用于飞行器的发动机引气系统和引气控制方法

摘要

本发明公开了一种用于飞行器的发动机引气系统及其控制方法，发动机引气系统包括压气机、引射器和引气汇总管路。压气机具有高压供气端口和中压供气端口。引射器通过引射器的第一引射管路与中压供气端口连通，并通过引射器的第二引射管路与高压供气端口连通。引气汇总管路分别连通中压供气管路、高压供气管路以及引射器，以将来自压气机的供气供入位于下游的用气系统。发动机引气系统被构造成能够在引气汇总管路中的压力低于预定的压力阈值时接通引射器，并根据引气汇总管路中压力的变化可控地调节第一引射管路和/或第二引射管路的供气，从而能够向下游的用气系统提供所需压力的引气。

权利要求

1.一种用于飞行器的发动机引气系统(100)，所述发动机引气系统(100)包括：

压气机(10)，所述压气机(10)具有高压供气端口(12)和中压供气端口(11)，其中，所述中压供气端口(11)通过中压供气管路(13)向下游供气，所述高压供气端口(12)通过高压供气管路(14)向下游供气；

引射器(20)，所述引射器(20)通过第一引射管路(21)与所述中压供气端口(11)连通，并通过第二引射管路(22)与所述高压供气端口(12)连通；以及引气汇总管路(17)，所述引气汇总管路(17)分别连通所述中压供气管路(13)、所述高压供气管路(14)以及所述引射器(20)，以将来自所述压气机(10)的供气供入位于下游的用气系统，其中，所述发动机引气系统(100)被构造成能够在所述引气汇总管路(17)中的压力低于预定的压力阈值时接通引射器(20)，并根据所述引气汇总管路(17)中压力的变化可控地调节所述第一引射管路(21)和/或所述第二引射管路(22)的供气，从而能够向下游的用气系统提供所需压力的引气，其中，所述高压供气管路(14)和中压供气管路(13)连通于连接处(S)，在引气的流动路径上，所述引射器(20)的出口端设置于中压供气管路(13)上且位于所述连接处(S)的上游。

2.根据权利要求1所述的发动机引气系统(100)，其特征在于，所述引射器(20)通过引射排出管路(23)与引气汇总管路(17)连通，所述引射排出管路(23)设有引射单向活门(25)。

3.根据权利要求2所述的发动机引气系统(100)，其特征在于，所述中压供气管路(13)设有中压单向活门(15)。

4.根据权利要求3所述的发动机引气系统(100)，其特征在于，所述高压供气管路(14) 设有高压控制活门(16)，所述第二引射管路(22)设有引射控制活门(24)。

5.根据权利要求4所述的发动机引气系统(100) ，其特征在于，所述发动机引气系统(100)还包括位于所述连接处(S)的下游处的预冷器(50)。

6.根据权利要求5所述的发动机引气系统(100) ，其特征在于，所述发动机引气系统(100)包括位于所述连接处(S)和所述预冷器(50)之间的压力传感器(30)，所述发动机引气系统(100)被配置成基于所述压力传感器(30)的检测数据调节所述引射控制活门(24)的开度，进而调节第一引射管路(21)和/或所述第二引射管路(22)的流量。

7.一种如权利要求1‑6中任一项所述的用于飞行器的发动机引气系统(100)的引气控制方法，其特征在于，所述引气控制方法包括以下步骤：判断飞行器的飞行状态；

当判断所述飞行器处于起飞、爬升和巡航初期中的任一状态时，关闭高压供气管路(14)上的高压控制活门(16)和第二引射管路(22)上的引射控制活门(24)并开启中压供气管路(13)中的中压单向活门(15)；

当判断所述飞行器处于下降、进场和地面滑行中的任一状态时，开启高压供气管路(14)上的高压控制活门(16)，并关闭第二引射管路(22)上的引射控制活门(24)和中压供气管路(13)中的中压单向活门(15)。

8.根据权利要求7所述的引气控制方法，其特征在于，所述引气控制方法还包括：将飞行器处于巡航初期阶段的中压供气端口(11)的压力值P设定成与压力阈值T1的差值不大于±5％×T1，其中所述压力阈值T1由用气系统的用气量定义。

9.根据权利要求8所述的引气控制方法，其特征在于，当位于高压供气管路(14)和中压供气管路(13)的连接处(S)的下游处的压力值小于所述压力阈值T1时，开启引射控制活门(24)、位于引射器(20)出口处的引射单向活门(25)，并关闭所述中压单向活门(15)和高压控制活门(16)，使得所述发动机引气系统(100)进入引射状态。

10.根据权利要求9所述的引气控制方法，其特征在于，所述压力值P小于设定值T2时，所述引射器(20)进入引射状态，其中所述设定值T2满足：

92％* T1≤T2≤98％*T1。

说明书

用于飞行器的发动机引气系统和引气控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及飞机发动机引气系统及其控制方法技术领域，特别涉及一种用于飞行器的发动机引气系统和引气控制方法。

背景技术

[0002] 现有民用飞机的引气系统一般采用发动机、APU和高压地面气源作为气源，将高温高压空气供给下游空调系统(制冷包)、机翼防冰系统、惰化系统和增压水箱等用气系统。现有的引气系统只能从上述三种气源中选出一种用作下游用气系统的气源。APU和高压地面气源作为辅助气源，一般用于地面状态为飞机提供空调和发动机起动的气源，飞行过程中则主要选择从发动机引气。若遇到发动机引气失效的情况，还可以使用APU引气起动发动机和供应下游用气系统。

[0003] 在发动机引气系统中，发动机的压气机一般设有中、高压两级供气端口。中压级端口设有中压单向活门(IPCKV)，防止引气倒流至压气机，高压级端口设有高压活门(HPV)，用于控制并调节来自高压端口的引气。引气系统工作时通常仅能择一地选择高压端供气端口或中压级供气端口为下游提供用气供应。

[0004] 飞机在巡航阶段时，特别是在续航末端，通常会由于推力降低而使得中压级引气压力下降，原本在初始巡航适用的中压级引气变得不适用。现有的环控系统技术方案中，面对这种状况通常采取以下三种处理方式来应对：

[0005] 1.调节下游用气系统。例如，调整下游的空调包至旁通模式，在该旁通模式中，温度控制活门TCV对空调组件的空气循环机进行旁通，进而减少空调组件的压力损失，确保中压级引气可以供应空调系统。尽管这种方式能保证新鲜空气的流量，但在热天难以保证客舱的温度控制满足要求。

[0006] 2.设定强制中压级引气锁定逻辑。具体而言，当系统识别到飞机进入巡航状态之后，通过强制锁定逻辑，确保巡航飞行时不切换到高压供气端口。针对这种方案，飞机在巡航的末期时，发动机的中压级供气端口引气的引气压力将下降到无法满足下游空调系统的需求，严重时甚至会发生新鲜空气流量不足而不满足适航要求的情况。

[0007] 3.将引气端口由中压级切换至高压级。当飞机进入巡航末期，发动机的中压级引气端口提供的引气的压力不足时，根据预设的压力切换阀值，系统将供气端口自动切换至高压级供气端口。这种方案会带来燃油消耗的大量提高，并且会导致潜在的预冷器热边出口超温，严重时会丧失引气，形成飞行事故症候。

[0008] 以上三种方式，或者选则牺牲空调组件性能，或者选择增加油耗来解决巡航过程中中压压力不足的问题。

[0009] 现有文献CA2768929C针对此提出了一种引气系统方案。该引气系统中在压力调节活门之后设有一个旁通预冷器的支路，并在支路上设有一个可调节的旁通阀。引气系统在飞机巡航时通过打开旁通阀，使得部分气体旁通预冷，从而总体上降低气流在进图空调组件前的压力损失，提高中压级引气的可用性。

[0010] 然而，在文献CA2768929C中，由于预冷器在巡航状态的压力损失通常不大(约1.2psi)。与空调组件的压力需求(通常为30psi)相比，预冷器旁通方案带来的空提组件入口压力提升仅约为4％，对提高中压级引气的可用性改善效果不明显。特别是对于长航程飞机来说，初始巡航和末端巡航，由于飞机重量差别较大，导致中压级引气压力差别达6～
7psi，约占空调组件入口需求压力的20～25％。由此可见，仅通过旁通降低流通阻力的方式无法从源头提高引气的压力。

[0011] 因此，有必要对现有的引气系统进行改进。

发明内容

[0012] 本发明的目的之一在于提供一种解决现有引气方案中因中压引气压力不足带来的下游空调温度控制或者流量不足的问题。通过适量的引入高压引级引气，提高了中压级引气的可用性，也避免了直接使用高压级引气带来的潜在引气超温失效的问题，同时也不会带来较大的燃油消耗。

[0013] 本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种用于飞行器的发动机引气系统，所述发动机引气系统包括：

[0014] 压气机，所述压气机具有高压供气端口和中压供气端口，其中，所述中压供气端口通过中压供气管路向下游供气，所述高压供气端口通过高压供气管路向下游供气；

[0015] 引射器，所述引射器通过第一引射管路与所述中压供气端口连通，并通过第二引射管路与所述高压供气端口连通；以及

[0016] 引气汇总管路，所述引气汇总管路分别连通所述中压供气管路、所述高压供气管路以及所述引射器，以将来自所述压气机的供气供入位于下游的用气系统，

[0017] 其中，所述发动机引气系统被构造成能够在所述引气汇总管路中的压力低于预定的压力阈值时接通引射器，并根据所述引气汇总管路中压力的变化可控地调节所述第一引射管路和/或所述第二引射管路的供气，从而能够向下游的用气系统提供所需压力的引气。

[0018] 借由所设的引射器，引气系统能够根据飞机所处的飞行状态、飞机发动机的工作状态以及下游用气系统的用气需求量来调节引气系统的输出引气的压力，使得下游用气系统在任意状态均能得到满足其需求的引气。

[0019] 根据本发明的一种优选实施方式，所述高压供气管路和中压供气管路连通于连接处，在引气的流动路径上，所述引射器的出口端设置于中压供气管路上，且位于所述连接处的上游。在发动机的中压引气端口提供的引气的压力不足的情况下，该形式的引气系统能够保证经由中级引气端口流出的引气仍然作为供气源来为下游用气系统供气。

[0020] 根据本发明的一种优选实施方式，所述引射器通过引射排出管路与引气汇总管路连通，所述引射排出管路设有引射单向活门。所设的引射单向活门有利于引气系统按需地开启引射器。

[0021] 根据本发明的一种优选实施方式，所述中压供气管路设有中压单向活门。所设的中压单向活门使得经由中压引气端口流出的引气能够受控地直接与引射器的下游管路连通或中断连通。

[0022] 根据本发明的一种优选实施方式，所述高压供气管路设有高压控制活门，所述第二引射管路设有引射控制活门。

[0023] 根据本发明的一种优选实施方式，所述发动机引气系统还包括位于所述连接处的下游处的预冷器。

[0024] 根据本发明的一种优选实施方式，所述发动机引气系统包括位于所述连接处和所述预冷器之间的压力传感器，所述发动机引气系统被配置于基于所述压力传感器的检测数据调节所述引射控制活门的开度，进而调节第一引射管路和/或所述第二引射管路的流量。

[0025] 此外，本发明还涉及一种上述任一项用于飞行器的发动机引气系统的引气控制方法。其中，所述引气控制方法包括以下步骤：

[0026] 判断飞行器的飞行状态；

[0027] 当判断所述飞行器处于起飞、爬升和巡航初期中的任一状态时，关闭高压供气管路上的高压控制活门和第二引射管路上的引射控制活门并开启中压供气管路中的中压单向活门；

[0028] 当判断所述飞行器处于下降、进场和地面滑行中的任一状态时，开启高压供气管路上的高压控制活门，并关闭第二引射管路上的引射控制活门和中压供气管路中的中压单向活门。

[0029] 根据本发明的一种优选实施方式，所述引气控制方法还包括：将飞行器处于巡航初期阶段的中压供气端口的压力值P0设定成基准，当中压供气端口的压力值P小于95％×P0时，开启引射控制活门，以及位于引射器出口处的引射单向活门，并关闭所述高压控制活门和中压单向活门，使得所述发动机引气系统进入引射状态。

[0030] 根据本发明的一种优选实施方式，当位于高压供气管路和中压供气管路的连接处的下游处的压力值小于所述压力阈值T1时，开启引射控制活门，以及位于引射器出口处的引射单向活门，并关闭所述高压控制活门和中压单向活门，使得所述发动机引气系统进入引射状态，其中所述压力阈值T1由用气系统的用气量定义。

[0031] 根据本发明的一种优选实施方式，压力值P小于所述设定值T2时，所述引射器进入引射状态，其中所述设定值T2满足：

[0032] 92％*T1≤T2≤98％*T1。

[0033] 在符合本领域常识的基础上，上述各优选实施方式，可任意组合，即得本发明各较佳实例。通过阅读下列的附图和详细描述本领域技术人员可理解本发明的其他系统、方法、特征和优点。目的是所有这种额外的系统、方法、特征和优点包括在本说明书中和本发明内容中，且包括在本发明的范围内，并被所附权利要求保护。

附图说明

[0034] 为了更好地理解本发明的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本发明的优选实施方式，对本发明的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。

[0035] 图1为根据本发明的优选实施方式的发动机引气系统的系统示意图。

[0036] 图2为图1的引射器的结构示意图。

具体实施方式

[0037] 接下来将参照附图详细描述本发明的发明构思。这里所描述的仅仅是根据本发明的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本发明的其他方式，所述其他方式同样落入本发明的范围。在以下的具体描述中，例如“上”、“下”、“内”、“外”、“纵”、“横”等方向性的术语，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。

[0038] 参见图1所示的发动机引气系统100的系统示意图。该发动机引气系统100用于诸如飞机、大型无人机等各类飞行器。发动机引气系统100包括压气机10、引射器20和引气汇总管路17等。压气机10具有中压供气端口11和高压供气端口12。中压供气端口11通过中压供气管路13向下游供气，高压供气端口12通过高压供气管路14向下游用气系统供气。下游用气系统在图1中示出为空调组件70，此外，下游用气系统还可替换为机翼防冰系统、惰化系统和水箱增压系统等任意用气系统。

[0039] 根据本公开的发动机引气系统100的中压供气管路13分成两个支路(中压支路)。其中一个支路(即第一引射管路21)通向发动机引气系统100的引射器20，另一个支路则直接通向下游的引气汇总管路17。优选地，中压供气管路13的上述另一个支路上设有中压单向活门15(IPCKV)。通过选择性地启闭中压单向活门15，压气机10中压供气端口11所提供中压引气可选择性地与引射器20的下游管路连通或中断连通。此外，本申请将中压供气管路
13上的活门设为单向活门，可使得发动机所供气体压力不足的情况下，下游气流不会倒灌回压气机10。

[0040] 类似地，高压供气管路14也设有两个支路(高压支路)。其中一个支路((即第二引射管路22))通向发动机引气系统100的引射器20，另一个支路则直接通向下游的引气汇总管路17。优选地，中压供气管路13的上述另一个支路上设有高压控制活门16(HPV)。通过选择性地启闭高压控制活门16，压气机10中压供气端口11所提供的高压引气可选择性地与引射器20的下游管路连通或中断连通。

[0041] 参见图2所示的引射器20，该引射器20具有2个入口，即高压引气入口1和中压引气入口2。在引射器20的轴向上，引射器20依次设有喷嘴3、接收室4、混合室5和扩压室6。喷嘴3的入口即为高压引气入口1，出口位于接收室4内。接收室4的周向上还设有作为中压引气入口2。在引射器20的轴向上，中压引气入口2大致位于喷嘴3的渐缩段。根据本公开，喷嘴3的入口的横截面积小于中压引气入口2的横截面积。可选地，中压引气入口2的横截面积为喷嘴3的入口处的横截面面积大致3‑6倍，优选地为4倍。在此情况下，在一些将中压引气入口2的横截面以及喷嘴3的入口处的横截面设定为圆形的优选时时方式中，中压引气入口2处的直径即为喷嘴3的入口处的直径的2倍。

[0042] 喷嘴3的出口优选地被设定成距离接收室4具有预定距离。例如，喷嘴3的出口位于距离接收室4的入口处(对应于喷嘴3的入口处)的40％L‑65％L(L为接收室4的轴向尺寸)的位置处。由此，在高压引气高速进入接收室4内部并引流中压引气的情况下，高压引气和中压引气在具有较大空间的接收室4内能够进行一定程度上的初步混合，避免后续的混合效果。

[0043] 参见图2并结合上述关于图1的描述可知，高压供气管路14的一个支路即通向喷嘴3的入口；中压供气管路13的一个支路即通向中压引气入口2。

[0044] 继续参见图2，引射器20的混合室5为直管形式的柱形机构。经由接收室4初步混合的中、高压引气在混合室5内进一步混合后进入后续的扩压室6。混合气流在扩压室6内进行扩压后通过引射排出管路23与引气汇总管路17连通，引射排出管路23设有引射单向活门25被排向引气汇总管路17。

[0045] 引气汇总管路17将来自中压供气管路13、高压供气管路14和引射器20所在的引射管路(引射管路亦可视为中压供气管路13、高压供气管路14的一个共有支路)内的引气进行汇合后供给下游用气系统。

[0046] 优选地，引气汇总管路17上设有压力传感器30(BPS)、压力调节关断活门(PRSOV)40和预冷器50。压力传感器30能够检测经过调整后的引气系统的供气(引气)压力，并将压力数据传送给引气控制器60，从而为开启和关闭高压控制活门16提供信息源。压力调节关断活门40作为引气系统的总活门，其用作调节或关断进入下游的引气。引气经预冷器50之后供入下游空调组件70。预冷器50可选地设定为空‑空换热器，其使用来自发动机风扇端的冷空气对发动机引气进行冷却。其中，在压力传感器30检测到引气汇总管路17中的压力低于预定的压力阈值时，由引气控制器60控制接通引射器20，并调节进入引射器20内的高压引气量、中压引气量，从而使得引气系统能够向下游的用气系统提供所需压力的引气。

[0047] 高压供气管路14和中压供气管路13在图1所示的连接处S彼此连通。在引气的流动路径上，引射器20的出口端被设置在上述连接处S的上游，且设置于中压供气管路13上。在发动机的中压引气端口提供的引气的压力不足的情况下，该形式的引气系统能够保证经由中级引气端口流出的引气仍然作为供气源来为下游用气系统供气。

[0048] 引射器20的引射排出管路23上优选设有如图1所示的引射单向活门25。引射单向活门25可作为引射器20是否参与工作的控制开关。此外，作为单向活门形式的引射单向活门25，其有利于避免高压引气逆向地流入引射器20的出口内。

[0049] 在高压供气管路12中不通向引射器20的支路上优选设有高压控制活门16。此外，引向引射器20的喷嘴入口的第二引射管路22上设有引射控制活门24。通过控制引射控制活门24的开度，系统可以调节引射器20出口端的引气压力和经由引射器20作用后的引气量。在仅有高压控制活门16被开启时，通过控制高压控制活门16的开度，高压引气量能够被控制，进而使得引气汇总管路17上用做下游用气系统用气的引气压力被精确地控制。

[0050] 以下说明根据图1、2的用于飞行器的发动机引气系统100的引气控制方法。该引气控制方法包括以下步骤：

[0051] 首先判断飞行器的飞行状态。飞行器的飞行状态可通过检测飞行器的飞行速度、飞行高度、飞行器所在位置的气压、起落架的位置等方式进行判断。

[0052] 当判断飞行器处于起飞、爬升和巡航初期中的任一状态时，关闭高压供气管路14上的高压控制活门16和第二引射管路22上的引射控制活门24并开启中压供气管路13中的中压单向活门15。在飞行器处于上述起飞、爬升和巡航初期阶段时，发动机被设定在大功率工作状态，来自压气机10的中压供气端口11因此能够提供具有较大压力的中压引气。此时，在各用气系统的正常工作状况下，中压引气能够提供满足各用气系统用气需求的引气(空气)。

[0053] 当判断飞行器处于下降、进场和地面滑行中的任一状态时，开启高压供气管路14上的高压控制活门16，并关闭第二引射管路22上的引射控制活门24和中压供气管路13中的中压单向活门15。在飞行器处于上述下降、进场和地面滑行时，发动机被设定在小功率工作状态，来自压气机10的中压供气端口11因此无法提供具有较大压力的中压引气。此时，压气机10的高压供气端口12被打开，高压控制活门16被开启，引射控制活门24、引射单向活门25以及中压单向活门15被关闭。压气机10的高压供气端口12此时向外供气。

[0054] 在巡航阶段中，可根据下游用气系统的用气量来选择性地启动或关闭引射器20。

[0055] 根据本发明的一种优选实施方式，将飞行器处于巡航初期阶段的中压供气端口的压力值P0设定成基准，当中压供气端口的压力值P小于95％×P0时，开启引射控制活门24以及位于引射器出口处的引射单向活门25，并关闭所述高压控制活门16和中压单向活门15，使得发动机引气系统进入引射状态。

[0056] 优选地，当位于高压供气管路14和中压供气管路13的连接处S的下游处的压力值(即压力传感器30所检测到的压力值)小于压力阈值T1时，开启引射控制活门24以及位于引射器20出口处的引射单向活门25，并关闭中压单向活门15和高压控制活门16，使得引射器20进入引射状态。其中压力阈值T1由用气系统的用气量定义。用气系统的用气量事实上由系统采集各个用气系统中的开关的开度大小来获得。

[0057] 更优选地，当压力传感器30测得的压力值P小于设定值T2时，引射器20开始进入引射状态，其中设定值T2满足：

[0058] 92％*T1≤T2≤98％*T1。

[0059] 对于飞行器的整个飞行过程，也即起飞‑爬升‑巡航‑下降‑进场‑地面滑行的过程，本发明的引气系统的供气形式一般如下控制：中压供气‑中压供气‑引射器供气或中压供气或高压供气‑高压供气‑高压供气‑高压供气。

[0060] 应理解，上述起飞、爬升、巡航初期以及下降、进场和地面滑行只是判断是否启用引射器20的一种条件之一。在压力传感器30检测到引气汇总管路17的压力无法满足用气系统的用气需求时，引射器20会对应地被开启。

[0061] 与现有技术相比，本申请的优势在于：

[0062] 1)使用引射支路供气提高中压引气口的压力，解决在巡航末端中压引气口压力降低导致空调组件70温度调节和流量不满足要求的问题；

[0063] 2)避免在巡航阶段切换至高压级引气，从而避免发动机引气超温而导致供气中断的情况，提高飞机运营效率，降低事故症候率；

[0064] 3)避免因切换至高压级引气所带来的燃油消耗提升，提高运营经济性；

[0065] 4)降低空调组件70的设计难度和重量，若空调组件70在较低的来流压力需要正常工作，则需要增大其换热器的尺寸并提高空气循环机的膨胀比，使得空调组件70的尺寸和重量的大大增加。采用本申请所公开方案，能避免以上问题，从而降低空调组件70的设计难度和重量。

[0066] 最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

[0067] 附图标记：

[0068] 发动机引气系统：100。引气机：10。

[0069] 中压供气端口：11。

[0070] 高压供气端口：12。

[0071] 中压供气管路：13。

[0072] 高压供气管路：14。

[0073] 中压单向活门：15。

[0074] 高压控制活门：16。

[0075] 引气汇总管路：17。

[0076] 引射器：20。

[0077] 第一引射管路：21。

[0078] 第二引射管路：22。

[0079] 引射排出管路：23。

[0080] 引射控制活门：24。

[0081] 引射单向活门：25。

[0082] 压力传感器：30。

[0083] 压力调节关断活门：40。预冷器：50。

[0084] 引气控制器：60。

[0085] 空调组件：70。

[0086] 连接处：S。

[0087] 引射器的高压引气入口：1。引射器的中压引气入口：2。引射器的喷嘴：3。

[0088] 引射器的接收室：4。

[0089] 引射器的混合室：5。

[0090] 引射器的扩压室：6。