用于为飞行器提供非推进功率的设备和方法.pdf

本发明涉及一种用于为飞行器提供非推进功率的方法，包括使用选自以下能量源的组合来驱动用于对飞行器的环境进行控制的系统(1)的轴(13)：辅助功率单元(4)；启动器/发电机(18)；以及用于提供辅助空气的装置(63)。

1.  一种用于为飞行器提供非推进功率的方法，包括使用选自以下能量来源 的组合来驱动所述飞行器的环境控制系统(1)的轴(13)：
辅助功率单元(4)；
启动器/发电机(18)；以及
辅助空气供给装置(63)。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中，所述辅助功率单元(4)生成气流 以驱动被刚性连接到所述环境控制系统(1)的所述轴(13)上的自由涡轮(5)。

3.  根据权利要求1或2所述的方法，其中，当所述启动器/发电机(18) 用作启动器时，所述启动器/发电机(18)由诸如机场的地面电力设备或者所述 飞行器的电力系统之类的供电装置进行供电。

4.  根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，当所述启动器/发电 机(18)用作启动器时，所述启动器/发电机(18)由所述辅助功率单元(4) 的发电机/启动器(46)供电。

5.  根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述辅助空气供给装 置(63)驱动被刚性连接到所述环境控制系统(1)的所述轴(13)上的自由涡 轮(5)。

6.  根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述辅助空气供给装 置(63)由所述飞行器的主引擎形成或者由机场的空气供给地面设备形成。

7.  一种用于为飞行器提供非推进功率的设备，所述设备包括：
辅助功率单元(4)，包括功率压缩机(41)、燃烧室(44)、以及通过功率 轴(43)连接到所述功率压缩机(41)上的功率涡轮(42)；
环境控制系统(1)，包括涡轮(12)和负荷压缩机(11)，所述涡轮(12) 用于将调节空气(A_reg)分配到客舱(2)，所述负荷压缩机(11)通过连接轴(13) 连接到分配涡轮(12)，
所述环境控制系统(1)包括被刚性连接到所述连接轴(13)上的自由驱动 涡轮(5)，并且所述环境控制系统(1)和所述辅助功率单元(4)被配置使得 所述功率涡轮(42)向所述自由驱动涡轮(5)供给气流(A_APU)，从而驱动被 刚性连接到所述连接轴(13)上的所述负荷压缩机(11)，
其特征在于，所述设备进一步包括至少一个以下能量来源：
次级启动器/发电机(18)，用于将所述连接轴(13)设定成旋转；以及
辅助空气供给装置(63)，被设置为将所述环境控制系统的所述自由驱动涡 轮(5)设定成旋转，从而驱动被刚性连接到所述连接轴(13)上的所述负荷压 缩机(11)。

8.  根据权利要求7所述的设备，其中，所述非推进功率供给设备被安装在 飞行器的同一外壳中。

9.  根据权利要求7或8所述的设备，其中，分隔所述功率涡轮(42)和所 述自由涡轮(5)的距离小于30cm。

10.  根据权利要求7至9中任一项所述的设备，其中，所述功率启动器/ 发电机(46)用于在所述功率涡轮(42)旋转时生成电能。

11.  根据权利要求7至10中任一项所述的设备，其中，所述环境控制系统 (1)包括次级启动器/发电机(18)，所述次级启动器/发电机(18)用于将所述 连接轴(13)设定成旋转。

12.  根据权利要求11所述的设备，其中，所述环境控制系统(1)的所述 次级启动器/发电机(18)被电连接到所述辅助功率单元(4)上。

13.  根据权利要求7至12中任一项所述的设备，包括用于使所述自由驱动 涡轮(5)通气的装置(64)。

14.  根据权利要求7至13中任一项所述的设备，其中，所述自由驱动涡轮 (5)在所述连接轴(13)上被直接安装在所述负荷压缩机(11)附近。

15.  一种用于通过根据权利要求7至14中任一项所述的设备为飞行器提供 非推进功率的方法，其中，所述连接轴由以下能量来源中的至少一个进行驱动：
辅助功率单元(4)，所述辅助功率单元(4)的所述功率涡轮(42)向所述 自由驱动涡轮(5)供给气流(A_APU)以驱动被刚性连接到所述连接轴(13)上 的所述负荷压缩机(11)，或者
所述环境控制系统(1)的所述次级启动器/发电机(18)，以及
供给装置(63)，向所述环境控制系统(1)的所述自由驱动涡轮(5)供给 辅助气流，从而驱动被刚性连接到所述连接轴(13)上的所述负荷压缩机(11)。

用于为飞行器提供非推进功率的设备和方法
技术领域
本发明涉及为飞行器提供非推进功率的领域，包括电功率和气动功率的产 生，从而为飞行器中的乘客提供机舱中的增压和空气调节。客舱的温度和压强 调节通常使用本领域的技术人员已知的系统来实现，如代表“环境控制系统 (environmental control system)”的ECS。当飞行器的主引擎停用时，气动功率 和/或电功率的供给由本领域的技术人员已知的辅助功率单元来提供，如代表 “辅助功率单元(auxiliary power unit)”的APU。
背景技术
在简化方式下，参照图1A，ECS 1能够将外部压强为P0且外部温度为T0 的环境气流A_amb运送至飞行器，从而在将环境气流分配到客舱2之前对环境气 流进行冷却或加热。实际上，参照图1A，ECS 1包括负荷压缩机11以及通过 连接轴13连接的涡轮12、热交换器14和冷凝器15。
在工作中，ECS 1从飞行器的主引擎获得空气A_M以将负荷压缩机11设定 成旋转。负荷压缩机11经由供给阀17吸入环境空气A_amb并且将环境空气A_amb压缩到热交换器14中以调节环境空气A_amb的温度，并随后将环境空气A_amb压 缩到冷凝器15中以使环境空气A_amb干燥。如图1A中所示，冷却后的气流则在 被导入客舱2之前在冷涡轮12中膨胀。
可选地，在客舱2中循环之后，客舱2中的空气能够与环境空气A_amb一起 被引入混合器16中，该混合气体随后被负荷压缩机11吸入以通过限制从主引 擎获得的空气A_M量来提高ECS 1的效率。
从主引擎获得功率的ECS 1首先不利于飞行器的油耗，并且其次不利于主 引擎的配置，因为主引擎必须与ECS 1协作。实际上，出于可靠性的考虑，ECS 1在飞行器中被复制，这增加了对主引擎的约束。
参考图1B提出了借助于电动机3来驱动ECS 1，从而避免从飞行器的主引 擎获得功率。然而，这样的电驱动能量效率较低，这是一个缺点。
发明内容
为了消除这些缺点中的至少一些，本发明涉及一种用于为飞行器提供非推 进功率的方法，包括使用选自以下能量来源的组合来驱动对飞行器的环境进行 控制的系统的轴：
辅助功率单元；
启动器/发电机；以及
辅助空气供给装置。
根据本发明，环境控制系统ECS能够由多个能量来源激活，诸如气动源或 电源。辅助功率单元APU例如可以提供气动能量(通过传递气流)和/或电能 (例如，当配备有启动器/发电机时)。在本发明的一个特定实施例中，APU向 ECS供给气动能量并且APU包括启动器/发电机以向ECS的启动器/发电机供 电，从而向所述ECS传输功率提升。
启动器/发电机能够供给电能，并且辅助空气供给装置能够供给气动能量。
因此，本发明使得可以根据多种模式运行ECS，这将在之后详细说明。
辅助功率单元能够生成气流以驱动被刚性连接到所述环境控制系统的所述 轴上的自由涡轮。
当用作启动器时，启动器/发电机能够由供电装置供电，诸如机场的地面电 力设备或者飞行器的电力系统。通过变型或者另外地，启动器/发电机能够由辅 助功率单元的发电机/启动器供电。
用于供给辅助空气的装置可以驱动被刚性连接到环境控制系统的轴上的自 由涡轮。用于供给辅助空气的装置可由飞行器的主引擎形成或者由机场的空气 供给地面设备形成。
本发明还涉及一种用于为飞行器提供非推进功率的设备，该设备包括：
辅助功率单元，包括功率压缩机、燃烧室、以及通过功率轴连接到所述功 率压缩机上的功率涡轮；以及
环境控制系统，包括涡轮和负荷压缩机，涡轮用于将调节空气分配到客舱， 负荷压缩机通过连接轴连接到分配涡轮，
环境控制系统包括被刚性连接到连接轴上的自由驱动涡轮，并且环境控制 系统和辅助功率单元被配置以使功率涡轮向自由驱动涡轮供给气流，从而驱动 被刚性连接到连接轴上的负荷压缩机。
根据本发明的设备是独立的，并且该设备包括辅助功率单元APU的功能以 及环境控制系统ECS的功能，这是有利的。
按照惯例，飞行器包括辅助功率单元，已知其缩写为APU表示“auxiliary  power unit”，从而在飞行器在地面上并且其涡轮式喷射引擎并未工作时向飞行 器的设备提供气动功率或电功率提。在飞行器的飞行过程中，APU并未被使用 并且被视为“静重”。
有利地，功率单元和环境控制系统联接，从而首先限制从飞行器的主引擎 获得功率，并且其次充分使用APU的能力，而不是传统上仅在启动时使用APU。 此外，APU使得可以补充ECS的供给，这使得不再需要复制ECS。飞行器的 效率因此得到提高。
APU和ECS传统上被视为不同的功能模块，也就是说，APU与ECS之间 缺乏交互。该技术偏见具体导致飞行器设计师的特殊性上的明显差别，飞行器 设计师认为APU和ECS属于不同且区别明显的功能类别。APU和ECS分别属 于本领域的技术人员众所周知的功能类别ATA49和类别ATA21。
本发明与已知设备的区别在于，本发明进一步包括至少一个以下能量来源：
附属启动器/发电机，用于将连接轴设定成旋转；以及
用于供给辅助空气的装置，被设置为将环境控制系统的自由驱动涡轮设定 成旋转，从而驱动被刚性连接到连接轴上的负荷压缩机。
本发明尤其有利，这是因为，本发明使得可以借助于多个不同的来源来激 活环境控制系统，这些不同的来源可以彼此单独使用或者结合使用。
在第一情况下，ECS的连接轴可以由以下装置设定成旋转：(i)APU；或 者(ii)ECS的启动器/发电机，所述启动器/发电机能够被连接到供电装置上。
在第二情况下，ECS的连接轴可以由以下装置设定成旋转：(i)APU；或 者(iii)压缩空气供给装置。
在第三情况下，对应于前两种情况的结合，ECS的连接轴可以由以下装置 设定成旋转：(i)APU；(ii)ECS的启动器/发电机；或者(iii)压缩空气供给 装置。
换句话说，本发明提出了一种设备，该设备被配置以使能够从至少两种可 用的来源中选择用于ECS的激活源。这使得可以根据多种模式来运行设备，所 述多种模式包括：
独立工作模式A，其中，APU的功率涡轮向ECS的自由驱动涡轮供给气流， 从而驱动被刚性连接到连接轴上的负荷压缩机，
电工作模式E，其中，例如连接到辅助电源上的ECS的发电机/启动器将连 接轴设定成旋转，
气动工作模式P，其中，供给装置(辅助气动源)向ECS的自由驱动涡轮 供给气流，从而驱动被刚性连接到连接轴上的负荷压缩机。
较优地，非推进功率设备被安装在飞行器的同一外壳中。因此，APU与 ECS之间的协作不仅是功能上的也是实体上的，从而能够在允许高效联接的同 时降低调节设备的空间需求。
较优地，分隔功率涡轮和自由涡轮的距离小于30cm，从而允许高效的气动 联接。
较优地，辅助功率单元包括用于将功率轴设定成旋转的启动器/功率发电 机。同样较优地，启动器/功率发电机用于当功率涡轮旋转时生成电能。
启动器/发电机因此使得可以启动APU并且在需要额外的压缩空气时将过 剩电功率提供到ECS。另外，启动器/发电机有利地使得可以在APU的独立工 作期间存储电能，这提高了调节设备的能效。
较优地，环境控制系统的次级启动器/发电机被电连接到辅助功率单元上， 较优地连接到启动器/功率发电机上。因此，次级启动器/发电机使得可以根据压 缩空气需求为ECS提供过剩能量(被称为工作模式T)。
根据本发明的一个优选方面，调节设备包括用于为自由驱动涡轮通气的装 置，从而允许当ECS由辅助能源而非辅助功率单元供电时使自由驱动涡轮旋转。
较优地，自由驱动涡轮在连接轴上被直接安装在负荷压缩机附近，这使得 可以限制ECS的体积和复杂程度。
本发明进一步涉及一种用于借助于上述系统来调节飞行器客舱的方法，其 中，连接轴由以下能量来源中的至少一个驱动：
辅助功率单元，辅助功率单元的自由涡轮为自由驱动涡轮提供气流以驱动 被刚性连接到连接轴上的负荷压缩机，
环境控制系统的次级启动器/发电机，以及
供给装置，向环境控制系统的自由驱动涡轮供给辅助气流，从而驱动被刚 性连接到连接轴上的负荷压缩机。
附图说明
通过阅读仅以示例方式给出的以下说明并参照附图可以更好地理解本发 明，在附图中：
图1A为根据现有技术的ECS的简化示意图，其中，ECS使用来自飞行器 的主引擎的空气A_M驱动(如上所述)；
图1B为根据现有技术的ECS的简化示意图，其中，ECS使用专用电动机 驱动(如上所述)；
图2为根据本发明的为飞行器提供非推进功率的设备的示意图，其中，该 设备包括联接到辅助功率单元上的ECS；
图3为根据本发明的第一实施例(模式A)的提供非推进功率的设备的示 意图，其中，该设备的工作是独立的；
图4为根据本发明的第二实施例(模式T)的提供非推进功率的设备的示 意图，其中，辅助功率单元提供气动能量和电能以用于驱动ECS；
图5为根据本发明的第三实施例(模式E)的提供非推进功率的设备的示 意图，其中，该设备由辅助电源供给，辅助功率单元不是有源的；以及
图6为根据本发明的第四实施例(模式P)的提供非推进功率的设备的示 意图，其中，该设备由辅助气动源供给，辅助功率单元不是有源的。
应当注意的是，附图详细公开了用于实施本发明的发明，在适用的情况下， 所述附图当然能够用于更好地限定本发明。
具体实施方式
本发明针对飞行器进行说明，该飞行器包括一个或更多使飞行器移动的主 引擎。该飞行器进一步包括必须对压强和/或温度进行调节的客舱。参照图2对 提供非推进功率的设备10进行说明。
提供非推进功率的设备10包括环境控制系统1，本领域的技术人员已知为 术语ECS，以及辅助功率单元4，本领域的技术人员已知为术语APU。根据本 发明，ECS 1和APU 4被联接以使APU 4向ECS单元1提供功率，并因此降 低了从飞行器的主引擎获得的起飞功率。
ECS 1
如图2中所示，ECS 1包括涡轮12和负荷压缩机11，涡轮12用于将调节 后的空气A_reg分配到飞行器机舱2中，负荷压缩机11通过连接轴13连接到分 配涡轮12上。较优地，ECS 1包括热交换器14和冷凝器15，以使得负荷压缩 机11经由供给装置17获得的环境空气A_amb能够由热交换器14调节温度并且 由冷凝器15进行干燥，从而获得能够被引入客舱2中的调节气流A_reg。
较优地，ECS 1包括安装在ECS 1的连接轴13上的次级启动器/发电机18， 以便于首先当次级启动器/发电机18使用其电能储备作为启动器时能够将连接 轴13设定成旋转，并且其次当次级启动器/发电机18用作“发电机”时在连接轴 13旋转时积累电能。有利地，当用作启动器时，次级启动器/发电机18使得可 以精确调节客舱2的加压空气供给。
在此示例中，供给装置17为供给阀17的形式，但是毫无疑问地可以使用 其他装置。又较优地，ECS 1包括混合器16，混合器16用于将来自供给阀17 的环境气流A_amb与来自客舱2的气流混合。这样的来自客舱2的气流的再循环 使得可以有利地提高ECS 1的效率。
APU 4
依然参照图2，非推进功率供给设备10的APU 4包括功率压缩机41、燃 烧室44、以及通过功率轴43连接到所述功率压缩机41上的功率涡轮42。换句 话说，APU 4形成了气体发电机并且为飞行器的设备供电和/或提供气动供给。
较优地，APU 4包括安装在APU 4的功率轴43上的次级启动器/功率发电 机46，以便于首先当次级启动器/功率发电机46使用其电能储备作为“启动器” 时能够将功率轴43设定成旋转，并且其次当功率轴43旋转时积累电能。
较优地，启动器/功率发电机46借助于继电器箱45(也就是倍增器)安装 在功率轴43上，以使功率轴43的转速适用于启动器/功率发电机46的转速。 因此，启动器/功率发电机46能够由功率轴43驱动以便生成电能或驱动功率轴 43，也就是根据电能生成机械能。
根据本发明的一个方面，ECS 1的次级启动器/发电机18被电连接到APU 4 上，较优地连接到APU 4的启动器/功率发电机46上，以允许对ECS 1的连接 轴13进行电驱动，正如下文中详述的那样。而且，ECS 1的次级启动器/发电 机18还能够被电连接到机场的地面电力设备上，如下文中详述的那样。
因为APU和ECS中每个都具有启动器/发电机18、46，所以每个轴的速率 能够被自由调节以反应式地适应非推进功率供给设备10的要求。
按照惯例，这样的APU 4仅用于地面阶段，也就是说，仅用于飞行器的主 引擎实际启动之前和停转之后。APU 4和ECS 1惯例上是在飞行器飞行过程中 并不彼此交互的独立设备。根据本发明，APU 4和ECS 1在飞行器飞行期间进 行协作，从而对从飞行器的主引擎获得功率的次数进行限制并因此提高飞行器 的能量效率。另外，这使得可以形成大小和质量有限的设备。
如图2中所示，根据本发明，ECS 1包括被刚性连接到连接轴13上的自由 驱动涡轮5。ECS 1和APU 4被配置使得功率涡轮42向自由驱动涡轮5提供气 流A_APU以对刚性连接到连接轴13上的负荷压缩机11进行驱动。
如图2中所示，从APU 4的燃烧室44中排出的空气在功率涡轮42中膨胀 并随后在自由涡轮5中膨胀。因此，来自燃烧室44的能量首先参与对APU 4 的功率压缩机41的驱动，并且其次参与对ECS 1的负荷压缩机11的驱动。
较优地，非推进功率供给设备10包括用于向自由涡轮5提供辅助空气A_aux的装置63。辅助空气A_aux意味着例如来自飞行器的主引擎的气流或者由机场的 地面设备提供的气流。在此示例中，提供辅助空气A_aux的装置63采用供给阀的 形式。较优地，调节设备10包括用于在APU 4未激活时使自由涡轮5通气的 装置64。在此示例中，通气装置64采用通气阀的形式。
同样较优地，非推进功率供给设备10包括混合器62，混合器62被设置为 将来自提供辅助空气A_aux的装置63的气流、来自通气装置64的气流以及来自 功率涡轮42的气流A_APU进行混合。较优地，非推进功率供给设备10包括用于 将功率涡轮42供给的气流A_APU调节到混合器62的装置61，装置61较优地为 调节阀。
本发明旨在将APU 4与ECS 1结合以形成一种质量小、体积有限的非推进 功率供给设备10。
根据本发明的一个方面，APU 4和ECS 1属于飞行器中的相同外壳，该外 壳能够是单个单元或者进行了划分。较优地，分隔APU 4的功率涡轮42和ECS 1的自由涡轮5的距离小于30cm，较优地近似为5cm。APU 4的功率涡轮42 和ECS 1的自由涡轮5之间的靠近使得可以有效利用来自APU的燃烧室44的 气体的膨胀。较优地，自由驱动涡轮5在连接轴13上被直接安装在负荷压缩机 11的附近，也就是没有任何中间物品，从而限制了非推进功率供给设备10的 体积和复杂程度。
图3至图6示出了本发明的各种实施例，参照图3至图6将更好地理解本 发明。
独立工作(MODE-A)
参照图3，在独立工作中，APU 4是有源的。功率压缩机41吸入导入燃烧 室44并在燃烧室44压缩的环境空气A_amb。来自燃烧室44的气体在功率涡轮 42中膨胀。在功率涡轮42的下游，自由驱动涡轮5接收气流A_APU以借助于连 接轴13驱动ECS 1的负荷压缩机11。换句话说，优点在于利用来自气流A_APU的能量为ECS 1提供能量，并且因此避免从飞行器的主引擎获得能量。
负荷压缩机11经由供给装置17吸入外部空气A_amb，外部空气A_amb被导入 交换器14并在交换器14中压缩，并且被外部气流A_ext冷却。一旦被冷却，在 该气流在分配涡轮12中膨胀以随后将该气流导入客舱2中之前，使用冷凝器 15对气流干燥。来自客舱2的再循环空气能够被负荷压缩机11带走。混合器 16还能够适于调节负荷压缩机11吸入的空气中的环境空气A_amb的比例。
有利地，在模式A(MODE-A)期间，APU 4的启动器/功率发电机46在 用于启动组件之后能够借助于继电器箱45供给电能。较优地，ECS 1的启动器 /功率发电机18也能够供给电能。
在此示例中，辅助空气供给装置63和通气装置64被关闭。
在独立工作MODE-A中，ECS 1由APU 4气动地供给。该气动能量被自由 驱动涡轮5转化为连接轴13的旋转。该APU因此在飞行器的启动过程中使用 并且还用在飞行过程中。
电能输送的工作(MODE-T)
参照图4，在电能输送工作中，APU 4是有源的，并且来自燃烧室44的气 体在功率涡轮42中膨胀。与MODE-A的方式相似，在功率涡轮42的下游，自 由驱动涡轮5接收气流A_APU以借助于连接轴13驱动负荷压缩机11。
有利地，在模式T(MODE-T)期间，启动器/功率发电机46对ECS 1的 次级启动器/发电机18供电，从而加速连接轴13的驱动速率。换句话说，如果 对于特定条件，ECS 1需要大量能量，则启动器/功率发电机46能够供给电能， 这补充了由功率涡轮42提供的气动能量，这是非常有利的。连接轴13因此受 到临时的功率提升，这在飞行器对加压空气的要求很高的飞行阶段(所谓的“拉 升”或“下拉”阶段)是有利的。
在此示例中，辅助空气供给装置63和通气装置64被关闭。
在独立工作MODE-A中，ECS 1由APU 4气动地并电力地供给。有利地， 不必使非推进功率供给设备10的尺寸过大以响应瞬态力，APU 4提供的过剩电 能使得可以吸收瞬态力。
电工作(MODE-E)
参照图5，在电工作中，APU 4是无源的。ECS 1由次级启动器/发电机18 驱动，次级启动器/发电机18由辅助电源E_aux供电，例如由飞行器的地面电力 设备供电。
因此，在电模式工作期间，辅助电源E_aux驱动连接轴13。因为自由驱动涡 轮5被刚性连接到连接轴13上，所以使自由驱动涡轮5通气以防止由于APU 4 没有空气供给而造成的任何故障是很重要的。为此，在电工作中，通气阀64 打开而辅助空气供给装置63保持封闭。
在电工作模式E(MODE-E)中，辅助电源E_aux为ECS 1供电，这是有利 的并且尤其不会占用飞行器的资源。
气动工作(MODE-P)
参照图6，在气动工作中，APU 4是无源的。自由驱动涡轮5经由辅助气 动源A_aux驱动ECS 1，例如，经由机场供给压缩空气的地面设备驱动ECS 1。
因此，在气动模式工作期间，辅助气动源A_aux驱动连接轴5。为此，在气 动工作中，辅助空气供给装置63打开而通气装置64保持关闭。
在气动工作模式P(MODE-P)中，ECS 1由辅助气动源A_aux气动供给。该 气动功率源可以在飞行器外部(例如，机场的地面设备)或者来自集成在飞行 器中的压缩空气源(主引擎、机舱加压恢复等)。