低压放气飞机环境控制系统的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本发明总得来说涉及飞机环境控制系统(ECS)、推进发动机和供应该ECS的放气系统。更确切地说，本发明涉及装置和方法，通过该装置和方法ECS可由低压放气操作从而在飞机飞行期间将燃料燃烧最小化。
[0002]新一代商用飞机将不得不越来越燃料高效。一些，也可能是大多数，将保持由被设计为供应放气到飞机系统的发动机提供动力，但是它们将不得不提供与“更加电动的”无放气方案相匹敌的燃料燃烧水平。为了减少飞机的燃料使用，必须优化加压和冷却机舱所需的各种放气和动力提取以及阻力要求对发动机的整体影响。可允许使用从发动机到ECS和其它用户系统的更低放气压力供应的能量优化方案会以相对更低的开发风险提供“更加电动的” ECS架构的竞争性替代方式。
[0003]如能所见的，存在对一种ECS的需要，该ECS可由来自发动机的处于相对更低能量级的低压下的放气操作并且由此在飞机的飞行过程中能实现减少的燃料燃烧。
【发明内容】
[0004]历史上，飞机发动机和使用发动机动力工作的飞机系统已经被单独地明确说明、设计和获得，而没有考虑到完整的功能整合的益处。推进发动机设计通常已经领先飞机系统，这是由于证明新型发动机所需的长前置时间。对于提供放气给环境控制系统(ECS)的典型的发动机来说，机翼防结冰和其它用户、放气端口和它们的压力水平通常已经基于发动机设计考虑和这些系统的要求的过往经历而被首先设置。因此没有通过设计能够以更低的放气压力操作的ECS来累积益处。相反，本发明打算通过协调发动机放气端口的选择和能够以由发动机供应的更低的放气压力能量运转类型的ECS的设计和运行模式来改善飞机燃料经济性。
[0005]在本发明的一个方面，飞机环境控制系统(ECS)，被构造成以第一模式和第二模式运行。该ECS可包括:空气循环机(ACM):定位成允许放气绕过ACM的旁通阀，从而在该旁通阀打开时，该ECS以放气处于第一压力下的第一模式运行并且当旁通阀关闭时该ECS以处于第二放气压力下的第二模式运行，该第二放气压力高于第一放气压力；以及放气系统和控制器，其构造成选择性地将飞机的发动机的高压放气端口或低压放气端口联接到ECS并控制旁通阀的位置。
[0006]在本发明的另一方面，飞机放气动力利用系统可包括:环境控制系统(ECS)，其构造成选择性地以处于第一放气压力下的第一模式和处于第二放气压力下的第二模式运行，所述第一放气压力低于第二放气压力；冷却涡轮机，其构造成当ECS以第二模式运行时冷却放气；飞机发动机，其具有定位成以所述第一放气压力从发动机提取放气的第一放气端口和以第二放气压力从所述发动机提取放气的第二放气端口 ；以及旁通阀，其被定位成当ECS以第一模式运行时通过将来自第一放气端口的放气引导绕过冷却涡轮机并且停止该涡轮机来消除在冷却涡轮机内的压降。
[0007]在本发明的又一方面，用于操作飞机放气动力利用系统的方法可包括如下步骤:选择性地将环境控制系统(ECS)联接到飞机发动机的第一放气端口或第二放气端口，第一放气端口提供处于第一压力的放气并且第二放气端口提供处于第二压力的放气，第二压力高于第一压力；在飞机处于怠速运行模式时将来自第二放气端口的放气引导到ECS，在飞机巡航、爬升、待机着陆或起飞动力时将来自第一放气端口的放气引导到ECS;在高于约25000英尺的海拔高度上打开旁通阀以引导放气绕过ECS的空气循环机(ACM);并且在低于约25000英尺的海拔高度上关闭旁通阀以引导放气通过一个或多个空气循环机涡轮机。
[0008]参照下面的附图、描述和权利要求能更好地理解本发明的这些和其它的特征、方面和优点。
【附图说明】
[0009]图1是根据本发明的示例性实施例的飞机放气动力利用系统的示意图；
图2是根据本发明的第二示例性实施例的飞机发动机和放气系统的示意图；以及图3是根据本发明的示例性实施例的控制ECS的运行的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0010]下面的具体描述是针对目前考虑到的实施本发明的最佳模式。该描述不应被认为是限制性意义下的，而是仅用于说明本发明的大体原理的目的，因为本发明的范围由后附的权利要求最佳地定义。
[0011]下面描述了各种发明特征，这些特征每一个可被彼此独立地使用或与其它特征组合使用。
[0012]本发明总体上提供了一种系统，通过该系统飞机环境控制系统(ECS)可由来自该飞机的一个或多个发动机的低压放气操作。
[0013]该系统可由一个或多个ECS包组成，其中包括空气循环机(ACM)，该ACM带有:至少一个冷却涡轮机，该涡轮机被设计为膨胀被处理的放气以建立到飞机机舱的更冷的空气供应；至少一个换热器以用外部的“冲击”空气来冷却被处理的放气；和一组换热器和水分离器，此后被称为“水管理组件”，该系统可还装备有旁通阀，此后也被称为“高度阀”。
[0014]当高度阀被关闭时，在ECS包中被处理的处于相对高压的放气的大多数流动通过冷却涡轮机，在那里其膨胀从而引起了该放气被冷却到适合于飞机机舱的空气调节的水平。当高度阀被打开时，ECS包放气中的大多数直接从换热器流到飞机机舱，从而绕过了该涡轮机和相关的水处理装备。因此，消除了向ECS提供高压以允许冷却涡轮机和水处理装备中的压力减小的需要，并且仅要求相对更低的放气压力。“低放气”ECS的这种允许模式此后被称为“换热器冷却”模式。
[0015]发动机和相关的放气系统被同时设计或改进以提供一组两个放气端口，其中低压放气端口从比装备有传统ECS的飞机更低的发动机压缩机级导出空气。该低压端口被设计成提供与低放气ECS的减少的要求兼容的放气压力。
[0016]包进口压力可被从39000英尺高度巡航时的约37psia减少到约17psia。在高于约25000英尺的高度上，通常低于20华氏度的外部空气可足以单独地冷却包换热器内的放气，使得提供给机舱的包供应空气流能进而冷却机舱负载并维持约75华氏度的期望机舱温度。在39000英尺巡航时，根据现有技术的放气端口可提供约40psia，而根据本发明的“低放气”端口可提供约22psia。由发动机膨胀的压缩放气的能量中的差别代表了减少燃料燃烧的机会。
[0017]高压放气端口可被采用以在发动机处于动力减少时，例如下降、待机着陆和滑行模式，满足全部条件下的ECS和其它放气要求。正如低放气ECS已经减少了巡航高度上的压力要求一样，本发明允许这个高压放气端口源于比传统系统更低的压缩机级，因此也潜在地对燃料燃烧减少有贡献。
[0018]低放气ECS可包括额外的子系统以通过在位于冲击管道中的空气-空气换热器中与冲击空气传热来冷却从飞机机舱提取的一定量的空气流。被冷却的机舱空气此后可被再循环到机舱，在那里其可增加冷却能力给由ECS包提供的补充。该补充冷却回路可被任选地接通，尤其是在一个ECS包在一些高度上不工作时，在这些高度上“换热器冷却”运行模式已经被选择并且低放气发动机端口不能供应足够的压力给ECS以膨胀冷却涡轮机内的空气，从而提供额外的冷却能力。截流阀可控制机舱空气从机舱穿过压力隔墙到达换热器，并且因此保护了不受可能引起飞机减压的风险的故障的影响。
[0019]冷却从飞机机舱提取的一定量的空气流的额外的子系统可由与液体运输流体的传热间接地执行，其本身最终由冲击空气冷却。在这方面，该子系统可包括:在冲击管道中的传热流体由冲击空气冷却的液体-空气换热器、位于飞机的加压区域中的液体-空气换热器，其中来自机舱的空气的一部分由被冷却的液体冷却、和在这两个换热器之间移动传热流体的泵、阀和管道控制着所述液体的流动和穿过飞机压力隔墙。
[0020]放气系统可包括喷射泵和控制阀。喷射泵可从更高放气端口接收高压下的放气并且将其能量中的一些转移到来自更低端口的放气，所得到的混合流处于被低放气端口更高的压力下。这个特征可被任选地接通以在ECS或使用放气的其它设备要求适中高压的条件下补充低放气能力。这些条件可包括但不限于:机翼防结冰、高海拔巡航和单个ECS包发生故障时的运行。
[0021]发动机和放气系统可包括一个或多个额外的中等放气端口和相关的控制阀。在3端口放气系统(包括单个中等放气端口)的情况下，中等放气端口可被选择以例如为ECS在全部巡航高度上以涡轮机膨胀模式运行提供足够的放气压力。更低放气端口此时可被选择为来自更低压力发动机压缩机级以例如在名义巡航高度上满足“换热器冷却”模式下的ECS运行。更高级可以与上述相同的模式选择。
[0022]现在参照图1，以示意图的形式示出了飞机放气动力利用系统10的示例性实施例，其可包括飞机ECS100。ECS100可包括传统的空气循环ECS包110，其包括冷却涡轮机112、压缩机113和风扇114、一组换热器(再加热器和冷凝器)和脱水器，总称为水管理组件115。ECS包110可被选择性地联接到飞机(未示出)的发动机140的放气端口 141和142。ECS100还可包括定位在飞机的冲击空气管道119内的主空气-空气换热器117和次空气-空气换热器118。放气控制系统，总体由数字150指示，可在功能上将ECS100的部件和放气端口 141和142互连并且可控制被供应到ECS包110的预冷放气的温度和压力。
[0023]定位在ECS包110中的高度或旁通阀121可被打开以允许放气绕过冷却涡轮机112和水管理组件115。当到冷却涡轮机112的放气流被改向为朝着阀121时，空气循环机111将停止。压力和温度受控的放气流此时可流动通过主换热器117、单向阀116、次换热器118和高度阀121并直接流到混合歧管122和飞机机舱170。在这种构造下，被称为“换热器冷却模式”，预冷放气可仅由所述两个换热器118和117中的冲击空气120冷却。在这些条件下，冲击空气120可足够冷以冷却ECS包供应空气到其能够维持期望机舱内壁温度的水平。当冷却涡轮机112和水管理组件115可能不再减少预冷空气的压力时，在该模式下供应到ECS包110的放气的压力可在发动机放气端口的来源处被减小。高压放气阀152可被关闭并且低压放气阀151可被打开。这些阀的定位可导致放气仅被从低压放气端口 141提取。
[0024]低压放气端口 141在发动机上的位置可被选择为在换热器冷却模式中密切地匹配ECS100的压力要求。因此，换热器冷却模式可在飞机在高海拔飞行时，例如在约25000到约40000英尺之间的海拔，被有效地采用以减少燃料燃烧。
[0025]液体冷却环路，总体上由数字130指示，可被包含在