在涡轮入口处混合放出空气和冲压空气的制作方法

背景技术：

总体上，当代的空气调节系统在巡航时供应近似30磅/平方英寸至35磅/平方英寸的压力。现今航天和航空工业的趋势是朝向具有更高效率的系统。改进飞机效率的一种途径是完全消除放出空气并且使用电力来压缩外部空气。第二种途径是使用较低发动机压力。第三种途径是使用放出空气中的能量来压缩外部空气并将其带到客舱中。

发明概述

根据一个或多个实施方案，提供一种飞机。所述飞机包括第一介质、第二介质以及空气调节系统，所述空气调节系统包括：第一涡轮；压缩机，所述压缩机在第一介质的流动路径中位于涡轮的上游；以及混合点，所述混合点在第一介质与第二混合处，其中混合点在压缩机的下游且在涡轮的上游。

根据一个或多个实施方案或以上的飞机实施方案，飞机可包括热交换器，所述热交换器被配置来将热量从第一介质排出到第三介质。

根据一个或多个实施方案或以上的飞机实施方案中的任一个，飞机可包括第二热交换器，所述第二热交换器被配置来将热量从第二介质排出到第三介质。

根据一个或多个实施方案或以上的飞机实施方案中的任一个，混合点可位于热交换器和第二热交换器的下游。

根据一个或多个实施方案或以上的飞机实施方案中的任一个，飞机可包括第三热交换器，所述第三热交换器在第一介质的流动路径中位于热交换器的下游并且位于混合点的上游。

根据一个或多个实施方案或以上的飞机实施方案中的任一个，飞机可包括第三热交换器，所述第三热交换器在第二介质的流动路径中位于第二热交换器的下游并且位于混合点的上游。

根据一个或多个实施方案或以上的飞机实施方案中的任一个，飞机可包括第三热交换器，所述第三热交换器在混合点的下游。

根据一个或多个实施方案或以上的飞机实施方案中的任一个，飞机可包括第三介质流。

根据一个或多个实施方案或以上的飞机实施方案中的任一个，第三介质可包括客舱排出空气。

根据一个或多个实施方案或以上的飞机实施方案中的任一个，飞机可包括第四热交换器，所述第四热交换器将热量从第一介质排出到第三介质。

根据一个或多个实施方案或以上的飞机实施方案中的任一个，第四热交换器在第一介质的流动路径中可在第二热交换器的上游。

根据一个或多个实施方案或以上的飞机实施方案中的任一个，飞机可包括第二涡轮，所述第二涡轮被配置来接收第三介质流并给压缩机提供动力。

根据一个或多个实施方案或以上的飞机实施方案中的任一个，第二涡轮在第三介质的流动路径中可在第四热交换器的下游。

根据一个或多个实施方案或以上的飞机实施方案中的任一个，飞机可包括单冲压空气热交换器，所述单冲压空气热交换器位于混合点的下游。

根据一个或多个实施方案或以上的飞机实施方案中的任一个，第一介质可包括放出空气，并且第二介质可包括新鲜空气

通过本文实施方案的技术实现另外的特征和优点。其他实施方案在本文得到详细描述并且被认为是权利要求书的一部分。为了更好地理解实施方案及优点和特征，参考说明书和附图。

附图简述

本公开的主题在本说明书的结束处的权利要求书中特别指出并且明确要求保护。所述主题的前述和其他特征以及优点从结合附图进行的以下详细描述中显而易见，在附图中：

图1是根据一个实施方案的环境控制系统的示意图；

图2a是根据一个实施方案的包括至少一个混合点的环境控制系统的示意图；

图2b是根据一个实施方案的图2a的环境控制系统的变型；

图2c是根据一个实施方案的图2a的环境控制系统的变型；

图3a是根据另一个实施方案的包括至少一个混合点的环境控制系统的示意图；

图3b展示根据一个实施方案的多个喷嘴构型；

图4a是根据另一个实施方案的包括至少一个混合点的环境控制系统的示意图；

图4b是根据一个实施方案的图4a的环境控制系统的变型；

图4c是根据一个实施方案的图4a的环境控制系统的变型；

图5是根据另一个实施方案的包括至少一个混合点的环境控制系统的示意图；

图6是根据另一个实施方案的包括至少一个混合点的环境控制系统的示意图；

图7是根据另一个实施方案的包括至少一个混合点的环境控制系统的示意图；

图8是根据另一个实施方案的包括至少一个混合点的环境控制系统的示意图；并且

图9是根据另一个实施方案的包括至少一个混合点的环境控制系统的示意图。

具体实施方式

本文参考附图通过举例而非限制的方式呈现所公开的设备和方法的一个或多个实施方案的详细描述。

本文的实施方案提供飞行器的环境控制系统，所述环境控制系统混合来自不同源的介质，并且使用不同能量源来给环境控制系统供能，并以高燃料燃烧效率提供客舱增压和冷却。所述介质总体上可以是空气，而其他实例包括气体、液体、液化固体或浆体。

转向图1，示出系统100，所述系统100从入口101接收介质并且向腔室102提供调节形式的介质。系统100包括压缩装置110。如图所示，压缩装置110包括压缩机112、涡轮113、风扇116以及轴118。系统100还包括初级热交换器120、次级热交换器130、冷凝器160、水提取器162以及再热器164。

压缩装置110是包括用于对介质做热力学功(例如，通过升高和/或降低压力并且通过升高和/或降低温度来从介质提取功或对介质做功)的部件的机械装置。压缩装置110的实例包括空气循环机、三轮空气循环机、四轮空气循环机等。

压缩机112是升高从入口101接收的介质的压力的机械装置。压缩机类型的实例包括离心式、斜流或混流式、轴流式、往复式、离子液体活塞式、旋转螺杆式、旋转叶式、涡旋式、隔膜式、气泡式等。此外，压缩机可由电机驱动或通过涡轮113由介质驱动。

涡轮113是通过轴118驱动压缩机112和风扇116的机械装置。风扇116(例如，冲压空气风扇)是通过推动或拉动方法以可变流速推进空气跨热交换器120和130穿过外壳119、从而控制温度的机械装置。外壳119接收介质(诸如冲压空气)并引导其穿过系统100。总体上，冲压空气是由系统100用作散热体的外部空气。

热交换器120和130是为了一种介质到另一种介质的高效热传递而构造的装置。热交换器的实例包括套管式、壳管式、板式、板壳式、绝热轮式、板翅式、枕板式以及流体热交换器。

冷凝器160和再热器164是特定类型的热交换器。水提取器162是执行从介质取水的过程的机械装置。冷凝器160、水提取器162和/或再热器164一起可组合成高压水分离器。

系统100的元件通过阀、管子、管道等连接。阀(例如，流量调节装置或质量流量阀)是通过打开、闭合或部分地阻碍系统100的管子、管道等内的各种通道来调节、引导和/或控制介质流量的装置。阀可通过致动器来操作，使得系统100的任何部分中的介质的流速可被调节到所需值。

如图1所示，介质可从入口101流动穿过系统100以到达腔室102，如由实线箭头所指示。阀v1(例如，质量流量控制阀)控制介质从入口101到系统100的流动。此外，阀v2根据系统100的模式而控制来自次级热交换器130的介质是否绕过冷凝器160流动。系统100的部件的组合可称为空气调节组件(pack)或组件。组件可从阀v1处开始并且在空气离开冷凝器162时结束。

现在将鉴于以上的飞行器实施方案描述系统100。在飞行器实施方案中，介质可以是空气并且系统100可以是环境控制系统。在入口101处向环境控制系统供应的空气可被说成是从涡轮发动机或辅助动力单元“放出”。当空气由连接到环境控制系统的涡轮发动机或辅助动力单元诸如从入口101提供时，空气可称为放出空气(例如，来自发动机或辅助动力单元的增压空气)。放出空气的温度、湿度和压力根据压缩机级和涡轮发动机的每分钟转数而广泛地变化。

现在转向图2a、2b和2c，描绘了根据实施方案的环境控制系统200a、200b和200c(例如，系统100的实施方案)在其可安装在飞行器上时的示意图。在操作中，环境控制系统200a、200b和200c混合新鲜空气与放出空气。为了易于解释，系统100的与环境控制系统200a、200b和200c类似的部件通过使用相同标识符被再用并且不再介绍。

图2a将环境控制系统200a展示成还包括：入口201、压缩装置210a(其包括压缩机212、涡轮213、风扇216以及轴218)、外流热交换器230、水收集器271、水收集器272和阀v3，连同由点虚线f2所指示的介质的路径(其中介质可从腔室102提供到环境控制系统200a中)。

鉴于以上的飞行器实施方案，当介质从腔室102被提供(例如，离开增压空间、飞行器的客舱或飞行器的客舱和飞行甲板的空气)时，介质可称为腔室排出空气(也称为客舱排出空气)。应注意：在一个或多个实施方案中，来自环境控制系统200a的客舱排出空气的排气可通过外壳119释放或被送到客舱压力控制系统。客舱排出空气还可通过外流阀(又称为外流控制阀和推力恢复外流阀)释放。例如，当来自外流热交换器230的客舱排出空气联接到外流阀时，外流热交换器230增加客舱排出空气中的能量，这增加了外流阀所恢复的推力。

此外，当介质从入口201被提供时，介质可称为新鲜外部空气(也称为注定进入增压空间或腔室102的新鲜空气或外部空气)。新鲜空气可由一个或多个舀取机构、诸如冲刷勺或洗刷勺获得。因此，入口201可被认为是新鲜空气入口。

在环境控制系统200a的低海拔操作中，借助入口101穿过阀v1的来自涡轮发动机或辅助动力单元的高压高温空气进入初级热交换器120。初级热交换器120将高压高温空气冷却到近似周围温度以产生冷却增压空气。此冷却增压空气进入冷凝器160，在冷凝器160中，此空气进一步由来自压缩装置210a的涡轮213的空气冷却。当离开冷凝器160时，冷却增压空气进入水提取器272，使得空气中的水分得以移除。

冷却增压空气然后与源自入口201的新鲜空气混合以产生混合空气。新鲜空气在混合之前由压缩机212压缩(压缩到与冷却高压空气近似相同的压力)。压缩新鲜空气的动作加热新鲜空气。压缩新鲜空气进入外流热交换器230并且由客舱排出空气冷却(参看点虚线f2)以产生冷却的压缩新鲜空气。外流热交换器230将客舱排出空气排放穿过外壳119，以到达客舱压力控制系统或外流阀(应注意，阀v3可控制外流热交换器230的排气的目的地)。冷却的压缩新鲜空气然后进入次级热交换器130并且进一步冷却到近似周围温度。离开次级热交换器130的空气由阀v2引导到水提取器271(在水提取器271中任何自由水分被移除)，以产生冷却增压空气。

两种空气流在涡轮213的上游混合以产生混合空气。这两种空气流包括源自201的冷却增压新鲜空气和源自入口101的冷却增压放出空气。此上游位置可被认为是环境控制系统200a的第一混合点m1。混合空气进入并离开涡轮213。混合空气然后进入冷凝器160以冷却离开初级热交换器120的放出空气。混合空气然后被传送以调节腔室102。因此，在环境控制系统200a中，放出空气可驱动引导程序空气循环，其中压缩装置210a接收新鲜空气。比如，两种介质(例如，放出空气和新鲜空气)在涡轮213的上游、诸如在涡轮213的入口处混合，并且进入涡轮213，在涡轮213中提取动力。此动力用于驱动接收新鲜空气的压缩机212。

混合空气通过喷嘴进入涡轮213。混合空气跨涡轮213膨胀，并且得以从混合空气提取功。此所提取的功驱动用于压缩新鲜空气的压缩机212。此所提取的功还驱动风扇216，所述风扇216用于使空气(例如，冲压空气)移动穿过初级热交换器120和次级热交换器130(也称为冲压空气热交换器)。

此低海拔操作可被认为是低海拔模式。低海拔模式可用于地面和低海拔飞行条件，诸如地面闲置、滑行、起飞以及等待条件。

在环境控制系统200的高海拔操作中，新鲜外部空气可在涡轮213的下游(而不是在涡轮213的上游、在涡轮213的入口处和/或在第一混合点m1处)混合。在这种情景下，离开次级热交换器130的空气由阀v2引导到涡轮213的下游。此冷却中压空气与源自入口101并且离开冷凝器160的放出空气混合的位置可被认为是环境控制系统200的第二混合点m2。应注意：混合点m2可以是在涡轮213下游、诸如在冷凝器160下游的任何点处的位置，如图2所示。

此高海拔操作可被认为是高海拔模式。高海拔模式可在高海拔巡航、爬升以及下降飞行条件下使用。在高海拔模式下，通过混合这两种空气流(例如，源自201的新鲜外部空气和源自入口101的放出空气)满足乘客的新鲜空气航空要求。此外，取决于飞行器的海拔，所需放出空气的量可减少。以此方式，环境控制系统200提供范围是从40％至75％的放出空气减少量，以关于发动机燃料燃烧提供比当代飞机空气系统更高的效率。

图2b和2c展示环境控制系统200a的变型。现在转向图2b，描绘了根据一个实施方案的环境控制系统200b(例如，环境控制系统200a的实施方案)的示意图。为了易于解释，系统100和200a的与环境控制系统200b类似的部件通过使用相同标识符被再用并且不再介绍。环境控制系统200b的替代部件包括压缩装置210b，其包括部件279和部件280。部件279包括压缩机212、涡轮213以及轴318。部件280可以是旋转装置(例如，涡轮驱动的风扇)，其包括涡轮287、轴288以及风扇289。环境控制系统200b还可包括源自入口101的介质的次级路径(例如，阀v1.2可将来自入口101的介质提供到涡轮287的入口)。

环境控制系统300的操作与环境控制系统200的类似之处在于：基于操作模式利用不同混合点m1和m2。另外，环境控制系统300将冲压空气风扇(例如，风扇216)与空气循环机(例如，压缩装置210a)分开并且将冲压空气风扇设置在旋转装置(例如，部件280)内。部件280的涡轮287由流动穿过阀v1.2的源自入口101的放出空气来提供动力。

现在转向图2c，描绘了根据一个实施方案的环境控制系统200c(例如，环境控制系统200a的实施方案)的示意图。为了易于解释，系统100、200a和200b的与环境控制系统200c类似的部件通过使用相同标识符被再用并且不再介绍。环境控制系统200c的替代部件包括压缩装置210c，其包括部件279和部件280。部件290可以是旋转装置(例如，整体转子或叶尖涡轮)，其包括涡轮297、轴298以及电机289。

环境控制系统200c的操作与环境控制系统200a的类似之处在于：基于操作模式利用不同混合点。另外，环境控制系统200c将冲压空气风扇(例如，风扇216)与空气循环机(例如，压缩装置210a)分开并且将冲压空气风扇设置在旋转装置(例如，部件290)内。部件290的电机297由电力提供动力。

图3a展示根据一个实施方案的环境控制系统300(作为环境控制系统200a、200b和200c的变型)的示意图。为了易于解释，系统100、200a、200b和200c的与环境控制系统300类似的部件通过使用相同标识符被再用并且不再介绍。环境控制系统300的替代部件包括压缩装置210a，其包括多喷嘴构型390。多喷嘴构型390基于飞行器周围的条件实现变化的喷嘴区域，而不添加可变区域涡轮的复杂性。多喷嘴构型390包括具有一个或多个喷嘴的涡轮313。此外，一个或多个喷嘴中的每一个可根据涡轮313外部的机构接收介质。现在转向图3b，多喷嘴构型390的实施方案被示出为喷嘴构型391和392。

喷嘴构型391包括涡轮313和阀n1。阀n1调整(例如，从混合点m1)到涡轮313的混合空气流。阀n1以第一模式、第二模式或第三模式操作。第一模式或极限模式是所有混合空气都被供应到涡轮313具有最小区域的喷嘴时的模式。第二模式或中间模式是所有混合空气都被供应到涡轮313具有最大区域的喷嘴时的模式。第三模式或开放模式是所有混合空气被供应到涡轮313的两个喷嘴、由此提供最大混合空气流时的模式。在一个实施方案中，第一喷嘴可以是0.3英寸，并且第二喷嘴可以是0.9英寸。进而，第一模式下的喷嘴区域是0.3英寸，第二模式下的喷嘴区域是0.9英寸，并且第三模式下的喷嘴区域是1.3英寸。

喷嘴构型392包括涡轮313以及阀n2和n3。阀n2调整(例如，从混合点m1)到涡轮313的第一喷嘴的混合空气流。阀n3调整(例如，从混合点m1)到涡轮313的第二喷嘴的混合空气流。涡轮313的第一喷嘴包括的区域小于涡轮313的第二喷嘴的区域。阀n2和n3根据第一模式、第二模式或第三模式操作。第一模式或极限模式是仅阀n2向涡轮313的第一喷嘴供应混合空气(例如，阀n2向第一喷嘴提供增压介质并且阀n3阻断增压介质到达第二喷嘴)时的模式。第二模式或中间模式是仅阀n3向涡轮313的第二喷嘴供应混合空气(例如，阀n3向第二喷嘴提供增压介质并且阀n2阻断增压介质到达第一喷嘴)时的模式。第三模式或开放模式是阀n2和n3两者向涡轮313的两个喷嘴供应混合空气、由此提供最大混合空气流(例如，阀n2向第一喷嘴提供增压介质并且阀n3向第二喷嘴提供增压介质)时的模式。

鉴于飞行器实例并且相对于以上的喷嘴构型391和392中的任一个，当在地面上操作环境控制系统300时，利用第三模式。此外，当在飞行中时，环境控制系统300可根据放出空气的压力利用第一模式、第二模式或第三模式。进而，环境控制系统300可最大程度地使用放出压力，而不添加可变区域涡轮的复杂性。

现在转向图4a、4b和4c，描绘了根据实施方案的环境控制系统400a、400b和400c(例如，系统100、200a、200b、200c和300的实施方案)在其可安装在飞行器上时的示意图。在操作中，环境控制系统400a、400b和400c混合新鲜空气与放出空气。为了易于解释，系统100、200a、200b、200c和300的与环境控制系统400a、400b和400c类似的部件通过使用相同标识符被再用并且不再介绍。

图4a将环境控制系统400a展示成还包括：压缩装置410a(其包括压缩机412、涡轮413、涡轮414、风扇416以及轴418)，连同由点虚线f4.1和f4.2指示的介质的路径。环境控制系统400a的操作与环境控制系统200a的类似之处在于：基于操作模式利用不同混合点。

另外，当介质从腔室102被提供(例如，离开增压空间、飞行器的客舱或飞行器的客舱和飞行甲板的空气)时，介质可称为腔室排出空气(也称为客舱排出空气)。应注意：在一个或多个实施方案中，来自环境控制系统400a的客舱排出空气的排气可通过外壳119释放(例如，f4.1)，被送到客舱压力控制系统，或被提供给涡轮414(例如，f4.2)。

此外，在高海拔操作中，新鲜外部空气可在涡轮413的下游而不是上游混合，并且通过利用涡轮414，客舱排出空气中的能量可用于给压缩机414提供动力。也就是说，热空气可通过阀v3被馈送到涡轮414，使得压缩机412接收来自放出空气和客舱排出空气两者的动力。

图4b和4c展示环境控制系统400a的变型。在图4b中，描绘了根据一个实施方案的环境控制系统400b(例如，环境控制系统400a的实施方案)的示意图。环境控制系统400b包括压缩装置410b，其包括部件479和部件280。部件479包括压缩机412、涡轮413、涡轮414以及轴418。在图4c中，描绘了根据一个实施方案的环境控制系统400c(例如，环境控制系统400a的实施方案)的示意图。环境控制系统400c包括压缩装置410c，其包括部件479和部件290。环境控制系统400b和400c的操作与环境控制系统400a的类似之处在于：基于操作模式利用不同混合点。

图5展示根据一个实施方案的环境控制系统500(作为环境控制系统400a、400b和400c的变型)的示意图。为了易于解释，系统100以及400a、400b和400c的与环境控制系统400类似的部件通过使用相同标识符被再用并且不再介绍。环境控制系统400包括压缩装置410a，其包括多喷嘴构型590。多喷嘴构型590基于飞行器周围的条件实现变化的喷嘴区域，而不添加可变区域涡轮的复杂性。多喷嘴构型590的操作和布置与图3a的多喷嘴构型390和图3b的喷嘴构型391、392、392、394类似。

现在转向图6、7、8和9，描绘了环境控制系统600、700、800和900(例如，以上系统的实施方案)在其可安装在飞行器上时的示意图。在操作中，环境控制系统600、700、800和900混合新鲜空气与放出空气。为了易于解释，以上系统的与环境控制系统600、700、800和900类似的部件通过使用相同标识符被再用并且不再介绍。

图6是根据一个实施方案的包括至少一个混合点m6的环境控制系统600的示意图。环境控制系统600包括第三热交换器660(例如，冷凝器)，其在放出空气的流动路径中位于初级热交换器120的下游并且位于混合点m6的上游。

图7是根据一个实施方案的包括至少一个混合点m7的环境控制系统700的示意图。环境控制系统700包括第三热交换器760(例如，冷凝器)，其在新鲜空气的流动路径中位于次级热交换器130的下游并且位于混合点m7的上游。

图8是根据一个实施方案的包括至少一个混合点m8的环境控制系统800的示意图。环境控制系统800包括第三热交换器860(例如，冷凝器)，其位于混合点m8的下游。

图9是根据一个实施方案的包括至少一个混合点m9的环境控制系统800的示意图。环境控制系统900包括第一热交换器920、第二热交换器930和第三热交换器960。第一热交换器920可类似于冲压空气热交换器920(例如，在一个实施方案中，这可以是单冲压空气热交换器)。第二热交换器930可类似于外流热交换器230。第三热交换器960可类似于冷凝器160。应注意：第一热交换器920位于混合点m9的下游。

本文参考根据实施方案的方法、设备和/或系统的流程图解、示意图和/或方框图描述实施方案的各方面。此外，各种实施方案的描述已出于说明目的而呈现，但是并不意图是详尽的或局限于所公开的实施方案。在不背离所描述实施方案的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。选择本文中所使用的术语来最好地解释实施方案的原理、实际应用或对在市场中所见技术的技术改进，或者使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施方案。

本文使用的术语只用于描述特定实施方案的目的，而不意图是限制性的。如本文所使用，除非上下文另外明确说明，否则单数形式“一(a/an)”和“所述(the)”也意图包括复数形式。还将理解，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”当在此说明书中使用时，规定存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。

本文所描绘的流程图只是一个实例。在不脱离本文实施方案的精神的情况下，可存在对本文所描述的这个图或步骤(或操作)的许多变化。例如，可以按不同顺序执行所述步骤，或可以增添、删除或修改步骤。所有的这些变化被视为权利要求书的一部分。

虽然已经描述了优选实施方案，但应理解，现在和将来本领域的技术人员都可以做出落入以下权利要求书的范围内的各种改进和增强。这些权利要求应被解释为维持适当保护。