用于航空器的空气调节方法和系统

摘要

本发明涉及一种用于航空器的加压机舱的空气调节系统。所述系统(1)包括：进气模块(3)，其被设计为将外部的环境空气吸入到航空器；空气压缩模块(5)，其被设计为压缩吸入的空气流(F1)；以及空气冷却模块(10)，其被设计为通过低温流体来冷却压缩空气流(F2，F3)；所述冷却模块(10)包括用于冷凝所述空气流中的水分的冷凝器(12)、用于提取所述水分的脱水机(13)、用于冷却源自所述脱水机(13)的干燥空气流的冷却器(14)以及低温流体罐(15)，借助于所述低温流体在所述冷凝器(12)中对来自所述空气流的水分进行冷凝并且在所述冷却器(14)中对由所述脱水机产生的干燥空气进行冷却。

权利要求

1.一种用于航空器的加压机舱的空气调节系统，其特征在于，所述系统(1)包括：空气抽取模块(3)，其被配置为用于从所述航空器外部抽取环境空气；空气压缩模块(5)，其被配置为用于压缩抽取的空气流(F1)；以及空气冷却模块(10)，其被配置为用于借助冷却流体来冷却压缩空气流(F2，F3)，所述空气冷却模块(10)包括用于对来自空气流的水分进行冷凝的冷凝器(12)、用于提取所述水分的脱水机(13)、用于冷却由所述脱水机(13)发出的干燥空气流的冷却器(14)以及用于低温流体的罐(15)，借助该低温流体在所述冷凝器(12)中对来自所述空气流的水分进行冷凝并且在所述冷却器(14)中对由所述脱水机发出的干燥空气进行冷却。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述空气冷却模块(10)是自容式的。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述空气冷却模块(10)被配置为用于借助所述低温流体来传送用于供给到涡轮(30)的气态流体。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统(1)包括热交换模块(9)，该热交换模块(9)被设置在所述空气压缩模块(5)与所述空气冷却模块(10)之间并且被配置为用于借助由所述空气冷却模块(10)传送的气态流体流(F5)来对从所述空气压缩模块(5)接收到的所述压缩空气流(F2)进行冷却，并且一方面用于将经冷却的压缩空气流(F3)输送到所述空气冷却模块(10)，另一方面用于将所述气态流体流(F5)输送到加热模块(20)。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述系统(1)包括空气流定向模块(7)，该空气流定向模块(7)被设置在所述空气压缩模块(5)与所述空气冷却模块(10)之间并且被配置为用于当压缩空气的温度高于所述机舱的空气调节模块(40)的入口处所需的温度时，将经所述空气压缩模块(5)压缩的空气流(F2)定向为朝向所述空气冷却模块(10)；或者当所述压缩空气的温度低于所述机舱的空气调节模块(40)的入口处所需的温度时，将经所述空气压缩模块(5)压缩的空气流(F2)定向为朝向加热模块(20)。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述系统(1)包括加热模块(20)，该加热模块(20)被配置为用于从所述热交换模块(9)接收所述气态流体流(F5)并用于将该气态流体流输运到涡轮(30)，或者被配置为用于从所述空气定向模块(7)接收待重新加热的压缩空气流(F2)并用于将经加热的压缩空气流输送到所述航空器的所述机舱的空气调节模块(40)。

7.一种航空器，其特征在于，所述航空器包括根据权利要求1至6中任一项所述的系统。

说明书

用于航空器的空气调节方法和系统

技术领域

[0001] 本发明涉及航空器中的空气调节领域，尤其涉及旨在供给航空器的加压机舱的空气调节。本发明尤其涉及一种用于航空器的空气调节系统和方法，以及一种包括这种系统的航空器。

背景技术

[0002] 在航空器的例如10000米高度的巡航高度上，通常外部环境空气的压强大约是0.2至0.3巴，并且其温度介于-20到-60℃之间；然而航空器的加压机舱中的压强大约是0.8巴，并且机舱空气调节模块的入口处的温度大约是-15℃。

[0003] 为了向加压机舱供给空气，已知的方法是抽取主发动机的区域中的空气以对该空气进行调节，然后将该空气输送到机舱空气调节模块。

[0004] 因此，从主发动机的压缩机级抽取经过加压的且处于高温的压缩空气流，然后由预冷器对其进行冷却；该空气在预冷器的出口处的压强大约是2巴，其温度大约是200℃。然后该空气在冷却模块中被再次冷却，并且同时进行除湿和膨胀，该空气在冷却模块的出口处的压强接近于机舱的压强(即大约是0.8巴)，并且该空气的温度大约是-15℃。由此，然后将经此调节的空气输送到航空器的机舱空气调节模块以确保其热调节以及新鲜空气的供给。然而，这种系统具有许多缺陷。

[0005] 首先，由于抽取的空气的压强高，空气必定会膨胀以达到航空器的机舱空气调节模块的入口处所需要的压强水平。这种膨胀需要使用一包括涡轮增压器和多个热交换器的冷却模块，而多个热交换器会消耗能量并且会使系统的结构更加复杂，这是第一个缺陷。

[0006] 此外，这种系统的预冷器需要抽取附加的处于低温的空气以对在航空器的主发动机的压缩机级处抽取的热空气进行冷却。从航空器的不同区域进行的这种多重空气抽取使得空气调节系统更为复杂，并且由此使得航空器的内部结构更加复杂，这增加了拖累和燃料消耗，这是第二个缺陷。

[0007] 此外，这种系统使得主发动机的安装和操作性变得复杂，并且会降低其性能，这是第三个缺陷。

[0008] 此外，在主发动机的压缩机级处抽取空气会相应地减少能够用于推进航空器的空气的量，这增加了燃料的消耗，并且因此是第四个缺陷。

[0009] 最后，发动机转速的变化性需要复杂的系统以确保恒定的最低水平的空气抽取，这是第五个缺陷。

发明内容

[0010] 本发明旨在改进现有的用于航空器的空气调节系统以节约航空器的能量并简化空气调节，以及更一般地，简化航空器的结构。

[0011] 因此，本发明的目标在于提供一种用于航空器的加压机舱的空气调节系统，其独特之处在于，该系统包括：空气抽取模块，其被配置为用于从航空器的外部抽取环境空气；空气压缩模块，其被配置为用于压缩抽取的空气流；以及空气冷却模块，其包括用于存储至少一冷却剂的装置并且被配置为用于借助该冷却剂对压缩空气流进行冷却。

[0012] 术语“外部环境空气”是指在航空器外部的开放空气，其与在航空器发动机内流动的空气相对。

[0013] 因此，然后经此冷却的空气可被输送到航空器的机舱的空气调节模块，然后空气调节模块根据机舱设置调整空气流的温度以向机舱供给冷空气。

[0014] 压缩模块能够压缩从航空器外部抽取的环境空气，环境空气的压强和温度通常低于机舱空气调节模块的入口处所需的压强和温度水平。这种压缩能够将空气的压强增加到机舱中所需要的压强水平(例如0.8巴)。由于抽取的外部环境空气的压强大约是0.2或0.3巴，为了获得与机舱中所需的压强水平接近的压强(例如0.8巴)，所以与这种压缩相关联的压缩率是低的(例如大约是3或4)，并且因此需要少量的能量。能够执行压缩以达到略高于机舱中所需的压强的值(例如0.9巴)，以考虑到与航空器的空气压缩模块和空气调节模块之间的压头损失相关联的空气压强的降低。

[0015] 当压缩将抽取的空气的温度增加到高于机舱空气调节模块的入口处所需要的水平时，则冷却模块接收压缩空气流并将其冷却到机舱空气调节模块的入口处所需要的温度水平(例如-15℃)。冷却的空气然后被提供到航空器的空气调节模块以确保航空器的加压机舱的热调节以及将冷空气供给到航空器的加压机舱。

[0016] 本发明的系统只抽取外部环境空气。因此，不再需要抽取主发动机的压缩机级处的空气，这样能够提高效率并且使得空气调节系统不受航空器的发动机转速变化的支配。特别地，与现有的方案相比，本发明的系统的空气抽取模块因而可包括可由例如动态进气口或可控阀形成的、用于抽取空气的单一装置。

[0017] 此外，不再需要增加在航空器的不同温度下以及不同区域中进行的空气抽取的数量，这简化了航空器的架构并且使得有可能减少拖累及其燃料消耗。

[0018] 这种系统的结构是简单的并且尤其使得有可能避免使用涡轮增压器和多个用于冷却空气的热交换器。此外，发动机的安装，操作性以及维护都变得更容易。

[0019] 因此，例如在维护航空器的时候，可容易地将用于储存冷却剂的装置再次装满。这种蓄冷器使得有可能降低第一空气流的温度而不需要抽取第二外部环境空气流。另外，空气被压缩到机舱内所要求的值，或略高于该值以补偿系统中的压头损失，从而极大地限制了用于该压缩所需的能量。因此，在没有使空气膨胀的情况下实现了冷却，这通过避免使用膨胀模块简化了系统的结构。

[0020] 冷却模块优选地是自容式的。“自容式”是指空气仅仅借助于储存在存储装置中的冷却剂进行冷却，即，不使用来自另一源的流体。

[0021] 根据本发明的特征，用于储存冷却剂的装置被配置为用于储存低温(例如低于-180℃)流体，该流体使得压缩空气流能够被冷却。

[0022] 冷却剂有利地为低温流体，优选地为低温液体。

[0023] 用于储存冷却剂的装置有利地采用低温流体罐的形式。这种低温流体可以是例如液氮，液态空气，液氦等。

[0024] 冷却模块有利地被配置为用于传送气态流体(例如加压的氮气)，其温度优选地低于压缩空气流的温度，该压缩空气流能够供给涡轮并因此能够提供机械能。

[0025] 根据本发明的一方面，系统包括热交换模块(例如热交换器)，该热交换模块被设置在空气压缩模块和冷却模块之间被配置为用于借助由冷却模块传送的气态流体流来对从空气压缩模块接收的压缩空气流进行冷却，并且一方面用于将经此冷却的压缩空气流输送到冷却模块，另一方面用于将气态流体流输送到加热模块。这种循环使得有可能使用由冷却模块传送的气态流体的热能以借助热交换器对压缩空气流进行预冷却。

[0026] 根据本发明的一方面，系统包括空气流定向模块，该空气流定向模块被设置在压缩模块和冷却模块之间并且被配置为用于当压缩空气的温度高于机舱空气调节模块的入口处所需的温度时，将经过空气压缩模块压缩的空气流定向为朝向空气冷却模块；或者当压缩空气的温度低于机舱空气调节模块的入口处所需的温度时，将经过空气压缩模块压缩的空气流定向为朝向加热模块。

[0027] 空气流定向模块优选地为二通阀的形式。

[0028] 更优选地，系统包括加热模块，该加热模块被配置为用于接收例如来自热交换模块的待加热的气态流体流，或接收来自空气流定向模块的空气流。

[0029] 根据本发明的特征，加热模块被配置为用于将加热空气输送到机舱空气调节模块或涡轮。

[0030] 系统有利地包括涡轮，该涡轮被配置为用于从加热模块接收气态流体流并用于供给例如用于提供电流(例如供给航空器的设备)的发电机。从这种涡轮出来的流使得有可能冷却航空器的发动机舱(发动机舱是发动机安装所在的室)，和/或使气氛(atmosphere)成为惰性的，因此及大地降低了着火的风险。因此，回收由冷却模块传送的气态流体使得有可能以低成本产生附加能量。

[0031] 压缩模块优选地包括负载压缩机(例如辅助动力装置(APU))。

[0032] 根据本发明的一方面，冷却模块包括用于对来自空气流的水分进行冷却的冷凝器、用于提取该水分的脱水机、用于冷却干燥空气流的冷却器以及用于冷却剂(例如诸如液氮，液体空气，液氦等的低温液体)的罐，该冷却剂被配置为允许通过冷凝器对来自流的水分进行冷凝并且允许通过冷却器将干燥的流冷却到例如零下温度而不存在被冰堵塞的风险。

[0033] 冷却模块有利地被配置为用于对接收到的压缩空气流进行除湿。

[0034] 根据本发明的特征，加热模块是回热器(例如热交换器)。

[0035] 本发明还涉及一种包括上面限定的空气调节系统的航空器。

[0036] 本发明还涉及一种如上限定的航空器中的空气调节方法，该航空器包括加压机舱和用于该机舱的空气调节模块，该方法的特别之处在于其包括：

[0037] 从航空器的外部抽取环境空气的步骤；

[0038] 对抽取的空气流进行压缩的步骤；

[0039] 借助低温流体对压缩的空气流进行冷却的步骤；

[0040] 将经此冷却的空气流输送到航空器的机舱空气调节模块的步骤。

[0041] 在压缩步骤和冷却步骤之间，方法优选地包括当压缩空气的温度高于机舱空气调节模块的入口处所需的温度时，将经过空气压缩模块压缩的空气流定向为朝向空气冷却模块的步骤；或者包括当压缩空气的温度低于机舱空气调节模块的入口处所需的温度时，将经过空气压缩模块压缩的空气流定向为朝向加热模块的步骤。

[0042] 根据本发明的一方面，方法进一步包括经由加热模块将气态冷却剂流发送到回收涡轮的步骤。

附图说明

[0043] 本发明的其他特征和有益之处将在参考附图所作的以下描述中变得清楚，附图是通过非限定性示例的方式给出的并且其中相似的对象具有相同的附图标记。

[0044] 图1为本发明的空气调节系统的简图；

[0045] 图2为图1中系统的冷却模块的简图；

[0046] 图3示出了本发明的空气调节方法。

具体实施方式

[0047] 在航空器中，空气调节系统使得有可能向加压机舱供给来自外部的空气。

[0048] 对本发明的系统的描述

[0049] 图1中所示的本发明的空气调节系统1的实施例包括空气抽取模块3、空气压缩模块5、空气定向模块7、热交换模块9、冷却模块10、热回收模块20、涡轮30和航空器的加压机舱的空气调节模块40。

[0050] 空气抽取模块3

[0051] 空气抽取模块用于从航空器外部抽取环境空气。空气抽取模块3包括一个或多个外部环境空气入口，优选地包括单个空气入口(例如动态空气入口)。当空气入口能够将来自所捕获的空气的动能转化为压力(关闭压力(shut-off pressure)或动态压力)时，该空气入口被称作动态的(与静态空气入口相反)。这种动态空气入口可以是航空器的辅助动力设备(APU)的动态空气入口。在可替代的实施例中，空气抽取模块可由一个或多个可控制的空气抽取阀构成。

[0052] 空气压缩模块5

[0053] 空气压缩模块5包括至少一个压缩机，至少一个压缩机可以是例如航空器的辅助动力设备的负载压缩机。这种单元通常包括负载压缩机5以及包括有马达或发电机35和涡轮30的涡轮发动机。负载压缩机5被配置为用于接收由抽取模块3抽取的空气流F1，压缩该空气流并将压缩空气流F2输送到空气定向模块7。

[0054] 空气定向模块7

[0055] 空气定向模块7(例如二通阀)被配置为用于将压缩空气流F2定向为朝向热交换模块9或朝向热回收模块20。空气定向模块7包括用于对来自空气压缩模块5的压缩空气流F2的温度进行测量的装置以及用于将测量值与对应于机舱空气调节模块40的入口处所需的水平的参考值进行比较的装置。因此，空气定向模块7被配置为用于当压缩空气的测量温度高于空气调节模块40的入口处所需的温度水平时，将压缩空气流F2定向为朝向热交换模块9以冷却该空气流。空气定向模块7还被配置为用于当压缩空气的测量温度低于空气调节模块40的入口处所需的温度水平时，将压缩空气流定向为朝向热回收模块20以重新加热该空气流。

[0056] 热交换模块9

[0057] 热交换模块9包括至少一个热交换器，该至少一个热交换器被配置为用于允许在从空气定向模块7接收到的压缩空气流F2与来自冷却模块10的气态流体流F5之间进行热交换。

[0058] 冷却模块10

[0059] 冷却模块10被配置为用于接收来自空气定向模块7并且已经穿过热交换模块9的空气流F3，并对该接收到的流F3进行冷却。如图2中所示，冷却模块包括冷凝器12，脱水机13，冷却器14，低温流体(例如被加压到10巴的液氮)罐15，被设置在低温流体罐15与冷凝器
12之间的第一调节阀16，以及被设置在低温流体罐15与冷却器14之间的第二调节阀17。冷凝器12被配置为用于接收待冷却的空气流(例如在机舱压力(例如大约0.8巴)下温度高达
100℃的可能潮湿的压缩空气流)。冷凝器12还被配置为用于冷凝包含在接收到的压缩空气流中的水蒸气，同时通过在出口处保持正温度来避免其结冰。脱水机13被配置为用于从被冷凝器12冷凝的空气流中提取水分，其水流F8则可以例如被消除或被注入到航空器的水系统中。冷却器14被配置为用于借助经由第二调节阀17从罐15接收到的低温流体对从脱水机
13接收到的干燥空气流进行冷却，并且将所获得的冷的干燥空气流F4输送到机舱空气调节模块40。因此，储存在罐中的液态低温流体被冷凝器12和冷却器14两者所使用。以气态的形式随着冷凝器12和冷却器14中执行的热交换进行传递的冷却剂，通过被传输到热交换模块
9而得以回收利用，以对来自空气定向模块7并且流经热交换模块9的压缩空气流F2进行冷却。

[0060] 加热模块20

[0061] 加热模块20可以采用回热器的形式，其被设置在例如辅助动力设备(APU)的排气装置中。加热模块20被配置为用于在第一功能模式下加热从空气定向模块7接收到的空气流F2然后将该空气流输送到机舱空气调节模块40；而在第二功能模式下用于加热从热交换模块9接收到的气态冷却剂流F5并且将该流发送到涡轮30。可提供旁路(by-passing)该加热模块的路线以调节用于加热空气流F2的热能。

[0062] 涡轮30

[0063] 涡轮30被配置为用于从加热模块20接收气态流体流。由涡轮30从接收到的气态流体流产生的机械能可例如被注入到辅助动力设备(APU)的齿轮箱中或被用于驱动交流发电机，或用于其他更适合的用途。如果该流体例如是氮气，则排出的气体流F7可被再次用于冷却航空器的发动机舱和/或用于使气氛成为惰性的。

[0064] 航空器加压机舱的空气调节模块

[0065] 空气调节模块40包括混合器(未示出)，该混合器给配置为用于从冷却模块10接收被冷却的空气流F4并将该空气流与来自机舱的空气进行混合以向机舱提供所期望的控制温度下的空气流。

[0066] 本发明的系统还可包括用于调节机舱压力的装置(未示出)和用于控制一个或全部的系统模块(空气抽取模块，空气压缩模块，空气定向模块，冷却模块，空气调节加热涡轮等)的控制装置。

[0067] 本发明系统的使用

[0068] 在第一步骤E1中，空气抽取模块3抽取外部环境空气并且将抽取的环境空气流F1输送到空气压缩模块5。

[0069] 在步骤E2中，空气压缩模块5压缩抽取的空气F1并且将压缩空气流F2输送到空气定向模块7。

[0070] 在步骤E3中，空气定向模块7确定压缩空气流F2的温度是高于还是低于与空气调节模块40的入口处所需的温度水平相关联的参考值。

[0071] 当压缩空气流的温度高于参考值时，在步骤E4中，空气定向模块7将待冷却的压缩空气流F2输送到热交换模块9。然后压缩空气流F2穿过热交换模块9，压缩空气流F2在步骤E5期间在该热交换模块9中通过来自冷却模块10的气态流体F5经历了第一冷却。然后压缩空气流F3被输送到冷却模块10，压缩空气流F3在步骤E6期间在该冷却模块10中经历了第二冷却。

[0072] 更具体地，压缩空气流F3在步骤E61中穿过冷凝器12，在此期间，空气流中可能存在的水蒸气被冷凝。冷凝器12使用经由第一阀16从低温流体罐15接收到的低温流体以将空气流的温度降低到刚刚为正温度(例如2℃)，从而使得在不结冰的情况下能够将水蒸气冷凝。然后，由空气流和低温流体之间的热交换所产生的气态流体F5被输送到热交换模块9。

[0073] 然后，在步骤E62中，通过脱水机13将水分从空气流中提取出来，然后空气流被输送到冷却器14；在步骤E63中，冷却器14使用通过第二阀17接收到的低温流体以将干燥空气流的温度降低到空气调节模块40的入口处所需的温度水平(例如-15℃)。由空气流和低温流体之间的热交换所产生的气态流体也被输送到热交换模块9。

[0074] 然后，在步骤E7中，冷的干燥空气流F4被输送到机舱空气调节模块40。机舱中所期望的温度则可借助空气调节模块40的混合器得到。此外，用于调节机舱压力的装置使得有可能保持机舱被加压到例如0.8巴。

[0075] 在步骤E8期间，由冷凝器12和冷却器14中的热交换所发出的气态流体F5经由反馈回路被输送到热交换模块9，在热交换模块9中气态流体F5被用于对来自空气定向模块7的压缩空气流F2实施第一冷却。

[0076] 一旦热交换已在热交换模块9中实施，气态流体流被输送到加热模块20；在步骤E9中，加热模块20增加了气态流体流的温度，然后在步骤E10中将该流体输送到APU的涡轮30。然后涡轮30可使用气态流体流F6以便例如供给发电机并产生电力。

[0077] 当气态流体流F7的温度低于参考值时(例如三十分之一摄氏度)，则在步骤E11中，可使用该流以冷却航空器的发动机舱和/或使气氛成为惰性的。

[0078] 当压缩空气流F2的温度低于参考值时，在步骤E12中，空气定向模块7将待加热的压缩空气流F2输送到加热模块20。

[0079] 然后加热模块20在步骤E13期间增加空气流的温度并且然后在步骤E14中将该空气流输送到机舱空气调节模块40。通过使用空气调节单元40的混合器可获得机舱中所期望的温度。

[0080] 可以理解的是，在本发明的系统的简化实施例中，热交换模块9可被省略，并且于是可直接将压缩空气流F2从空气定向模块7输送到冷却模块10。

[0081] 因此，根据本发明的系统使得有可能例如以3或4的压缩率将从航空器外部的环境空气抽取的空气流压缩到接近于机舱中所需的压力值的值，因此不需要太多的能量。然后冷却模块使得有可能对流进行冷却以将其温度降低到机舱空气调节模块的入口处所需的温度水平。