[发明专利]充分利用能源的空气循环式飞机环境控制系统

说明书

本发明的充分利用能源的空气循环式飞机环境控制系统所涉及的是飞机环境控制技术。

目前在飞机上普遍使用的空气循环式飞机环境控制系统，所使用的能源主要是由发动机压气机引出的高温高压空气和由大气引入的冲压空气。

对于发动机压气机引出的高温高压空气，飞机环境控制系统主要是利用其内能，通过涡轮膨胀做功，使空气温度降低来进行制冷。但是目前的飞机环境控制系统以及专利US5086622-A和专利US5014518-A所提出的系统，都没有充分利用发动机压气机引气所具有的能量。例如，现代歼击机在海平面高度以马赫数0.9的速度飞行时，发动机压气机引气的压力为16kg/cm²，压气机引气的增压比为15.49。而飞机环境控制系统的入口压力为引气压力调节器的出口压力，它通常限制在7kg/cm²以下；飞机环境控制系统的出口压力为座舱压力，在海平面高度飞行时约为1.033kg/cm²。因此飞机环境控制系统进出口之间实际利用的压力比只有6.78，远低于发动机压气机引气的增压比15.49。表1给出了现代歼击机在不同高度不同马赫数时的发动机压气机引气的增压比和飞机环境控制系统所实际利用的压力比。从表1可看出，目前的飞机环境控制系统所利用的压力比都远远低于发动机压气机引气的增压比。而且高度越高，利用率越低。发动机压气机引气增压比的大小反映了发动机给予引气的能量大小。而飞机环境控制系统进出口压力比的大小则表示飞机环境控制系统所利用的能量的大小。后者远小于前者，表明目前的飞机环境控制系统远远没有充分利用发动机压气机引气所具的能量。

表1歼击机在热天飞行中的引气参数

专利US5014518-A提出的系统，把入口压力提高到接近引气压力的水平，但是出口压力仍然是座舱压力。因此它也没有充分利用引气的能量。

由大气引入的冲压空气也具有能量。表2给出了不同高度和马赫数时冲压空气的增压比。但是目前的飞机环境控制系统以及专利US5086622-A和专利US5014518-A所提出的系统，都没有把这部分能量充分利用起来。

目前的空气循环式飞机环境控制系统存在的另一个问题是，没有区分座舱通风换气所需空气与座舱、电子设备舱制冷所需空气的不同特点而分别对待，而是把两者合而为一。从发动机压气机高压级引出一股空气，既用于座舱通风换气，也用于座舱和电子设备舱制冷。这种设计是飞机环境控制系统浪费能源的又一个主要根源。原因有两个，一是用于制冷的空气如果同时用于座舱通风换气，则制冷系统的出口压力不能低于座舱压力，因而不能充分利用引气所具有的能量，造成浪费。二是单纯只用于座舱通风换气的空气所需压力是很低的，只要大于座舱压力加管道压降即可。如果这部分空气也从发动机压气机高压级引气，则由此造成的发动机功率损失将比引用低压空气增大几倍、十几倍、甚至更多。例如夏天当气温为40℃时，某机以M＝0.9的速度在海平面高度飞行，此时发动机压气机高压级引气的压力约为10kg/cm²，温度约为474℃。如果引用的低压空气的压力为1.75kg/cm²，温度为90.73℃，则高压引气造成的发动机功率损失约为低压引气的8.6倍。这是相当大的浪费。对于座舱通风换气所需空气流量远大于座舱、电子设备舱制冷所需空气流量的旅客机，这种浪费显得特别严重。