方式强迫空气以可变流速穿过外壳119通过换热器120和130以控制温度的机械装置。外壳119接收并引导介质(例如冲压空气)通过系统100。通常，冲压空气是系统100用作热沉的外部空气。

换热器120和130是为从一种介质到另一种介质的有效传热所建立的装置。换热器的例子包括双管式、壳管式、板式、板壳式、绝热轮式、板翅式、枕板式和流体换热器。

冷凝器160和再热器164是特殊类型的换热器。水提取器162是执行介质脱水过程的机械装置。冷凝器160、水提取器162和/或再热器164一起可以组合成高压水分离器。

系统100的元件通过阀、管子、管道等连接。阀(例如流量调节装置或质量流量阀)是通过打开、关闭或部分地阻塞系统100的管子、管道等内的各种通道来调节、引导和/或控制介质流动的装置。阀可以由致动器操作，使得可以将系统100的任何部分中的介质流速调节到期望值。

如图1所示，介质可以从进口101通过系统100流动到腔室102，如实线箭头所示。阀v1(例如，质量流量控制阀)控制介质从进口101到系统100的流动。此外，阀v2根据系统100的模式控制来自次级换热器130的介质的流动是否绕过涡轮机113。系统100的部件的组合可以被称为空调组件或组件。组件可以从v1开始并且当空气离开冷凝器162时结束。

现在将根据上面的飞机实施例描述系统100。在飞机实施例中，介质可以是空气，并且系统100可以是环境控制系统。在进口101处提供给环境控制系统的空气可以说是来自涡轮发动机或辅助动力单元“排气”。当空气由连接到环境控制系统的涡轮发动机或辅助动力单元提供时(例如从进口101)，空气可以被称为排气(例如来自发动机或者辅助动力单元的压缩空气)。排气的温度、湿度和压力依赖于涡轮发动机的压缩机级和每分钟转数而差别很大。

现在转向图2a、图2b和图2c，根据实施例描绘了环境控制系统200a、200b和200c(例如系统100的实施例)的示意图，因为它们可以安装在飞机上。在操作中，环境控制系统200a、200b和200c混合新鲜空气和排气。为了便于解释，通过使用相同的标识符，与环境控制系统200a、200b和200c类似的系统100的部件已经被重用，而不再介绍。

图2a示出了环境控制系统200a，其还包括进口201、压缩装置210a(其包括压缩机212、涡轮机213、风扇216和轴218)、流出换热器230、集水器271、集水器272和阀v3以及用点划线f2表示的介质路径(其中介质可以被从腔室102提供到环境控制系统200a中)。

鉴于上面的飞机实施例，当介质被从腔室102提供时(例如，空气离开增压容积、飞机的机舱、或飞机的机舱和驾驶舱)，介质可以被称为腔室排气(也称为机舱排气)。注意，在一个或多个实施例中，来自环境控制系统200a的机舱排气的排出可以通过外壳119被释放或者被送到机舱压力控制系统。机舱排气也可以通过流出阀(又名流出控制阀和推力回收流出阀)释放。例如，当来自流出换热器230的机舱排气耦接到流出阀时，流出换热器230增加了机舱排气中的能量，这增加了经流出阀回收的推力。

此外，当介质被从进口201提供时，介质可以被称为新鲜外部空气(也称为新鲜空气或旨在进入增压容积或腔室102的外部空气)。新鲜空气可以由一个或多个舀取机构获得，例如冲击勺或平勺。因此，进口201可以被认为是新鲜空气进口。

在环境控制系统200a的低空作业中，来自涡轮发动机或辅助动力单元的高压高温空气经由进口101通过阀v1进入主换热器120。主换热器120将高压高温空气冷却至接近环境温度以产生冷却的压缩空气。这种冷却的压缩空气进入冷凝器160，在那里它被来自压缩装置210a的涡轮机213的空气进一步冷却。当离开冷凝器160时，冷却的压缩空气进入水提取器272，从而除去空气中的水分。

然后将冷却的压缩空气与来自进口201的新鲜空气混合以产生混合空气。被混合前的新鲜空气被压缩机212压缩(与冷却的高压空气大致相同的压力)。压缩新鲜空气的动作加热新鲜空气。压缩后的新鲜空气然后进入流出换热器230并由机舱排气冷却(见点划线f2)以产生冷却的压缩新鲜空气。流出换热器230通过外壳119排出机舱排气，到达机舱压力控制系统或流出阀(注意，阀v3可以控制流出换热器230的排气的目的地)。冷却的压缩新鲜空气然后进入次级换热器130，并进一步冷却至接近环境温度。离开次级换热器130的空气被阀v2引导到水提取器271，在这里除去任何游离的水分，以产生冷却的压缩空气。

在涡轮机213的上游混合两个空气流以产生混合空气。这两个空气流包括来自201的冷却的压缩新鲜空气以及来自进口101的冷却的压缩排气。该上游位置可以被认为是环境控制系统200a的第一混合点m1。混合空气进入并离开涡轮机213。混合空气然后进入冷凝器160以冷却离开主换热器120的排气。然后发送混合空气以调节腔室102。因此，在环境控制系统200a中，排气可以驱动升压式空气循环，其中压缩装置210a接收新鲜空气。例如，两种介质(例如排气和新鲜空气)在涡轮机213的上游(例如在涡轮机213的进口处)混合并进入涡轮机213，在这里抽取动力。该功率用于驱动接收新鲜空气的压缩机212。

混合空气通过喷嘴进入涡轮机213。混合空气通过涡轮机213膨胀并从混合空气中抽取功。该抽取的功驱动用于压缩新鲜空气的压缩机212。该抽取的功还驱动风扇216，其用于移动空气(例如，冲压空气)通过主换热器120和次级换热器130(也称为冲压空气换热器)。

这种低空操作可以被认为是低空模式。低空模式可用于地面和低空飞行条件，如地面怠速、滑行、起飞和持衡情况。

在环境控制系统200a的高空操作中，新鲜外部空气可以在涡轮机213的下游混合(而不是在涡轮机213的上游，在涡轮机213的进口处和/或在第一混合点m1处)。在这种情况下，离开次级换热器130的空气被阀v2引导到涡轮机213的下游。该冷却介质压缩空气与排气(其来自进口101并离开冷凝器160)相混合的位置可以被认为是环境控制系统200的第二混合点m2。注意，混合点m2可以位于涡轮机213下游的任何点处，诸如图2所示的冷凝器160的下游。

这种高空操作可以被认为是高空模式。该高空模式可用于高空巡航、爬升和降落飞行情况。在高空模式下，通过混合该两种空气流(例如，来自201的新鲜外部空气和来自进口101的排气)来满足乘客的新鲜空气飞行要求。此外，根据飞机的高度，可以减少所需的排气量。以这种方式，环境控制系统200a提供从40％到75％的排气减少，以关于发动机燃料燃烧提供比现代飞机空气系统更高的效率。

图2b和图2c示出了环境控制系统200a的变型。现在转向图2b，示出了根据实施例的环境控制系统200b(例如，环境控制系统200a的实施例)的示意图。为了便于解释，通过使用相同的标识符，与环境控制系统200b类似的系统100和200a的部件已经被重用，而不再介绍。环境控制系统200b的替代部件包括压缩装置210b，其包括部件279和部件280。部件279包括压缩机212、涡轮机213和轴318。部件280可以是包括涡轮机287、轴288和风扇289的旋转装置(例如，涡轮机驱动的风扇)。环境控制系统200b还可以包括用于来自进口101的介质的次级路径(例如，阀v1.2可以将介质从进口101提供到涡轮机287的进口)。

环境控制系统200b类似于环境控制系统200a的操作，其中基于操作模式利用不同的混合点m1和m2。此外，环境控制系统300将冲压空气风扇(例如，风扇216)与空气循环机(例如，压缩装置210a)分离，并将冲压空气风扇设置在旋转装置(例如，部件280)内。部件280的涡轮机287由来自进口101流经阀v1.2的排气提供动力。

现在转向图2c，示出了根据实施例的环境控制系统200c(例如，环境控制系统200a的实施例)的示意图。为了便于解释，通过使用相同的标识符，与环境控制系统200c类似的系统100、200a和200b的部件已经被重用，而不再介绍。环境控制系统200c的替代部件包括压缩装置210c，其包括部件279和部件280。部件290可以是包括涡轮机297、轴298和电动机289的旋转装置(例如，涡轮机驱动的风扇)。

环境控制系统200c类似于环境控制系统200a的操作，其中基于操作模式利用不同的混合点。此外，环境控制系统200c将冲压空气风扇(例如，风扇216)与空气循环机(例如，压缩装置210a)分离，并将冲压空气风扇设置在旋转装置(例如，部件290)内。部件290的电动机297由电力提供动力。

图3a示出了根据实施例的作为环境控制系统200a、200b和200c的变型的环境控制系统300的示意图。为了便于解释，通过使用相同的标识符，与环境控制系统300类似的系统100和200a、200b和200c的部件已经被重用，而不再介绍。环境控制系统300的替代部件包括压缩装置210a，其包括多喷嘴结构390。多喷嘴结构390使得能够基于飞机周围的条件而改变喷嘴面积，而没有可变面积涡轮机所增加的复杂性。多喷嘴结构390包括具有一个或多个喷嘴的涡轮机313。此外，一个或多个喷嘴中的每一个可以根据涡轮机313外部的机构接收介质。现在转向图3b，多喷嘴结构390的实施例被示为喷嘴结构391和392。

喷嘴结构391包括涡轮机313和阀n1。阀n1调节混合空气(例如，来自混合点m1)向涡轮机313的流动。阀n1以第一模式、第二模式或第三模式操作。第一模式或限制模式是当混合空气的全部以最小面积被提供到涡轮机313的喷嘴时。第二模式或中间模式是当混合空气的全部以最大面积被提供到涡轮机313的喷嘴时。第三模式或开放模式是当混合空气的全部被提供到涡轮机313的两个喷嘴时，从而提供混合空气的最大流量。在一个实施例中，第一喷嘴可以是0.3英寸，第二喷嘴可以是0.9英寸。依次地，第一模式中的喷嘴面积为0.3英寸，第二模式中的喷嘴面积为0.9英寸，第三模式中的喷嘴面积为1.3英寸。

喷嘴结构392包括涡轮机313和阀n2及n3。阀n2调节混合空气(例如，来自混合点m1)向涡轮机313的第一喷嘴的流动。阀n3调节混合空气(例如，来自混合点m1)向涡轮机313的第二喷嘴的流动。涡轮机313的第一喷嘴的面积小于涡轮机313的第二喷嘴的面积。阀n2和n3根据第一模式、第二模式或第三模式操作。第一模式或限制模式是仅当阀n2向涡轮机313的第一喷嘴提供混合空气时(例如，阀n2向第一喷嘴提供压缩介质，并且阀n3阻止压缩介质通向从第二喷嘴)。第二模式或中间模式是仅当阀n3向涡轮机313的第二喷嘴提供混合空气时(例如，阀n3向第二喷嘴提供压缩介质，并且阀n2阻止压缩介质通向从第一喷嘴)。第三模式或开放模式是当阀n2和n3同时向涡轮机313的两个喷嘴提供混合空气时，从而提供混合空气的最大流量(例如，阀n2向第一喷嘴提供压缩介质，并且阀n3向第二喷嘴提供压缩介质)。

关于飞机示例并且关于以上喷嘴结构391和392中的任一个，当在地面上操作环境控制系统300时，使用第三模式。此外，当在飞行中时，环境控制系统300可以根据排气的压力使用第一模式、第二模式或第三模式。反过来，环境控制系统300可以最大限度地利用排气压力，而没有可变面积涡轮机所增加的复杂性。

现在转向图4a、图4b和图4c，根据实施例描绘了环境控制系统400a、400b和400c(例如系统100、200a、200b、200c和300的实施例)的示意图，因为它们可以安装在飞机上。在操作中，环境控制系统400a、400b和400c混合新鲜空气和排气。为了便于解释，通过使用相同的标识符，与环境控制系统400a、400b和400c类似的系统100、200a、200b、200c和300的部件已经被重用，而不再介绍。

图4a示出了环境控制系统400a，其还包括压缩装置410a(其包括压缩机412、涡轮机413、涡轮机414、风扇416和轴418)，以及由点划线f4.1和f4.2表示的介质路径。环境控制系统400a类似于环境控制系统200a的操作，其中基于操作模式利用不同的混合点。

此外，当介质被从腔室102提供时(例如，空气离开增压容积、飞机的机舱、或飞机的机舱和驾驶舱)，介质可以被称为腔室排气(也称为机舱排气)。注意，在一个或多个实施例中，来自环境控制系统400a的机舱排气的排出可以通过外壳119被释放(例如f4.1)，被送到机舱压力控制系统或提供给涡轮机414(例如f4.2)。

此外，在高空作业中，新鲜外部空气可以在涡轮机413的下游而不是上游处混合，并且可以使用机舱排气中的能量通过利用涡轮机414来为压缩机414提供动力。也就是说，可以经由阀v3为涡轮机414供给热空气，使得压缩机412从排气和机舱排气两者接收动力。

图4b和4c示出了环境控制系统400a的变型。在图4b中，示出了根据实施例的环境控制系统400b(例如，环境控制系统400a的实施例)的示意图。环境控制系统400b包括压缩装置410b，其包括部件479和部件280。部件479包括压缩机412、涡轮机413、涡轮机414和轴418。在图4c中，示出了根据实施例的环境控制系统400c(例如，环境控制系统400a的实施例)的示意图。环境控制系统400c包括压缩装置410c，其包括部件459和部件290。环境控制系统400b和400c类似于环境控制系统400a的操作，其中基于操作模式利用不同的混合点。

图5示出了根据实施例的作为环境控制系统400a、400b和400c的变型的环境控制系统500的示意图。为了便于解释，通过使用相同的标识符，与环境控制系统400类似的系统100和400a、400b和400c的部件已经被重用，而不再介绍。环境控制系统400包括压缩装置410a，其包括多喷嘴结构590。多喷嘴结构590使得能够基于飞机周围的条件而改变喷嘴面积，而没有可变面积涡轮机所增加的复杂性。多喷嘴结构590的操作和布置类似于图3a的多喷嘴结构390和图3b的喷嘴结构391和392。

现在转向图6、图7、图8和图9，描绘了环境控制系统600、700、800和900(例如以上系统的实施例)的示意图，因为它们可以安装在飞机上。在操作中，环境控制系统600、700、800和900混合新鲜空气和排气。为了便于解释，通过使用相同的标识符，与环境控制系统600、700、800和900类似的以上系统的部件已经被重用，而不再介绍。

图6是根据实施例的包括至少一个混合点m6的环境控制系统600的示意图。环境控制系统600包括在排气的流路上位于主换热器120下游并位于混合点m6上游的第三换热器660(例如，冷凝器)。

图7是根据实施例的包括至少一个混合点m7的环境控制系统700的示意图。环境控制系统700包括在新鲜空气的流路上位于次级换热器130下游并位于混合点m7上游的第三换热器760(例如，冷凝器)。

图8是根据实施例的包括至少一个混合点m8的环境控制系统800的示意图。环境控制系统800包括在混合点m8下游的第三换热器860(例如，冷凝器)。

图9是根据实施例的包括至少一个混合点m9的环境控制系统800的示意图。环境控制系统900包括第一、第二和第三换热器920、930和960。第一换热器920可以类似于冲压空气换热器920(例如，在一个实施例中，其可以是单一的冲压空气换热器)。第二换热器930可以类似于流出换热器230。第三换热器960可以类似于冷凝器160。注意，第一换热器920位于混合点m9的下游。

本文参照根据实施例的方法、装置和/或系统的流程图、原理图和/或框图来描述实施例的各方面。此外，已经给出了各种实施例的描述是为了说明的目的，而并不旨在穷举或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前提下，许多修改和变型对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。选择本文使用的术语是为了最好地解释实施例的原理、在市场中发现的对技术的实际应用或技术改进，或使本领域普通技术人员的其他人员能够理解本文公开的实施例。

本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不旨在进行限制。如本文所使用的，单数形式的“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还将理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加多于一个的其他特征、整体、步骤、操作、元件部件和/或其组合。

本文描述的流程图仅仅是一个例子。在不脱离本文实施例的精神的前提下，该流程图或其中描述的步骤(或操作)可以有许多变型。例如，可以以不同的顺序执行步骤，或者可以添加、删除或修改步骤。这些变型的全部都被认为是权利要求的一部分。

虽然已经描述了优选实施例，但是应当理解，现在和将来的本领域技术人员都可以进行各种改进和增强，其落入所附权利要求的范围内。这些权利要求应被解释为保持适当的保护。