СИСТЕМА КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА НА САМОЛЕТЕ Российский патент 2001 года по МПК B64D13/08 

Изобретение относится к средствам обработки воздуха, отбираемого от компрессора маршевого двигателя для охлаждения тепловыделяющего оборудования и создания комфортных условий в кабине экипажа.

Преимущественной областью применения является многорежимные самолеты с небольшим экипажем и с большим количеством тепловыделяющего оборудования.

Размещение тепловыделяющего оборудования в различных отсеках и большой расход охлажденного воздуха, подаваемого к нему на большинстве режимов при том, что в кабину экипажа на различных режимах может подаваться холодный или теплый воздух, создает трудность оптимизации распределения воздуха.

В качестве ближайшего аналога предложено использовать систему кондиционирования на самолете, раскрытую в книге Г.И. Воронин. Система кондиционирования воздуха на летательных аппаратах. M.: Машиностроение, 1973, с. 175. Здесь главное внимание уделяется максимальной надежности и максимальному уменьшению массы системы и герметической кабины.

При сверхзвуковых скоростях полета температура торможения наружного воздуха возрастает настолько, что при охлаждении в теплообменнике температура кабинного воздуха перед турбохолодильником остается слишком высокой. Чтобы поддерживать температуру кабинного воздуха перед входом в кабину в заданных пределах, приходится вводить третью ступень охлаждения. Для этого, кроме воздухо-воздушных теплообменников и турбохолодильников, часто устанавливают испарительные теплообменники, воздух в которых охлаждается за счет скрытой теплоты испарения хладагентов. Испарительные теплообменники работают по открытому циклу.

В основу изобретения положено решение задачи оптимизации обработки и распределения воздуха, располагаемого расхода при обеспечении требуемых условий термостатирования кабины экипажа и оборудования.

Для решения поставленной задачи в системе кондиционирования воздуха на самолете, содержащей средства отвода сжатого воздуха от компрессора газотурбинного двигателя силовой установки самолета, охлаждения его заборным воздухом и топливом и последующего расширения с понижением температуры, а также средства ограничения влажности и регулирования расхода и температуры воздуха, подаваемого по соответствующим магистралям в гермокабину экипажа и негерметичные отсеки с оборудованием, обводную магистраль горячего и средства сброса за борт отработанного воздуха согласно изобретению магистрали подачи воздуха на охлаждение оборудования, размещенного в носовом отсеке самолета и его подвесных изделиях подключена к магистрали подачи охлажденного воздуха на охлаждение оборудования, размещенного в закабинном отсеке, и через эту магистраль - к магистрали подачи охлажденного воздуха в гермокабину экипажа на участке перед местом подключения к ней обводной магистрали горячего воздуха.

Отключение объединенной магистрали подачи охлажденного воздуха к оборудованию в носовом и закабинном отсеках и в подвесных изделиях от конечного участка смешения охлажденного и горячего воздуха сужает число параметров, подлежащих регулированию.

В большинстве случаев предпочтительно, если средства расширения воздуха с понижением его температуры включают в себя два турбохолодильника разной холодопроизводительности при том, что вход одного из турбохолодильников соединен с магистралью охлаждаемого сжатого воздуха через параллельно включенные дюзу и запорный клапан, управляемый по сигналу давления охлаждаемого воздуха.

Управление величиной проходного сечения магистрали на входе в турбохолодильник в зависимости от давления воздуха способствует ограничению диапазона изменения расхода охлаждаемого воздуха на переменных режимах работы силовой установки самолета.

При этом целесообразно, если выход турбохолодильника меньшей холодопроизводительности соединен с магистралью охлажденного воздуха двумя воздухопроводами, один из которых снабжен дюзой и подключен к обводному воздухопроводу, соединяющему магистраль охлажденного воздуха с участком магистрали горячего и сжатого воздуха между ограничителем расхода за воздухо-воздушным теплообменником и топливовоздушным теплообменником. Подмешивание горячего воздуха к выходу двух турбохододильников от одного обводного воздухопровода стабилизирует процесс термостатирования.

Предпочтительно также, если обводная магистраль горячего воздуха снабжена сетевым регулятором давления и соединена с магистралью охлаждаемого воздуха тремя трубопроводами на участках:
- перед воздухо-воздушным теплообменником,
- между воздухо-воздушным теплообменником и ограничителем расхода перед топливовоздушным теплообменником и
- за топливовоздушным теплообменником.

Использование трех уровней температуры горячего воздуха, подаваемого в гермокабину, способствует оптимизации динамических параметров регулирования.

При этом целесообразно, если обводной магистрали горячего воздуха между участками подключения ее к выходам воздухо-воздушного и топливовоздушного теплообменников установлена регулирующая заслонка, управляемая посредством регулятора температуры воздуха в кабине через концевой выключатель открытого положения регулирующей заслонки, установленной в обводной магистрали горячего воздуха перед или за сетевым регулятором давления, и подключенная электроприводом закрытия к сигнализатору числа Маха.

Последовательное управление заслонками в магистрали горячего воздуха совместно с работой регулятора давления при контролируемом увеличении скорости полета обеспечивает стабилизацию параметров регулирования на режиме обогрева гермокабины.

В некоторых случаях в систему необходимо ввести устройство охлаждения оборудования наружным воздухом под скоростным напором, включающее выдвижной воздухозаборник, подключенный напорным воздухопроводом к магистрали подачи воздуха на охлаждение оборудования и приводной электромеханизм воздухозаборника, связанный на закрытие с любым из следующих сигнализаторов:
- сигнализатором температуры воздуха в магистрали подачи воздуха на охлаждение оборудования,
- сигнализатором давления воздуха перед турбохолодильниками,
- сигнализатором числа М полета,
- сигнализатором давления наружного воздуха,
- сигнализатором температуры наружного воздуха.

Выдвижной воздухозаборник восполняет недостаток охлаждающего воздуха от компрессора маршевого двигателя. При этом выдвижение воздухозаборника может быть обусловлено одним или несколькими параметрами:
- повышенной температурой охлажденного воздуха,
- недостаточным давлением охлаждаемого воздуха,
- понижением скорости полета,
- достаточно большой высотой полета,
- достаточно низкой температурой наружного воздуха.

Кроме того, может оказаться целесообразным, если в систему введено устройство перенастройки регулятора расхода в магистрали подачи воздуха на охлаждение оборудования с возможностью изменения расхода при работе системы на обогрев кабины экипажа.

Подмес охлажденного воздуха в кабину экипажа при необходимости ее обогрева может вызвать перерасход горячего воздуха. Перенастройка высвобождает охлажденный воздух для оборудования.

При этом предпочтительно, если устройство перенастройки включает в себя пневмоклапан, установленный с возможностью сброса воздуха из воздушной линии управления, соединяющей пневмопривод регулятора расхода в магистрали подачи воздуха на охлаждение оборудования, с участком пониженного давления датчика расхода воздуха в магистрали подачи воздуха в гермокабину экипажа, а управляющая обмотка электропривода этого пневмоклапана соединена с источником электропитания через концевой выключатель открытого положения регулирующей заслонки в обводной магистрали горячего воздуха, причем воздушная линия управления соединена с пневмоприводом регулятора расхода с возможностью увеличения расхода воздуха на охлаждение оборудования.

Сброс давления при полностью открытой заслонке горячего воздуха понижает давление в пневмоприводе на закрытие регулятора расхода, что ведет к увеличению расхода охлажденного воздуха к оборудованию.

Далее изобретение поясняется конкретным примером его реализации со ссылками на позиции прилагаемой схемы, на которой изображена патентуемая система.

Система кондиционирования воздуха на самолете, содержит средства 1 отбора сжатого горячего воздуха от компрессора газотурбинного двигателя силовой установки самолета. Система содержит также средства 2 охлаждения отобранного воздуха забортным воздухом и средства 3 охлаждения его топливом. Система содержит средства 4 последующего расширения отобранного воздуха с понижением его температуры, а также средства 5 ограничения влажности и средства регулирования расхода и температуры воздуха. Для подачи воздуха система содержит соответствующие магистрали: в гермокабину 6 экипажа - магистраль 7, а в негерметичные отсеки 8, 9, 10 с оборудованием - магистраль 11. Система содержит также обводную магистраль 12 горячего и средства 13 сброса за борт отработанного воздуха. Магистрали 14, 15 подачи воздуха на охлаждение оборудования, размещенного в носовом отсеке 8 самолета и его подвесных изделиях 10 подключены к магистрали 16 подачи охлажденного воздуха на охлаждение оборудования, размещенного в закабинном отсеке 9. Через магистраль 11 магистрали 14, 15, 16, подключены к магистрали 17 подачи охлажденного воздуха на участке перед местом подключения к ней обводной магистрали 12 горячего воздуха.

Средства 4 расширения воздуха с понижением его температуры включают в себя два турбохолодильника 18 и 19 разной холодопроизводительности. Вход турбохолодильника 19 соединен с магистралью 20 охлаждаемого сжатого воздуха через параллельно включенные дюзу 21 и запорный клапан 22, управляемый по сигналу датчика 23 давления охлаждаемого воздуха.

Выход турбохолодильника 19 меньшей холодопроизводительности соединен с магистралью охлажденного воздуха двумя воздухопроводами, один из которых - 24 снабжен дюзой 25 и подключен к обводному воздухопроводу 26, соединяющему магистраль 17 охлажденного воздуха с участком 27 магистрали горячего сжатого воздуха между ограничителем 28 расхода за воздухо-воздушным теплообменником 29 и топливовоздушным теплообменником 30.

Обводная магистраль 12 горячего воздуха снабжена сетевым регулятором 31 давления и соединена с магистралью охлаждаемого воздуха тремя трубопроводами - 32,33,34 на участках:
- перед воздухо-воздушным теплообменником 29 через дюзу 35,
- между воздухо-воздушным теплообменником 29 и ограничителем 28 расхода перед топливовоздушным теплообменником 30 через обратный клапан 36,
- за топливовоздушным теплообменником 30 через обратный клапан 37.

В обводной магистрали 12 горячего воздуха между участками подключения ее к выходам воздухо-воздушного 29 и топливовоздушного 30 теплообменников установлена регулирующая заслонка 38. Управление заслонкой 38 осуществляется посредством регулятора 39 температуры воздуха через концевой выключатель (не показан) открытого положения регулирующей заслонки 40, установленной в обводной магистрали 12 горячего воздуха перед или за сетевым регулятором 31 давления. Заслонка 38 подключена электроприводом закрытия (не показан) к сигнализатору 41 числа Маха.

Описываемая система содержит также устройство охлаждения оборудования наружным воздухом под скоростным напором. Это устройство включает в себя выдвижной воздухозаборник 42, подключенный напорным воздухопроводом 43 к магистрали 16 подачи воздуха на охлаждение оборудования, и приводной электромеханизм 44 воздухозаборника, связанный на закрытие с любым из следующих сигнализаторов:
- сигнализатором 45 температуры воздуха в магистрали подачи воздуха на охлаждение оборудования,
- датчиком 23 давления воздуха перед турбохолодильниками 18, 19,
- сигнализатором 41 числа М полета,
- сигнализатором 46 давления наружного воздуха,
- сигнализатором 47 температуры наружного воздуха.

В систему введено устройство перенастройки регулятора 48 расхода в магистрали 11 подачи воздуха на охлаждение оборудования с возможностью изменения расхода при работе системы на обогрев гермокабины 6 экипажа.

Устройство перенастройки включает в себя пневмоклапан 49, установленный с возможностью сброса воздуха из воздушной линии 50 управления, соединяющей пневмопривод 51 регулятора 48 расхода в магистрали 11 подачи воздуха на охлаждение оборудования, с участком пониженного давления датчика 52 расхода воздуха в магистрали 53 подачи воздуха в гермокабину 6 экипажа, а управляющая обмотка электропривода (не показаны) пневмоклапана 49 соединена с источником электропитания (не показан) через концевой выключатель открытого положения (не показан) регулирующей заслонки 40 в обводной магистрали 12 горячего воздуха. Воздушная линия 50 управления соединена с пневмоприводом 51 регулятора 48 расхода с возможностью увеличения расхода воздуха на охлаждение оборудования.

Рассмотрим работу системы кондиционирования воздуха. Сжатый горячий воздух через средства 1 отбора от компрессора газотурбинного двигателя силовой установки самолета проходит через регулятор избыточного давления 54, ограничивающий величину давления на своем выходе и поступает на вход охлаждаемой полости воздухо-воздушного теплообменника 29. Через продувочную полость теплообменника 29 проходит охлаждающий забортный воздух под действием скоростного напора набегающего потока во время полета или под действием разрежения в выходной магистрали продувочной полости, создаваемого, например, эжектором 55 при работе системы кондиционирования воздуха на стоянке. Рабочий воздух эжектора 55 подается с помощью запорного клапана 56, открывающегося при выпуске шасси самолета. После охлаждения забортным воздухом в теплообменнике 29 горячий сжатый воздух проходит через ограничитель расхода 28, выполненный в виде трубки Вентури. Далее воздух охлаждается до более низкой температуры, проходя через топливовоздушный теплообменник 30, за счет передачи тепла к топливу, поступающему в двигатель. На выходе теплообменника 30 установлен влагоотделитель 57 для отвода образовавшегося конденсата влаги.

Последней стадией охлаждения воздуха являются средства 4 расширения его с отводом энергии в виде механической работы в окружающую среду. Такими средствами служат два турбохолодильника 18 и 19 разной холодопроизводительности. При этом охлаждаемый сжатый воздух на участке 29 магистрали поступает на вход одного из турбохолодильников через параллельно включенные дюзу 21 и запорный клапан 22. Запорный клапан 22 открывается по сигналу датчика 23 при уменьшении давления охлаждаемого воздуха на входе во второй турбохолодильник 18 до определенной величины. Дюза 21 служит для выбора величины давления на входе в турбохолодильник 19 и, следовательно, расхода охлаждаемого воздуха через турбохолодильник 19 при закрытом клапане 22. Таким образом обеспечивается ограничение диапазона изменения расхода охлаждаемого воздуха при изменении давления, создаваемого компрессором двигателя силовой установки на переменных режимах его работы.

Термостатирование охлажденного воздуха в магистрали 17 на уровне на несколько градусов выше 0^oC, необходимое, с одной стороны, для предотвращения блокировки магистрали 17 при обмерзании ее, а также влагоотделителя 58, и, с другой стороны, для обеспечения максимальной холодопроизводительности, осуществляется путем подмеса горячего воздуха через обводной воздухопровод 26 в процессе регулирования температуры с помощью блока управления температурой 59, датчика температуры 60 и регулирующей заслонки 61. При этом подмес осуществляется из общего воздухопровода 26 к выходу обоих турбохолодильников 18 и 19. Тем самым сокращается состав средств термостатирования и стабилизируется его процесс.

В магистраль 7 подачи воздуха в гермокабину 6 поступает смесь охлажденного и горячего воздуха соответственно через магистраль 17 и магистраль 12. При этом в обводную магистраль 12 горячий воздух поступает в свою очередь в соответствии с температурным режимом гермокабины 6 от магистрали охлаждаемого воздуха на участке перед теплообменником 29 через турбопровод 32, на участке между теплообменником 29 и ограничителем 28 расхода через турбопровод 33 и на участке за теплообменником 30 через турбопровод 34. Благодаря этому реализуется возможность использовать в процессе регулирования температурного режима гермокабины 6 все три имеющихся температурных уровня охлаждаемого воздуха для магистрали 12 горячего воздуха, подаваемого в гермокабину 6, что способствует оптимизации динамических параметров регулирования. Обратные клапаны 36 и 37 предназначены для предотвращения протекания горячего воздуха в магистраль 20 охлаждаемого воздуха. Дюза 35 служит для подбора соотношения расходов воздуха в турбопроводах 32 и 33.

Регулирование температуры воздуха в гермокабине 6 осуществляется путем изменения расхода и температуры воздуха, поступающего в гермокабину 6 из обводной магистрали 12, для чего служит регулятор 39 температуры, к которому подключен задатчик 62 и датчик 63 температуры воздуха в гермокабине 6, датчик 64 температуры воздуха на входе в гермокабину 6. Регулятор 39 управляет регулирующими заслонками 38 и 40 в обводной магистрали 12 горячего воздуха, причем начало подачи горячего воздуха и увеличение его расхода осуществляется путем открытия заслонки 40, а дополнительное увеличение расхода горячего воздуха и повышение его температуры происходит при открытии заслонки 38. Управление заслонкой 38 производится через концевой выключатель (не показан) открытого положения заслонки 40. Сетевой регулятор давления обеспечивает ограничение давления воздуха и его расхода в магистрали 12. Таким образом, последовательное управление заслонками 40 и 38, а также работа регулятора 31 дает возможность стабилизировать параметры горячего воздуха на выходе магистрали 12 в процессе регулирования температуры воздуха в гермокабине 6, чему дополнительно способствует сигнал увеличения числа М, подаваемый к электроприводу закрытия (не показан) заслонки 38 от сигнализатора 41.

Для обеспечения охлаждения оборудования при уменьшении расхода охлажденного воздуха на малых и средних скоростях полета и больших и средних высотах полета предусмотрена дополнительная подача наружного воздуха через выдвижной воздухозаборник 42, приводимый в действие электромеханизмом 44, получающим сигнал на закрытие при увеличении высоты полета от сигнализатора 46 давления наружного воздуха, при увеличении скорости полета от сигнализатора 41 числа М полета, при увеличении давления воздуха перед турбохолодильниками 18,19, от датчика 23, при увеличении температуры в магистрали 14 подачи воздуха на охлаждение оборудования от сигнализатора 45 или при увеличении температуры наружного воздуха от сигнализатора 47.

На режимах крейсерского полета, когда мало давление сжатого воздуха, создаваемое компрессором двигателя и, следовательно, мал расход охлажденного воздуха, а кондиционирование воздуха в гермокабине 6 находится в режиме обогрева и при полном открытии заслонки 40, начинает открываться заслонка 38, выдается сигнал на включение пневмоклапана 49, открывающего сброс воздуха из воздушной линии 50 управления пневмопривода 51 регулятора 48 расхода в магистрали 11 подачи воздуха на охлаждение оборудования. Вследствие этого регулятор 48 полностью открывает свое проходное сечение и подмес охлажденного воздуха из магистрали 17 в гермокабину 6 прекращается. В результате предотвращается перерасход горячего воздуха, а охлажденный воздух высвобождается для подачи к оборудованию в негерметичных отсеках 8, 9, 10.

Воздух в гермокабину 6 подается по магистрали 7, а в негерметичные отсеки 8, 9, 10 - по магистрали 11. Отработанный воздух сбрасывается из гермокабины 6 через выпускные устройства 13. К оборудованию, размещенному в носовом отсеке 8, подвесных изделиях 10 и закабинном отсеке 9 охлажденный воздух подается соответственно по магистралям 14,15, и 16. При этом магистрали 14, 15, и 16 подключены через магистраль 11 к магистрали 17 до места соединения последней с обводной магистралью 12 горячего воздуха, благодаря чему зона подачи охлажденного воздуха к оборудованию (магистрали 11, 14, 15, 16) изолирована от зоны кондиционирования гермокабины 6 (магистрали 53, 7) обратным клапаном 65, что исключает влияние работы обводной магистрали 12 горячего воздуха на холодопроизводительность системы по негерметичным отсекам 8, 9, 10 с оборудованием и тем самым сужает число параметров, подлежащих регулированию.

Изобретение относится к средствам обработки воздуха. Система кондиционирования содержит средства для отвода сжатого горячего воздуха от компрессора газотурбинного двигателя, для охлаждения его забортным воздухом и топливом и для последующего расширения с понижением температуры. Система также содержит средства регулирования влажности, расхода и температуры воздуха. Магистрали подачи воздуха на охлаждение оборудования в носовом отсеке самолета и в подвесных изделиях подключены к магистрали подачи охлажденного воздуха на охлаждение оборудования закабинного отсека и. через эту магистраль - к магистрали подачи охлажденного воздуха в гермокабину экипажа. Такое выполнение системы решает задачу оптимизации обработки и распределения воздуха. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система кондиционирования воздуха на самолете, содержащая средства отвода сжатого горячего воздуха от компрессора газотурбинного двигателя силовой установки самолета, охлаждения его заборным воздухом и топливом и последующего расширения с понижением температуры, а также средства ограничения влажности и регулирования расхода и температуры воздуха, подаваемого по соответствующим магистралям в гермокабину экипажа и негерметичные отсеки с оборудованием, обводную магистраль горячего и средства сброса за борт отработанного воздуха, отличающаяся тем, что магистрали подачи воздуха на охлаждение оборудования, размещенного в носовом отсеке и подвесных изделиях самолета, подключены к магистрали подачи охлажденного воздуха на охлаждение оборудования, размещенного в закабинном отсеке, и через эту магистраль - к магистрали подачи охлажденного воздуха в гермокабину экипажа на участке перед местом подключения к ней обводной магистрали горячего воздуха, средства расширения воздуха с понижением его температуры включают в себя два турбохолодильника разной холодопроизводительности при том, что вход одного из турбохолодильников соединен с магистралью охлаждаемого сжатого воздуха через параллельно включенные дюзу и запорный клапан, управляемый по сигналу давления охлаждаемого воздуха, сетевой регулятор давления, установленный в обводной магистрали горячего воздуха перед местом соединения ее с магистралью подачи воздуха в гермокабину: перед воздухо-воздушным теплообменником, между воздухо-воздушным теплообменником и ограничителем расхода перед топливо-воздушным теплообменником, за топливо-воздушным теплообменником. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в нее введено устройство охлаждения оборудования наружным воздухом, под скоростным напором, включающее выдвижной воздухозаборник, подключенный напорным воздухопроводом к магистрали подачи воздуха на охлаждение оборудования и приводной электромеханизм воздухозаборника, связанный на закрытие с любым из следующих сигнализаторов: сигнализатором температуры воздуха в магистрали подачи воздуха на охлаждение оборудования, сигнализатором давления воздуха перед турбохолодильниками, сигнализатором числа М полета, сигнализатором давления наружного воздуха, сигнализатором температуры наружного воздуха. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что в нее введено устройство перенастройки регулятора расхода в магистрали подачи воздуха на охлаждение оборудования с возможностью изменения расхода при работе системы на обогрев кабины экипажа. 4. Система по п.3, отличающаяся тем, что устройство перенастройки включает в себя пневмоклапан, установленный с возможностью сброса воздуха из воздушной линии управления, соединяющей пневмопривод регулятора расхода в магистрали подачи воздуха на охлаждение оборудования с участком пониженного давления датчика расхода воздуха в магистрали подачи воздуха в гермокабину экипажа, а управляющая обмотка электропривода этого пневмоклапана соединена с источником электропитания через концевой выключатель открытого положения регулирующей заслонки в обводной магистрали горячего воздуха, причем воздушная линия управления соединена с пневмоприводом регулятора расхода с возможностью увеличения расхода воздуха на охлаждение оборудования.