СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ВОЗДУШНОГО СУДНА Российский патент 2013 года по МПК B64D33/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится системе охлаждения воздушного судна, которая пригодна, в частности, для охлаждения системы топливных элементов, установленной на борту воздушного судна.

Уровень техники

Системы топливных элементов позволяют получать электрическую энергию при низком уровне выбросов и с высоким коэффициентом полезного действия. Поэтому в настоящее время имеются тенденции применять системы топливных элементов в различных транспортных устройствах, например в автомобильной технике, судоходстве или в авиации, для получения электрической энергии. Так, например, представляется возможным заменить в воздушном судне генераторы, которые в настоящее время используются для бортового электропитания и имеют привод от основных двигателей или вспомогательных турбин, на систему топливного элемента. Кроме того, систему топливного элемента можно использовать также для аварийного электропитания воздушного судна и заменить турбину с приводом от набегающего воздуха (Ram Air Turbine, RAT), применяемую в настоящее время для этих целей.

Наряду с электрической энергией топливный элемент в процессе функционирования вырабатывает тепловую энергию, которую необходимо отводить от него при помощи системы охлаждения для того, чтобы исключить перегрев топливного элемента. Так, например, топливный элемент, применяемый на воздушном судне для бортового электропитания, должен удовлетворять высокую потребность в электрической энергии. Однако топливный элемент, мощный с точки зрения выработки электрической энергии, вырабатывает также большое количество тепловой энергии и поэтому требует эффективного охлаждения. Кроме того, на борту воздушного судна предусмотрено наличие множества других технических устройств, которые вырабатывают теплоту и нуждаются в охлаждении для обеспечения надежного функционирования. К таким техническим устройствам относятся, например, установки кондиционирования воздуха или электронные компоненты воздушного судна.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является обеспечение компактной системы охлаждения воздушного судна, которая даже при высоких температурах окружающей среды обеспечивает надежный и эффективный отвод больших тепловых нагрузок от тепловыделяющего устройства, имеющегося на борту воздушного судна, например, от системы топливных элементов.

Для решения этой задачи система охлаждения воздушного судна согласно изобретению содержит охлаждающий элемент, который содержит корпус, впускное отверстие для охлаждающего воздуха, выполненное в корпусе, а также множество теплообменников, расположенных на боковых сторонах корпуса, через которые проходит охлаждающий воздух, поступающий через впускное отверстие для охлаждающего воздуха. Охлаждающий элемент может иметь корпус, выполненный, по существу, в форме куба. В этом случае впускное отверстие для охлаждающего воздуха может быть выполнено, например, на одной боковой стороне корпуса, в то время как на нескольких или на всех остальных боковых сторонах корпуса размещены теплообменники.

При наличии компактного конструктивного объема охлаждающий элемент имеет большую поверхность теплопередачи и отличается превосходной охлаждающей способностью. Кроме того, благодаря распределению охлаждающего воздуха на большой поверхности теплопереноса, потери давления при прохождении потока охлаждающего воздуха через охлаждающий элемент можно выгодным образом поддерживать на низком уровне. Таким образом, система охлаждения воздушного судна согласно изобретению является высокоэффективной и может обеспечивать отвод больших тепловых нагрузок от тепловыделяющего устройства, имеющегося на борту воздушного судна.

Канал подачи охлаждающего воздуха соединяет отверстие подачи охлаждающего воздуха, выполненное в хвостовой части воздушного судна, с впускным отверстием для охлаждающего воздуха охлаждающего элемента. Под «хвостовой частью» воздушного судна здесь понимается область воздушного судна, расположенная в задней части относительно крыльев воздушного судна. Канал подачи охлаждающего воздуха может быть ограничен трубопроводом. Однако, учитывая соответствующее расположение охлаждающего элемента и/или впускного отверстия охлаждающего элемента по отношению к отверстию подачи охлаждающего воздуха, трубопровод для ограничения канала подачи охлаждающего воздуха можно исключить.

Во время полета на носовую часть воздушного судна обычно действует относительно высокое давление. Вдоль обтекаемого контура воздушного судна во время полета, напротив, обычно образуется область пониженного давления. При этом на отверстие подачи охлаждающего воздуха, выполненное в хвостовой части воздушного судна, действует давление, более низкое, чем давление, действующее на носовую часть воздушного судна, но более высокое, чем пониженное давление, действующее вдоль обтекаемого контура воздушного судна. Таким образом, условия по давлению в области отверстия подачи охлаждающего воздуха можно выгодно использовать для того, чтобы транспортировать воздух из окружающей среды через отверстие подачи охлаждающего воздуха по каналу подачи охлаждающего воздуха к впускному отверстию для охлаждающего воздуха охлаждающего элемента. Вместе с тем отверстие подачи охлаждающего воздуха, выполненное в хвостовой части, в меньшей степени подвержено загрязнению, чем аналогичное отверстие в носовой части, на которое во время полета воздушного судна действует более высокое давление. Кроме того, отверстие подачи охлаждающего воздуха, выполненное в хвостовой части воздушного судна, может вызывать относительно небольшое дополнительное сопротивление движению воздуха.

И, наконец, система охлаждения воздушного судна согласно изобретению содержит выпускной канал для охлаждающего воздуха, который соединяет теплообменники охлаждающего элемента с выпускным отверстием для охлаждающего воздуха. Выпускной канал для охлаждающего воздуха используется для того, чтобы возвращать в окружающую среду охлаждающий воздух, нагретый после прохождения через теплообменники охлаждающего элемента. Аналогично каналу подачи охлаждающего воздуха выпускной канал для охлаждающего воздуха может быть также ограничен трубопроводом. Однако, учитывая соответствующее расположение охлаждающего элемента на борту воздушного судна, трубопровод для ограничения выпускного канала для охлаждающего воздуха можно исключить.

Выпускной канал для охлаждающего воздуха предпочтительно располагается в той области воздушного судна, где во время полета воздушного судна устанавливается давление, меньшее, чем давление, которое действует во время полета воздушного судна на отверстие подачи охлаждающего воздуха. В этом случае разность между давлением, действующим на отверстие подачи охлаждающего воздуха, и давлением в области выпускного отверстия для охлаждающего воздуха можно выгодным образом использовать для того, чтобы подавать воздух из окружающей среды через отверстие подачи охлаждающего воздуха по каналу подачи охлаждающего воздуха к впускному отверстию для охлаждающего воздуха охлаждающего элемента, а затем после его прохождения через теплообменники охлаждающего элемента снова отводить охлаждающий воздух по выпускному каналу для охлаждающего воздуха через выпускное отверстие для охлаждающего воздуха в окружающую среду. При этом система охлаждения воздушного судна согласно изобретению отличается низким потреблением электрической энергии для приведения в действие устройства подачи охлаждающего воздуха.

Охлаждающий элемент предпочтительно содержит вентилятор, расположенный в области впускного отверстия для охлаждающего воздуха. Указанный вентилятор может представлять собой радиальный вентилятор, диагональный вентилятор или - в случае плоского охлаждающего элемента - диаметральный вентилятор. Возможно также применение осевого вентилятора. Предпочтительным является радиальный вентилятор, который служит для того, чтобы всасывать воздух, поступающий по каналу подачи охлаждающего воздуха, во впускное отверстие для охлаждающего воздуха, а затем выталкивать его в радиальном направлении относительно оси вращения радиального вентилятора через теплообменники, расположенные на боковых сторонах корпуса охлаждающего элемента. Вентилятор может быть выполнен в виде компрессора. При помощи вентилятора можно также обеспечить надлежащую подачу охлаждающего воздуха к впускному отверстию для охлаждающего воздуха охлаждающего элемента, если условия по давлению в области отверстия подачи охлаждающего воздуха и выпускного отверстия для охлаждающего воздуха, например, при наземной эксплуатации воздушного судна, не позволяют осуществить требуемую подачу охлаждающего воздуха через охлаждающий элемент.

В канале подачи охлаждающего воздуха системы охлаждения согласно изобретению может быть установлен дополнительный вентилятор. Этот дополнительный вентилятор, как и вентилятор охлаждающего элемента, может представлять собой радиальный вентилятор, диагональный вентилятор или диаметральный вентилятор. Возможно также использование осевого вентилятора. Дополнительный вентилятор служит для того, чтобы подавать охлаждающий воздух по каналу подачи охлаждающего воздуха в направлении впускного отверстия для охлаждающего воздуха, выполненного в корпусе охлаждающего элемента. Дополнительный вентилятор обеспечивает высокую степень общего дублирования системы, поскольку он позволяет подавать достаточное количество охлаждающего воздуха к впускному отверстию для охлаждающего воздуха охлаждающего элемента даже при неблагоприятных условиях по давлению в области отверстия подачи охлаждающего воздуха и/или выпускного отверстия для охлаждающего воздуха и/или в случае выхода из строя вентилятора охлаждающего элемента. За счет этого обеспечивается оптимальное функционирование системы охлаждения воздушного судна во всех режимах работы воздушного судна, в том числе - при наземной эксплуатации. Кроме того, дополнительный вентилятор можно использовать вместо вентилятора охлаждающего элемента, например, при наземной эксплуатации воздушного судна для подачи охлаждающего воздуха и тем самым уменьшить шумоизлучение.

Отверстие подачи охлаждающего воздуха системы охлаждения воздушного судна согласно изобретению может быть расположено в области хвостового среза воздушного судна. Перед входом в отверстие подачи охлаждающего воздуха, расположенное в области хвостового среза воздушного судна, охлаждающий воздух во время полета воздушного судна проходит вдоль контура воздушного судна в направлении, противоположном направлению полета. Поэтому во время полета воздушного судна существует очень малая опасность обледенения отверстия подачи охлаждающего воздуха, расположенного в области хвостового среза воздушного судна. Выпускное отверстие для охлаждающего воздуха может быть расположено в области нижней оболочки фюзеляжа воздушного судна. Выпускное отверстие для охлаждающего воздуха предпочтительно расположено на участке нижней оболочки фюзеляжа воздушного судна, который граничит с охлаждающим элементом или по меньшей мере находится вблизи от него. Расположение отверстия подачи охлаждающего воздуха в области хвостового среза воздушного судна и выпускного отверстия для охлаждающего воздуха - в области нижней оболочки фюзеляжа воздушного судна позволяют оптимально использовать разность давлений между отверстием подачи охлаждающего воздуха и выпускным отверстием для охлаждающего воздуха. Кроме того, при этом обеспечивается особенно хорошая защита от загрязнения.

В альтернативном варианте осуществления системы охлаждения воздушного судна согласно изобретению отверстие подачи охлаждающего воздуха может располагаться в области вертикального оперения или пилона двигательной установки воздушного судна. Так, например, отверстие подачи охлаждающего воздуха может располагаться в области передней кромки вертикального оперения или в области передней кромки пилона двигательной установки, который служит для того, чтобы прикрепить двигательную установку в хвостовой части воздушного судна к фюзеляжу воздушного судна. Система охлаждения воздушного судна согласно изобретению может содержать только одно отверстие подачи охлаждающего воздуха. Однако, если требуется, можно предусмотреть два или более отверстий подачи охлаждающего воздуха. Так, например, в каждом из двух пилонов двигательных установок, которые служат для того, чтобы прикрепить соответствующие двигательные установки к фюзеляжу воздушного судна, можно предусмотреть отверстие подачи охлаждающего воздуха. Каждое отверстие подачи охлаждающего воздуха предпочтительно соединяется соответствующим каналом подачи охлаждающего воздуха с впускным отверстием охлаждающего элемента.

Канал подачи охлаждающего воздуха может быть выполнен в виде канала для набегающего потока воздуха. В этом случае отверстие подачи охлаждающего воздуха может быть выполнено по стандарту NACA (National Advisory Committee for Aeronautics, Национальный консультативный комитет по аэронавтике). Кроме того, канал подачи охлаждающего воздуха, выполненный в виде канала для набегающего потока воздуха может содержать диффузор. При этом во время полета воздушного судна охлаждающий воздух, поступающий в канал подачи охлаждающего воздуха через отверстие подачи охлаждающего воздуха, проходит со скоростью потока, замедляющейся в области диффузора. Вследствие этого динамический компонент давления частично превращается в диффузоре в статическое давление, при этом возникает повышенное, по сравнению с давлением окружающей среды, статическое давление, которое называют скоростным напором. Этот скоростной напор создает и/или способствует течению потока охлаждающего воздуха в направлении охлаждающего элемента и/или через теплообменники охлаждающего элемента.

Для управления потоком охлаждающего воздуха, проходящим через отверстие подачи охлаждающего воздуха, впускное отверстие для охлаждающего воздуха может быть оснащено запорным элементом, выполненным, например, в виде заслонки. Запорный элемент предпочтительно выполнен таким образом, чтобы при необходимости он закрывал отверстие подачи охлаждающего воздуха или открывал требуемое проходное сечение указанного отверстия. Запорный элемент предпочтительно обеспечивает бесступенчатую регулировку поперечного сечения потока через отверстие подачи охлаждающего воздуха. Аналогичным образом можно предусмотреть запорный элемент, выполненный, например, также в виде заслонки, для выпускного отверстия для охлаждающего воздуха. Запорный элемент выпускного отверстия для охлаждающего воздуха аналогично запорному элементу отверстия подачи охлаждающего воздуха выполнен таким образом, чтобы закрывать выпускное отверстие для охлаждающего воздуха или при необходимости открывать его полностью или частично. Запорный элемент предпочтительно также обеспечивает бесступенчатую регулировку проходного сечения выпускного отверстия для охлаждающего воздуха. При помощи запорных элементов можно поддерживать требуемые условия по давлению в области отверстия подачи охлаждающего воздуха и выпускного отверстия для охлаждающего воздуха.

Отверстие подачи охлаждающего воздуха может быть выполнено в виде фронтального отверстия подачи совкового типа, расположенного заподлицо с поверхностью воздушного судна. Такая конструкция отверстия подачи охлаждающего воздуха является особенно предпочтительной, если отверстие подачи охлаждающего воздуха располагается в области вертикального оперения или пилона двигательной установки воздушного судна.

В канале подачи охлаждающего воздуха может быть установлено устройство для отклонения потока массы охлаждающего воздуха. Устройство для отклонения потока массы охлаждающего воздуха предпочтительно выполнено таким образом, чтобы в первом положении направлять поток массы охлаждающего воздуха, проходящего по каналу подачи охлаждающего воздуха, к впускному отверстию для охлаждающего воздуха охлаждающего элемента, а во втором положении - направлять поток массы охлаждающего воздуха, проходящего по каналу подачи охлаждающего воздуха, мимо охлаждающего элемента, например, в направлении дополнительного дублирующего охлаждающего элемента. Дополнительный дублирующий охлаждающий элемент может иметь такую же конструкцию, как и основной охлаждающий элемент. Устройство для отклонения потока массы охлаждающего воздуха можно, например, в случае выхода из строя охлаждающего элемента системы охлаждения воздушного судна согласно изобретению, переводить во второе положение для того, чтобы направлять поток массы охлаждающего воздуха, проходящего по каналу подачи охлаждающего воздуха, к дополнительному дублирующему охлаждающему элементу и тем самым обеспечивать надлежащее функционирование системы охлаждения воздушного судна согласно изобретению даже в случае отказа основного охлаждающего элемента. Устройство для отклонения потока массы охлаждающего воздуха можно перемещать между первым и вторым положениями при помощи электродвигателя. В целях дублирования можно предусмотреть наличие двух электродвигателей, расположенных, например, на одном общем валу для того, чтобы по мере необходимости перемещать устройство для отклонения потока массы охлаждающего воздуха между его первым и вторым положением.

Система охлаждения воздушного судна согласно изобретению может также содержать устройство для использования теплоты, накопленной в охлаждающем воздухе после его прохождения через теплообменники охлаждающего элемента. Такое устройство для использования теплоты, накопленной в охлаждающем воздухе после его прохождения через теплообменники охлаждающего элемента, может представлять собой, например, устройство для прогрева двигательной установки, устройство для подогрева топлива или устройство для подогрева воды, впрыскиваемой в двигательную установку воздушного судна. Охлаждающий воздух, нагретый после прохождения через теплообменники охлаждающего элемента, можно использовать, например, непосредственно для прогрева двигательной установки, расположенной в хвостовой части воздушного судна. Альтернативно этому теплоту, накопленную в охлаждающем воздухе, можно передавать в устройстве прогрева двигательной установки, например, при помощи теплообменника, другой среде для прогрева двигательной установки. Аналогичным образом можно использовать охлаждающий воздух, нагретый после прохождения через теплообменники охлаждающего элемента, непосредственно для того, чтобы прогревать двигательные установки воздушного судна или топливо, подаваемое к системе топливных элементов на борту воздушного судна. Альтернативно этому можно также передавать теплоту, накопленную в охлаждающем воздухе, например, при помощи подходящего теплообменника, другой среде в устройстве подогрева топлива для подогрева топлива. В устройстве подогрева воды, впрыскиваемой в двигательную установку воздушного судна, можно прямо или косвенно использовать теплоту, накопленную в охлаждающем воздухе после прохождения через теплообменники охлаждающего элемента, для подогрева воды, впрыскиваемой в двигательную установку воздушного судна, или для защиты от обледенения трубопроводов устройства впрыска воды, по которым протекает вода.

В одном особенно предпочтительном варианте осуществления системы охлаждения воздушного судна согласно изобретению по меньшей мере один теплообменник охлаждающего элемента встроен в контур охлаждения системы топливных элементов, т.е. в контур охлаждения, который служит для того, чтобы отводить от топливного элемента теплоту, выделяющуюся во время работы топливного элемента. Благодаря высокой мощности охлаждения, система охлаждения воздушного судна согласно изобретению пригодна для того, чтобы надежно отводить от топливного элемента высокие тепловые нагрузки, которые возникают при работе топливного элемента. При этом теплообменники охлаждающего элемента могут выполнять функции дублирующих устройств для того, чтобы обеспечить надлежащее охлаждение системы топливных элементов даже в случае выхода из строя одного или нескольких теплообменников охлаждающего элемента.

Дополнительно или альтернативно этому можно также встроить один или несколько теплообменников охлаждающего элемента в контур охлаждения установки кондиционирования воздушного судна, в контур охлаждения двигательной установки, в контур охлаждения для конденсации воды и получения воды и/или в контур охлаждения электронных компонентов на борту воздушного судна. При этом систему охлаждения воздушного судна согласно изобретению, которая может быть использована в первую очередь, например, для того, чтобы подводить необходимую энергию охлаждения к системе топливных элементов на борту воздушного судна, можно предпочтительным образом комбинировать с другими системами охлаждения, имеющимися на борту воздушного судна, и тем самым обеспечить охлаждающую мощность также для других потребителей.

Теплообменники охлаждающего элемента, в принципе, можно встраивать непосредственно в контуры охлаждения различных охлаждающих систем, предусмотренных на борту воздушного судна. Однако альтернативно этому возможна также передача охлаждающей энергии промежуточным холодильникам. Использование промежуточных холодильников особенно целесообразно в тех случаях, когда теплообменники охлаждающего элемента из соображений безопасности нельзя встраивать непосредственно в контур охлаждения системы охлаждения, предусмотренной на борту воздушного судна, например, в контур масляного охлаждения. В частности, если теплообменник охлаждающего элемента встроен в контур охлаждения двигательной установки, расположение трубопроводов должно быть таким, чтобы во всех режимах эксплуатации обеспечить надлежащее охлаждение и исключить повреждение трубопроводов элементами двигательной установки и т.п. Система охлаждения воздушного судна согласно изобретению может быть сконструирована в зависимости от поставленных требований к ее охлаждающей мощности и иметь модульное исполнение. Кроме того, возможна оптимальная адаптация системы к конструкциям, которые ее окружают.

Система охлаждения воздушного судна согласно изобретению предпочтительно содержит также устройство для управления потоком на пилоне двигательной установки. Устройство для управления потоком может быть связано с выпускным каналом для охлаждающего воздуха и/или выпускным отверстием для охлаждающего воздуха. Альтернативно этому устройство для управления потоком может быть также непосредственно связано с теплообменниками охлаждающего элемента для того, чтобы принимать охлаждающий воздух, выходящий из теплообменников, и подавать его на один или несколько пилонов двигательной установки. Путем целенаправленного воздействия на поток в области пилона двигательной установки можно получить предпочтительное уменьшение шумоизлучения.

Краткое описание чертежей

Далее приведено более подробное описание трех предпочтительных вариантов осуществления системы охлаждения воздушного судна согласно изобретению со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, на которых представлены:

Фигура 1 - трехмерное изображение охлаждающего элемента системы охлаждения воздушного судна.

Фигура 2 - система охлаждения воздушного судна с отверстием подачи охлаждающего воздуха, расположенным в области хвостового среза воздушного судна.

Фигура 3 - система охлаждения воздушного судна с отверстием подачи охлаждающего воздуха, расположенным в области хвостового среза воздушного судна, и с осевым вентилятором, расположенным в канале подачи охлаждающего воздуха.

Фигура 4 - система охлаждения воздушного судна с отверстием подачи охлаждающего воздуха, расположенным в области вертикального оперения.

Фигура 5 - система охлаждения воздушного судна с двумя отверстиями подачи охлаждающего воздуха, расположенными в области двух пилонов двигательной установки.

Осуществление изобретения

На фигуре 1 показан охлаждающий элемент 12, пригодный для применения в системе 10 охлаждения воздушного судна, представленной на фигурах 2-5. Охлаждающий элемент 12 содержит, по существу, прямоугольный корпус 14. В передней стенке 16 охлаждающего элемента 12 выполнено впускное отверстие 18 для охлаждающего воздуха. В области впускного отверстия 18 для охлаждающего воздуха установлен радиальный вентилятор 20. Радиальный вентилятор 20 служит для того, чтобы всасывать охлаждающий воздух в направлении впускного отверстия 18 для охлаждающего воздуха, как показано на Фигуре 1 стрелкой P_in, а затем радиально выталкивать его в наружном направлении относительно оси 22 вращения радиального вентилятора 20, как показано на фигуре 1 стрелками P_out. На боковых стенках 24, 26, 28, 30 охлаждающего элемента 12, которые граничат с передней стенкой 16, установлены теплообменники 32, 34, 36, 38. Охлаждающий воздух, поступающий через впускное отверстие 18 в корпус 14 охлаждающего элемента 12, проходит через теплообменники 32, 34, 36, 38 и при относительно низких потерях давления отдает энергию охлаждения охлаждаемой среде, протекающей по охлаждающим каналам теплообменников.

Как показано на фигурах 2-5, охлаждающий элемент 12 системы 10 охлаждения воздушного судна располагается в хвостовой части фюзеляжа воздушного судна. Такое расположение охлаждающего элемента 12 обосновано тем, что система 10 охлаждения воздушного судна служит для охлаждения не показанной на фигурах системы топливных элементов, которая заменяет вспомогательную силовую установку (Auxiliary Power Unit, APU) воздушного судна. Поэтому отсек в хвостовой части фюзеляжа воздушного судна, обычно используемый для размещения APU, может служить для установки охлаждающего элемента 12 системы 10 охлаждения воздушного судна.

В системе 10 охлаждения воздушного судна, показанной на фигуре 2, впускное отверстие 18 для охлаждающего воздуха охлаждающего элемента 12 соединено с каналом 40 подачи охлаждающего воздуха, выполненным в виде канала для набегающего потока воздуха. Канал 40 подачи охлаждающего воздуха соединяется с отверстием 44 подачи охлаждающего воздуха, которое расположено в области хвостового среза 42 воздушного судна. В отверстии 44 подачи охлаждающего воздуха предусмотрен запорный элемент в виде заслонки, который служит для того, чтобы закрывать отверстие 44 подачи охлаждающего воздуха или открывать требуемое переменное проходное сечение указанного отверстия.

После прохождения через теплообменники 32, 34, 36, 38 охлаждающего элемента 12 охлаждающий воздух, поступающий в охлаждающий элемент 12 по каналу 40 подачи охлаждающего воздуха, отводится по выпускному каналу 46 для охлаждающего воздуха к выпускному отверстию 50 для охлаждающего воздуха, которое выполнено в нижней оболочке 48 фюзеляжа воздушного судна. Аналогично отверстию 44 подачи охлаждающего воздуха в выпускном отверстии 50 для охлаждающего воздуха предусмотрен запорный элемент в виде заслонки, который служит для того, чтобы закрывать выпускное отверстие 50 для охлаждающего воздуха или открывать требуемое переменное проходное сечение указанного отверстия.

Во время полета воздушного судна на отверстие 44 подачи охлаждающего воздуха, которое расположено в области хвостового среза 42 фюзеляжа воздушного судна, действует более высокое давление, чем на выпускное отверстие 50 для охлаждающего воздуха, выполненное в нижней оболочке 48 фюзеляжа воздушного судна. Эту разность давлений можно выгодно использовать для того, чтобы пропускать охлаждающий воздух через охлаждающий элемент 12 системы охлаждения 10 воздушного судна. Во время наземной эксплуатации воздушного судна радиальный вентилятор 20 охлаждающего элемента 12 обеспечивает надлежащую подачу охлаждающего воздуха к охлаждающему элементу 12. Отверстие 44 подачи охлаждающего воздуха, расположенное в области хвостового среза 42 воздушного судна, в меньшей степени подвержено загрязнению, чем аналогичное отверстие подачи охлаждающего воздуха, расположенное в носовой части воздушного судна. Кроме того, благодаря условиям течения в области отверстия 44 подачи охлаждающего воздуха, т.е. благодаря тому, что поток охлаждающего воздуха имеет противоположное направление относительно полета воздушного судна перед входом в отверстие 44 подачи охлаждающего воздуха, уменьшается опасность обледенения. И, наконец, отверстие 44 подачи охлаждающего воздуха, расположенное в области хвостового среза 42 воздушного судна, может вызывать небольшое дополнительное сопротивление движению воздуха.

Как указано выше, система 10 охлаждения воздушного судна служит для охлаждения системы топливных элементов, установленной на борту воздушного судна. При этом по меньшей мере два теплообменника 32, 34 охлаждающего элемента 12 встроены в контур охлаждения топливного элемента, и указанные теплообменники 32, 34 служат в качестве дублирующих охлаждающих устройств. Благодаря этому, даже в случае выхода из строя одного из теплообменников 32, 34, другой теплообменник 34, 32 обеспечит надлежащее охлаждение системы топливных элементов и, в частности, топливного элемента, содержащегося в системе топливных элементов.

Остальные теплообменники 36, 38 охлаждающего элемента 12 являются встроенными в контур системы кондиционирования воздуха в воздушном судне и в охлаждающий контур двигательной установки. Альтернативно этому теплообменники 36, 38 могут быть также встроены в охлаждающий контур для охлаждения электронных компонентов на борту воздушного судна или в любой другой охлаждающий контур, предусмотренный на борту воздушного судна. При этом охлаждающая мощность, выделяемая системой 10 охлаждения воздушного судна, может быть подведена к нескольким потребителям на борту воздушного судна. Теплообменники 36, 38 могут быть непосредственно встроены в соответствующие контуры охлаждения. Однако, если это требуется в целях безопасности или является желательным по другими причинам, теплообменники 36, 38 охлаждающего элемента 12 могут быть термически связаны с промежуточным теплообменником, чтобы посредством этого промежуточного теплообменника косвенно передавать энергию охлаждения в охлаждающие контуры.

В канале 40 подачи охлаждающего воздуха расположено устройство для отклонения потока массы охлаждающего воздуха, не показанное на фигуре 2. Устройство для отклонения потока массы охлаждающего воздуха, имеющее привод от электродвигателя, в первом положении направляет охлаждающий воздух, проходящий по каналу 40 подачи охлаждающего воздуха, к охлаждающему элементу 12. Во втором положении устройство для отклонения потока массы охлаждающего воздуха, напротив, закрывает доступ к охлаждающему элементу 12 по каналу 40 подачи охлаждающего воздуха и обеспечивает отвод охлаждающего воздуха, проходящий по каналу 40 подачи охлаждающего воздуха, к другому дублирующему охлаждающему элементу 12, который не показан на фигуре 2. Тем самым обеспечивается надлежащее функционирование системы 10 охлаждения воздушного судна даже при выходе из строя охлаждающего элемента 12.

Охлаждающий воздух, нагретый после прохождения через теплообменники 32, 34, 36, 38 охлаждающего элемента 12, используется для подогрева двух показанных только на фигуре 5 двигательных установок 52, 54, расположенных в хвостовой части воздушного судна, а также для подогрева топлива, подаваемого в двигательные установки 52, 54. Кроме того, воздух, нагретый при прохождении через теплообменники 32, 34, 36, 38 охлаждающего элемента 12, служит для подогрева воды, впрыскиваемой в двигательные установки 52, 54, в устройстве для впрыскивания воды, а также для защиты от обледенения трубопроводов устройства для впрыскивания воды, по которым протекает вода.

Система 10 охлаждения воздушного судна, показанная на фигуре 3, отличается от системы, показанной на фигуре 2, тем, что в канале 40 подачи охлаждающего воздуха дополнительно установлен осевой вентилятор 56. Осевой вентилятор 56 поддерживает прохождение охлаждающего воздуха по каналу 40 подачи охлаждающего воздуха в направлении впускного отверстия 18 для охлаждающего воздуха охлаждающего элемента 12. Тем самым осевой вентилятор 56 обеспечивает определенное дублирование радиального вентилятора 20 охлаждающего элемента 12 и создает достаточный поток массы охлаждающего воздуха даже при наземной эксплуатации воздушного судна, когда невозможно использовать разность давлений между отверстием 44 подачи охлаждающего воздуха и выпускным отверстием 50 для охлаждающего воздуха для прохождения охлаждающего воздуха через охлаждающий элемент 12. В остальном конструкция и принцип функционирования системы 10 охлаждения воздушного судна, показанной на фигуре 3, соответствует конструкции и принципу функционирования системы, показанной на фигуре 2.

В отличие от систем, показанных на фигурах 2 и 3, в системе 10 охлаждения воздушного судна, показанной на фигуре 4, отверстие 44 подачи охлаждающего воздуха располагается в области передней кромки вертикального оперения 58. Отверстие 44 подачи охлаждающего воздуха может быть выполнено в виде отверстия подачи совкового типа, расположенного заподлицо с поверхностью воздушного судна, или полнонапорного входного отверстия. Выпускное отверстие 50 для охлаждающего воздуха, напротив, располагается в области хвостового среза 42 воздушного судна. Такая схема расположения позволяет во время полета воздушного судна использовать разность между давлением, действующим на отверстие 44 подачи охлаждающего воздуха, и давлением в области выпускного отверстия 50 для охлаждающего воздуха для того, чтобы обеспечить прохождение потока массы охлаждающего воздуха через охлаждающий элемент 12. В остальном конструкция и принцип функционирования системы 10 охлаждения воздушного судна, показанной на фигуре 4, соответствует конструкции и принципу функционирования систем, показанных на фигурах 2 и 3.

И, наконец, система 10 охлаждения воздушного судна, показанная на фигуре 5, отличается от системы, показанной на фигуре 4, тем, что система 10 охлаждения воздушного судна вместо одного отверстия 44 подачи охлаждающего воздуха, расположенного в области вертикального оперения, содержит два отверстия 44, 44' подачи охлаждающего воздуха, которые выполнены в двух пилонах 60, 62, несущих двигательные установки 52, 54. Отверстия 44, 44' подачи охлаждающего воздуха соединены двумя каналами 40, 40' подачи охлаждающего воздуха с впускным отверстием 18 для охлаждающего воздуха охлаждающего элемента 12. Выпуск охлаждающего воздуха, как и в системе, показанной на фигуре 4, осуществляется через выпускное отверстие 50 для охлаждающего воздуха, расположенное в области хвостового среза 42 воздушного судна. При этом во время полета воздушного судна также можно использовать разность давлений между отверстиями 44, 44' подачи охлаждающего воздуха и выпускным отверстием 50 для охлаждающего воздуха для того, чтобы обеспечить прохождение потока массы охлаждающего воздуха через охлаждающий элемент 12. Часть выпускаемого воздуха можно также использовать для обтекания несущих элементов двигательной установки, например, путем обдува.

Изобретение относится к системам охлаждения воздушных судов. Система охлаждения содержит охлаждающий элемент (12), который включает корпус (14), впускное отверстие (18) для охлаждающего воздуха, выполненное в корпусе (14), и множество теплообменников (32, 34, 36, 38), которые установлены на боковых поверхностях (24, 26, 28, 30) корпуса (14) и по которым проходит охлаждающий воздух, поступающий через впускное отверстие (18) для охлаждающего воздуха. Канал (40) подачи охлаждающего воздуха соединяет отверстие (44) подачи охлаждающего воздуха, которое расположено в области хвостового среза воздушного судна, с впускным отверстием (18) охлаждающего элемента (12). Выпускной канал (46) для охлаждающего воздуха соединяет теплообменники (32, 34, 36, 38) охлаждающего элемента (12) с выпускным отверстием (50) для охлаждающего воздуха, расположенным в области нижней оболочки (48) фюзеляжа и на которое действует меньшее давление, чем на отверстие (44) подачи охлаждающего воздуха. Охлаждающий элемент может содержать вентилятор в области впускного отверстия (18). Дополнительный вентилятор может быть установлен в канале подачи (40) охлаждающего воздуха. Канал подачи (40) охлаждающего воздуха может содержать устройство распределения массы охлаждающего воздуха. Обеспечивается надежный и эффективный отвод больших тепловых нагрузок от тепловыделяющих устройств. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Воздушное судно с системой (10) охлаждения, которая содержит:
- охлаждающий элемент (12),
- канал (40) подачи охлаждающего воздуха, который соединяет отверстие (44) подачи охлаждающего воздуха, выполненное в области хвостового среза (42) воздушного судна, с впускным отверстием (18) для охлаждающего воздуха охлаждающего элемента (12), и
- выпускной канал (46) для охлаждающего воздуха,
отличающееся тем, что охлаждающий элемент (12) содержит корпус (14), в котором выполнено впускное отверстие (18) для охлаждающего воздуха, и множество расположенных на боковых сторонах (24, 26, 28, 30) корпуса (14) теплообменников (32, 34, 36, 38), через которые проходит охлаждающий воздух, поступающий через впускное отверстие (18) для охлаждающего воздуха, при этом выпускной канал (46) для охлаждающего воздуха соединяет теплообменники (32, 34, 36, 38) охлаждающего элемента (12) с выпускным отверстием (50) для охлаждающего воздуха, которое расположено в области нижней оболочки (48) фюзеляжа воздушного судна и на которое во время полета воздушного судна действует меньшее давление, чем на отверстие (44) подачи охлаждающего воздуха, расположенное в области хвостового среза (42) воздушного судна.

2. Воздушное судно по п.1, отличающееся тем, что охлаждающий элемент (12) содержит вентилятор (20), расположенный в области впускного отверстия (18) для охлаждающего воздуха.

3. Воздушное судно по п.1, отличающееся тем, что в канале (40) подачи охлаждающего воздуха установлен дополнительный вентилятор (56).

4. Воздушное судно по п.1, отличающееся тем, что канал (40) подачи охлаждающего воздуха выполнен в виде канала для набегающего потока воздуха.

5. Воздушное судно по п.1, отличающееся тем, что отверстие (44) подачи охлаждающего воздуха выполнено в виде отверстия подачи совкового типа.

6. Воздушное судно по п.1, отличающееся тем, что в канале (40) подачи охлаждающего воздуха установлено устройство для отклонения потока массы охлаждающего воздуха, которое выполнено таким образом, чтобы в первом положении направлять поток массы охлаждающего воздуха, проходящего по каналу (40) подачи охлаждающего воздуха, в направлении впускного отверстия (18) для охлаждающего воздуха охлаждающего элемента (12), а во втором положении направлять поток массы охлаждающего воздуха, проходящего по каналу подачи (40) охлаждающего воздуха, мимо охлаждающего элемента (12).

7. Воздушное судно по п.1, отличающееся тем, что содержит устройство для использования теплоты, накопленной в охлаждающем воздухе после его прохождения через теплообменники (32, 34, 36, 38) охлаждающего элемента (12).

8. Воздушное судно по п.7, отличающееся тем, что устройство для использования теплоты, накопленной в охлаждающем воздухе после его прохождения через теплообменники (32, 34, 36, 38) охлаждающего элемента (12), представляет собой устройство для прогрева двигательной установки, устройство для подогрева топлива или устройство для подогрева воды, впрыскиваемой в двигательную установку воздушного судна.

9. Воздушное судно по п.1, отличающееся тем, что теплообменники (32, 34, 36, 38) охлаждающего элемента (12) встроены в контур охлаждения системы топливных элементов, в контур охлаждения системы кондиционирования воздушного судна, в контур охлаждения двигательной установки, в контур охлаждения для конденсации воды и получения воды и/или в контур охлаждения электронных компонентов на борту воздушного судна.

10. Воздушное судно по п.1, отличающееся тем, что содержит устройство для управления потоком на пилоне (60, 62) двигательной установки, которое соединено с выпускным каналом (46) для охлаждающего воздуха.