一种基于对转压气机的机载电动环控气冷系统

技术领域

本发明涉及飞机环控系统领域，具体涉及一种基于对转压气机的机载电动环控气冷系统。

背景技术

环控气冷系统为飞机电子设备和座舱提供冷却空气，随着飞机座舱和电子设备散热功率增加，以及飞机久航远航指标提升，提高环控气冷系统效能是未来飞机环控系统的重要需求。

典型机载系统气冷系统的基本原理是，从发动机高压压气机获取高温高压气源，通过空气或液体散热器进行等压降温，然后进入制冷涡轮后膨胀降温，获得低温常压气体。如果高温高压气源不是从发动机获取，而是利用电动压缩机直接压缩空气获得，则称为多电环控气冷系统。

由于发动机高压压气气源温度过高，环控系统一般需要使用多个散热器串联使用才能满足涡轮入口温度要求，导致系统重量大，发动机油耗增加。为解决发动机引气的能源浪费问题，以B787飞机为代表的多电机载系统开始使用电动压缩机替代发动机引气为环控系统提供高压气源以降低发动机油耗和增加航程，但由于电机功重比和电动压缩机本身效能限制，电动气冷环控系统体积重量仍较大，只有在高升阻比、远航程飞机(如民航客机)上才能形成综合燃油消耗收益，在高速飞机上无法应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于对转压气机的机载电动环控气冷系统，利用对转压气机压气效率高的特点，利用电动压缩机压气机和涡轮机负载压气机集成为一对对转压气机，缩减系统体积，并在同样的转速和外界大气条件下提高涡轮入口压力，在同样电功耗下提高制冷功率，或同样制冷功率下降低电功耗。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种基于对转压气机的机载电动环控气冷系统，包含机表环控引气口、两台轴流式压气机，对转压气机机匣，电动机，冷却涡轮和空气散热器，其中台正转压气机通过轴承与冷却涡轮相连，冷却涡轮膨胀做功时带动正转压气机旋转对空气进行压缩；另一台反转压气机通过轴承与电动机相连，电动机做功时带动反转压气机旋转对空气进行压缩；套压气机装在压气机机匣中，反转压气机的空气出口与正转压气机的入口相连，当两台压气机旋转方向相反时，形成一套对转压气机。

进一步地，机表环控引气口从飞机环境或发动机低压转子引入常温常压空气，通过管路进入压气机机匣，在机匣中气体首先经过电动机所带的反转动压机的空气入口，通过反转动压机旋转做功后升高压力和温度，从反转动压机的空气出口排出后直接进入正转压气机空气入口；经过次压缩后形成的高温高压空气从正转压气机的空气出口流出后，经过机匣出口管路进入空气换热器，利用从机表环控引气口引入的常温常压空气进行冷却，通过等压排热的热力学过程形成常温高压空气，然后通过管路进入冷却涡轮，膨胀降温后形成常压低温空气，最后进入座舱或电子设备舱实现空气制冷。

进一步地，所述两台轴流式压气机包括反转动压机以及正转压气机。

进一步地，反转压气机的入口压力为50～100Kpa，温度为-10～15℃。

进一步地，正转压气机入口压力为80～150Kpa，温度为9～40℃，正转压气机出口总压力不小于300Kpa。

进一步地，冷却涡轮出口的流量为≥1000kg/h。

进一步地，电动机的功耗为10～15kw，整个系统的制冷量为3～5kw。

一种飞机，所述飞机采用基于对转压气机的机载电动环控气冷系统。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

1.两台压气机对转运行比传统两台压气机串联架构的压比更高，效率更高。

2.两台压气机集成在1个机匣中比传统两台压气机串联架构的体积重量更小。

3.两台压气机分别由电机和涡轮驱动，不用共轴安装，降低系统设计、制造和控制难度。

4.气流在机匣中先经过电机驱动的压气机压缩，有利于系统起动和控制。

5.由于对转压气机的第二级气流入口矢量角度大，负荷更高，使用涡轮进行驱动有利于提高涡轮负载，提高涡轮制冷效率。

附图说明

图1为本发明系统的整体结构示意图。

具体实施方式

空气循环制冷具有使用空气为制冷媒介，制冷温度梯度高，无液体介质泄露风险等优点，是机载制冷功能的重要实现方式。电动气冷环控系统利用电动压缩机替代直接从发动机高压压气机引气，降低发动机油耗和推力损失，B787、A350等先进民用飞机均采用电动气冷环控系统。随着飞机制冷功率需求和飞行速度要求增长，电环控气冷系统在大功率，高温差工况下压缩机效能低，电机功率需求大的缺点更加明显。本发明基于对转压缩机技术，提出一种基于电机和冷却涡轮两种动力源驱动对转压气机的环控气冷方案，利用对转压气机压气效率高，结构紧凑的特点，提升电动气冷系统压缩效能，从而提升系统制冷能力，降低功耗。

参见附图，本发明提供了一种基于对转压气机的机载电动环控气冷系统，包含机表环控引气口1、两台轴流式压气机，对转压气机机匣3，电动机5，冷却涡轮13和空气散热器10组成，其中1台正转压气机8通过轴承12与冷却涡轮13相连，冷却涡轮13膨胀做功时带动正转压气机8旋转对空气进行压缩(涡轮、轴承和压气机构成涡轮压气机)；另一台反转压气机4通过轴承6与电动机5相连，电动机5做功时带动反转压气机4旋转对空气进行压缩(电机、轴承和压气机构成电动压气机)；2套压气机装在压气机机匣3中，反转压气机4的空气出口与正转压气机8的入口相连，当两台压气机旋转方向相反时，形成一套对转压气机；机表环控引气口1可从飞机环境或发动机低压转子引入常温常压空气2，通过管路进入压气机机匣，在机匣中气体首先经过电动机5所带的反转动压机4的空气入口，通过反转动压机4旋转做功后升高压力和温度，从反转动压机4的空气出口排出后直接进入正转压气机8空气入口，根据对转压气机原理，由于两台压气机转动方向相反，导致从反转动压机4空气出口流出气流速度矢量与正转压气机8空气入口叶片夹角大于传统两级压气机，使得对转压气机的效能提升；经过2次压缩后形成的高温高压空气9从正转压气机8的空气出口流出后，经过机匣出口管路进入空气换热器10，利用从机表环控引气口1引入的常温常压空气16进行冷却，通过等压排热的热力学过程形成常温高压空气11，然后通过管路进入冷却涡轮13，膨胀降温后形成常压低温空气14，最后进入座舱或电子设备舱实现空气制冷。

本方案中，反转压气机4的入口压力为50～100Kpa，温度为-10～15℃；正转压气机8入口压力为80～150Kpa，温度为9～40℃，正转压气机8出口总压力不小于300Kpa。

冷却涡轮13出口的流量为≥1000kg/h。

电动机5的功耗为10～15kw，整个系统的制冷量为3～5kw。

实施例：

下面对本专利进行详细说明，图1是一种基于对转压气机的机载电动环控气冷系统原理图，该系统的功能是从飞机机外环境引入常温常压空气，经过压缩，散热，膨胀制冷后形成低温常压空气，进入电子设备舱冷却电子设备。具体实施方案是，系统由环控机表冲压引气口1，对转压气机机匣3，反转轴流式压气机4，正转轴流式压气机8，电机5，电机轴承6，涡轮冷却器13，涡轮轴承12，空气换热器10组成。其中反转轴流式压气机4和正转轴流式压气机8安装在对转压气机机匣3中；共同形成流道，反转轴流式压气机4通过电机轴承6和电机5连接，工作时逆时针旋转；正转轴流式压气机8通过涡轮轴承12和涡轮冷却器13连接，工作时顺时针旋转。

其工作原理是，环境空气从飞机机表环控引气口1进入系统后，分为两股常温常压气流，其中常温常压空气2直接进入对转压气机机匣3中的反转压气机4，电动机5带动反转压气机4转动对气流做功，完成气流的第一次压缩，然后完成第一次压缩的高温高压气体7继续进入正转压气机8，冷却涡轮13带动正转压气机8转动对气流做功，形成高温高压空气9，进入空气散热器10，空气散热器10利用从机表环控引气口1引入的常温常压空气16冷却高温高压空气9，形成常温高压空气11，进入冷却涡轮13膨胀做功，常温高压空气11在冷却涡轮13中的膨胀过程将内能转化为机械，一方面自身温度降低，实现空气制冷，另一方面转化的机械功成为正转压气机8的驱动能源，维持系统运转；经过冷却涡轮13后形成的低压常温空气14供给飞机的电子设备舱15。

本发明中，采用两台轴流式压气机压缩空气，两台压气机集成在1个机匣中，气流从一台压气机出口直接进入另一台压气机出口，旋转方向相反，形成对转压气机；1台压气机由电机轴承驱动，另一台压气机由膨胀涡轮轴承驱动，两台压气机不共用轴承；空气从引气口引入压气机机匣，先经过电气轴承驱动的压气机，再经过涡轮轴承驱动的压气机。

以上实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。