一种基于动力涡轮的飞机综合环境控制系统及其工作方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于动力涡轮的飞机综合环境控制系统及其工作方法，属于飞行器机载机电系统领域，将发动机引出的高温高压气体直接通过动力涡轮，将动力涡轮、压气机与环境控制系统的冷却涡轮轴连，动力涡轮与冷却涡轮膨胀作功带动压气机，将部分动力涡轮出口膨胀气体与座舱排气通过压气机增压后作为综合环境控制系统的引气来源，实现座舱环境控制系统和油箱惰化系统的耦合，使得发动机工作状态与环境控制系统和油箱惰化系统不产生直接联系，确保两系统在发动机怠速工况下仍稳定运行。本发明专利技术充分利用高温高压引气流量有用功能力，且回收利用座舱排气的有用能，有效减少发动机引气量，共轴末端设置飞轮调节、稳定转速，系统运行更稳定。更稳定。更稳定。

【技术实现步骤摘要】
一种基于动力涡轮的飞机综合环境控制系统及其工作方法


[0001]本专利技术属于飞行器机载机电系统领域，尤其涉及一种基于动力涡轮的飞机综合环境控制系统及其工作方法。

技术介绍

[0002]飞机环境控制系统不仅与机载设备的性能及可靠性有关，更直接影响到旅客和机组人员的安全性、舒适性和工作效能。环境控制技术的先进与否已是评价整个飞机性能的重要指标。此外，燃油系统起火或爆炸是引起飞机失事的主要原因之一，需要对燃油箱内无油空间实施受控惰化，为飞机油箱提供一个安全环境。基于中空纤维膜分离技术的机载油箱惰化技术是确保燃油箱安全性的一项高效经济技术方法，它利用空气分离组件产生富氮气体送往燃油箱，保持燃油箱处于惰化状态，提高飞行安全。
[0003]环境控制系统和机载油箱惰化系统是现有飞机机载机电系统的重要组成部分。其中飞机环境控制系统普遍采用升压式空气循环制冷系统，其利用来自发动机压气机的高温高压气源，通过初级换热器得到初步冷却，经过由冷却涡轮驱动的升压式压气机压缩后，温度、压力均有所提高，而后热空气再进入次级换热器得到冷却，最后通过冷却涡轮膨胀降温供向座舱。现有的机载油箱惰化系统亦大多采用从飞机发动机压气机直接引气，经过限流、降温、除杂等预处理满足机载空气分离设备入口条件要求后，再进入中空纤维膜分离器对空气进行分离，相应产生富氮气体和富氧气体，将富氮气体通入指定油箱实施受控惰化，富氧气体排入外界大气。
[0004]在实际应用中，环境控制系统和机载油箱惰化系统均为相互独立的系统的，环境控制系统从发动机引出的高温高压气体直接流入初级换热器将造成有用能的损失，一定程度上降低了高压气源的作功能力；同时，环境控制系统中还存在涡轮
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压气机组件输出功率的不匹配，系统运行不稳定等问题；而座舱空气直接排出机外亦产生了有用能的浪费。现有油箱惰化系统也存在着从发动机压气机引气将使供气压力受发动机工况的影响、引气通过直接降温浪费有用能等问题。此外，两系统相互独立，导致系统复杂，引气流量大，燃油代偿损失高，直接影响了飞机的整体性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种基于动力涡轮的飞机综合环境控制系统及其工作方法，充分利用高温高压引气流量有用功能力，且回收利用座舱排气的有用能，有效减少发动机引气量，不仅解决了环境控制系统和油箱惰化系统引气流量有用功能力损失问题，而且确保了环境控制系统和燃油惰化系统在发动机怠速工况下的稳定运行。
[0006]为达到以上目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于动力涡轮的飞机综合环境控制系统，包括引气输送系统、座舱环境控制系统、油箱惰化系统；所述引气输送系统将发动机引出的高温高压气体直接通过动力涡轮，冷却后分别输送到座舱环境控制系统和油箱惰化系统；所述座舱环境控制系统中座舱排气
重新进入引气系统进行循环；所述油箱惰化系统将引气通过中空纤维膜分离器分离出的富氮气体通入燃油箱实现油箱惰化。
[0007]所述引气输送系统包括发动机、动力涡轮、压气机、换热器、回热器、冷凝器、水分离器、压缩空气过滤器、油雾分离器；所述发动机后依次连接第一单向活门、第一电动调节阀；所述第一电动调节阀与动力涡轮入口连接；所述动力涡轮出口分为两路，一路经旁通阀后连接压气机入口，另一路与回热器冷侧通道入口连接；所述回热器冷侧通道出口与外界大气连通；所述压气机出口后依次连接换热器热侧通道、回热器热侧通道、冷凝器热侧通道、水分离器、压缩空气过滤器、油雾分离器；所述换热器冷侧通道入口和出口均与外界大气连接；所述油雾分离器出口气体通过三通阀分为两路，一路连接于冷却涡轮入口，另一路连接于中空纤维膜分离器入口；所述座舱环境控制系统包括冷却涡轮、混合室、座舱；所述冷却涡轮出口后依次连接第二单向活门、消声器、混合室、最低温度限制器、第一温度传感器、最高温度限制器、第一压力传感器、座舱；所述座舱的回风通道出口后依次连接再循环空气过滤器、第三单向活门、座舱空气再循环风扇、混合室的回风通道入口；所述座舱的排气通道出口与冷凝器冷侧通道入口管道连接；所述冷凝器冷侧通道出口与压气机入口连接；所述油箱惰化系统包括中空纤维膜分离器，所述中空纤维膜分离器包含空气入口、富氧气体出口和富氮气体出口；所述中空纤维膜分离器的富氧气体出口直接排放给大气环境；所述中空纤维膜分离器的富氮气体出口后依次连接第二压力传感器、第二温度传感器、第二电动调节阀、第一火焰抑制器、燃油箱气体进口；所述燃油箱出口气体经第二火焰抑制器后排入大气环境。
[0008]以上所述系统中，所述动力涡轮、压气机、冷却涡轮通过轴依次连接；所述冷却涡轮后通过轴还连接飞轮；所述动力涡轮、冷却涡轮膨胀作功，驱动同轴的压气机工作；所述飞轮根据机型选择，用于稳定转速；所述水分离器液态水出口通过管道喷淋至换热器冷侧通道入口；所述系统包括控制器；所述控制器电流输入端分别和最低温度限制器、第一温度传感器、最高温度限制器、第一压力传感器、第二压力传感器、第二温度传感器电气相连；所述氧浓度传感器的探头伸入燃油箱内，检测燃油箱上部空间气体的氧浓度，并将其传递给控制器；所述控制器的电流输出端分别和第一电动调节阀、旁通阀、三通阀、第二电动调节阀电气相连。
[0009]上述基于动力涡轮的飞机综合环境控制系统的工作方法，包括引气输送与制冷过程、引气输送与机载制氮油箱惰化过程、数据采集及控制过程；所述引气输送与制冷过程具体步骤如下：发动机高温高压引气经第一单向活门、第一电动调节阀进入制冷系统的制冷组件；引气通过第一电动调节阀控制流量后进入动力涡轮膨胀作功，降温降压；由动力涡轮供
给的气体分为两路，一路通过旁通阀控制流量后进入压气机入口，另一路作为回热器冷却气流冷却换热器热侧通道出口气体，从回热器冷却通道出口流出后排入外界大气；座舱排气作为冷凝器的冷却气流，冷却回热器热侧通道出口气体，从冷凝器冷却通道出口流出后与动力涡轮出口经过旁通阀的一路气体一起进入压气机增压升温；压气机出口高温高压气体经过换热器，在换热器中由冲压空气冷却，通过换热器热侧通道进入回热器进一步冷却，冷却后的气体通过回热器热侧通道进入冷凝器，在冷凝器中利用座舱排气深冷后，通过水分离器排除凝结水；从水分离器中除去的水，由喷嘴喷淋至换热器冷侧通道冲压空气进口，通过蒸发冷却冲压空气，用以提高热交换器的效率；经水分离器除水后的新鲜空气经过压缩空气过滤器、油雾分离器后，经三通阀分为两路，一路作为冷却涡轮的工作气流；另一路通入机载制氮油箱惰化系统；经冷却涡轮膨胀降温后的新鲜空气经第二单向活门、消声器通入混合室；由混合室排出的调制空气经过最低温度限制器，第一温度传感器，最高温度限制器，第一压力传感器供入座舱；座舱的部分回风经过再循环空气过滤器，第三单向活门，座舱空气再循环风扇进入混合室与来自冷却涡轮的新鲜空气充分混合；所述的引气输送与机载制氮油箱惰化过程具体步骤如下：三通阀另一路气体通过中空纤维膜分离器进行空气分离，所得富氧气体排入外界大气，所得富氮气体经过第二压力传感器、第二温度传感器、第二电动调节阀、第一火焰抑制器后通入燃油箱，对燃油箱进行惰化保护，燃油本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于动力涡轮的飞机综合环境控制系统，其特征在于，包括引气输送系统、座舱环境控制系统、油箱惰化系统；所述引气输送系统将发动机引出的高温高压气体直接通过动力涡轮，冷却后分别输送到座舱环境控制系统和油箱惰化系统；所述座舱环境控制系统中座舱排气重新进入引气系统进行循环；所述油箱惰化系统将引气分离出富氮气体通入燃油箱实现油箱惰化。2.根据权利要求1所述的基于动力涡轮的飞机综合环境控制系统，其特征在于，所述引气输送系统包括发动机、动力涡轮、压气机、换热器、回热器、冷凝器、水分离器、压缩空气过滤器、油雾分离器；所述发动机后依次连接第一单向活门、第一电动调节阀；所述第一电动调节阀与动力涡轮入口连接；所述动力涡轮出口分为两路，一路经旁通阀后连接压气机入口，另一路与回热器冷侧通道入口连接；所述压气机出口后依次连接换热器热侧通道、回热器热侧通道、冷凝器热侧通道、水分离器、压缩空气过滤器、油雾分离器；所述油雾分离器出口通过三通阀分为两路，一路连接于座舱环境控制系统入口，另一路连接于油箱惰化系统入口。3.根据权利要求2所述的基于动力涡轮的飞机综合环境控制系统，其特征在于，所述换热器冷侧通道入口和出口均与外界大气连接；所述回热器冷侧通道出口与外界大气连通。4.根据权利要求2所述的基于动力涡轮的飞机综合环境控制系统，其特征在于，所述座舱环境控制系统包括冷却涡轮、混合室、座舱；所述冷却涡轮入口连接通过三通阀连接引气输送系统，出口后依次连接第二单向活门、消声器、混合室、最低温度限制器、第一温度传感器、最高温度限制器、第一压力传感器、座舱；所述座舱的排气通道出口与冷凝器冷侧通道入口管道连接；所述冷凝器冷侧通道出口与压气机入口连接。5.根据权利要求4所述的基于动力涡轮的飞机综合环境控制系统，其特征在于，所述座舱的回风通道出口后依次连接再循环空气过滤器、第三单向活门、座舱空气再循环风扇、混合室的回风通道入口。6.根据权利要求2所述的基于动力涡轮的飞机综合环境控制系统，其特征在于，所述油箱惰化系统包括中空纤维膜分离器，所述中空纤维膜分离器包含空气入口、富氧气体出口和富氮气体出口；所述中空纤维膜分离器的富氧气体出口直接排放给大气环境；所述中空纤维膜分离器的富氮气体出口后依次连接第二压力传感器、第二温度传感器、第二电动调节阀、第一火焰抑制器、燃油箱气体进口；所述燃油箱出口气体经第二火焰抑制器后排入大气环境。7.根据权利要求4所述的基于动力涡轮的飞机综合环境控制系统，其特征在于，所述动力涡轮、压气机、冷却涡轮通过轴依次连接；所述冷却涡轮后通过轴连接飞轮；所述动力涡轮、冷却涡轮膨胀作功，驱动同轴的压气机工作。8.根据权利要求2所述的基于动力涡轮的飞机综合环境控制系统，其特征在于，所述水分离器液态水出口通过管道喷淋至换热器冷侧通道入口。9.根据权利要求4或6所述的基于动力涡轮的飞机综合环境控制系统，其特征在于，所述控制系统包括控制器；所述控制器电流输入端分别和最低温度限制器、第一温度传感器、最高温度限制器、第一压力传感器、第二压力传感器、第二温度传感器电气相连；所述氧浓度传感器的探头伸入燃油箱内，检测燃油箱上部空间气体的氧浓度，并将其传递给控...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊心悦，刘卫华，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：