BR102014030471B1 - Sistema de geração de gás inerte a bordo para uma aeronave e método para geração de gás inerte a bordo - Google Patents

Abstract

sistema de geração de gás inerte a bordo para uma aeronave, método para geração de gás inerte a bordo e método para sistema de geração de gás inerte a bordo de uma aeronave. um sistema de geração de gás inerte a bordo para uma aeronave compreende um compressor (10) configurado para receber ar descartado da cabina e para fornecer ar comprimido para um módulo de separação de ar (12) configurado para separar o ar em uma fração de ar enriquecida com nitrogênio e uma fração de ar enriquecida com oxigênio, com o ar comprimido passando do compressor para o módulo de separação de ar diretamente, sem resfriamento ativo.

Description

[001] Esta invenção relaciona-se com aparelho e método para a geração a bordo de gás inerte em uma aeronave para facilitar a inercialização dos tanques de combustível e outras áreas a bordo da aeronave.

[002] Nesta especificação a terminologia amplamente aceita é empregada com o termo “geração de gás inerte” significando a geração de uma atmosfera esgotada de oxigênio ou “enriquecida com nitrogênio” (NEA). É bem sabido usar um ou mais filtros ou “módulos de separação de ar” (ASMs) que separam um suprimento de ar de entrada em uma porção de ar enriquecida com nitrogênio (NEA) e uma porção enriquecida com oxigênio (OEA).

[003] Os sistemas atuais de inercialização de tanques de combustível que incluem compressores centrífugos para aumentar o ar da cabina tipicamente requerem trocadores de calor pós- compressão para reduzir o ar comprimido para uma temperatura de 71°C para suprimento para um módulo de separação de ar. Este esquema requer um sistema de resfriamento de ar de pressão dinâmica compreendendo um coletor NACA, condutos, um ventilador, uma válvula de controle de temperatura, um trocador de calor e uma saída para descarregar o ar de resfriamento. Uma arquitetura típica de sistema de inercialização de tanque de combustível usando ar da cabina como uma fonte de ar é mostrada na figura 1 dos desenhos anexos. Esta mostra um compressor de dois estágios compreendendo dois compressores com interresfriamento, e um trocador de calor pós-compressão que resfria o suprimento de ar para o módulo de separação de ar para abaixo de cerca de 71°C. Tanto o interresfriador quanto o trocador de calor tipicamente requerem um circuito de resfriamento de ar de pressão dinâmica compreendendo um coletor NACA, condutos, um sensor de temperatura e uma saída para descarregar o ar resfriado. O peso do equipamento e o volume requerido para contê-lo, junto com as múltiplas penetrações no casco, apresentam rigorosas restrições ao projetista da aeronave. Adicionalmente, estes fatores acima militam contra readaptar tal equipamento para uma aeronave existente.

[004] A tecnologia ASM tem evoluído pelo uso de reprojeto das trajetórias de fluxo do ar chegando e da fração NEA, e também usando fibras e resinas de alta temperatura para os componentes constituindo o módulo de separação de ar, tal que módulos de separação de ar capazes de filtrar ar com uma temperatura de entrada de até cerca de 150°C estejam disponíveis.

[005] Nós descobrimos que é possível prover um sistema mais simplificado para a geração de gás inerte que recebe ar da cabina, comprime-o via um compressor de estágio simples e então o fornece para um ASM sem requerer o outro compressor de segundo estágio, o interresfriador e o trocador de calor pós- compressão e seus respectivos circuitos de resfriamento do arranjo convencional. O sistema portanto opera em temperatura mais alta mas em pressões mais baixas que os usados anteriormente. A temperatura operacional mais alta intensifica a performance do módulo de separação de ar o que compensa a pressão operacional mais baixa tal que a performance de separação anterior seja mantida.

[006] Consequentemente, em um aspecto, esta invenção provê um sistema de geração de gás inerte a bordo para uma aeronave, compreendendo um compressor configurado para receber ar descartado da cabina e para fornecer ar comprimido para um módulo de separação de ar configurado para separar o ar em uma fração enriquecida com nitrogênio e uma fração enriquecida com oxigênio, com o ar comprimido passando do compressor para o módulo de separação de ar diretamente, sem resfriamento ativo.

[007] O termo “sem resfriamento ativo” é usado para significar que o fluxo a jusante do compressor para o módulo de separação de ar não passa por um trocador de calor requerendo a provisão de um fluxo de resfriamento secundário, a partir de uma fonte externa. Entretanto ele não impede a possibilidade de resfriar o próprio compressor, por exemplo, por meio de aletas de resfriamento, a passagem externa de fluido refrigerante tal como uma porção adicional de ar da cabina, ou uma mistura destas características.

[008] Neste arranjo o compressor de segundo estágio, o interresfriador e o trocador de calor pós-segundo estágio não mais são requeridos. Isto significa que o sistema de geração de gás inerte não requer a provisão de ar de pressão dinâmica ser fornecido para o interresfriador ou resfriador pós- compressão, e portanto a necessidade de múltiplas penetrações no casco, as entradas e saídas e condutos associados são removidos, tornando o arranjo adequado para readaptação.

[009] O compressor pode ser acionado por qualquer acionador primário adequado tal como um motor elétrico suprido a partir do sistema elétrico da aeronave ou por meio de uma turbina, ou por uma energia por eixo.

[0010] Preferivelmente, o compressor opera com uma razão de pressão entre 1,5 e 3,5, e idealmente ao redor de 2,5, tal que a temperatura de entrega não exceda a temperatura máxima operacional do módulo de separação de ar.

[0011] Preferivelmente, em uso, o compressor é operado para fornecer ar comprimido para o ASM a uma temperatura excedendo 80°C e até 150°C.

[0012] Uma configuração pode incluir um controlador responsivo à variação na temperatura do ar descartado da cabina para ajustar pelo menos uma de a velocidade operacional e a razão de pressão do compressor para manter o ar comprimido fornecido para o módulo de separação de ar na citada temperatura pré-determinada. Esta configuração pode incluir um sensor de temperatura para monitorar a temperatura do ar descartado da cabina, e um controlador responsivo ao citado sensor de temperatura para controlar pelo menos uma de a velocidade operacional e a razão de pressão do citado compressor para manter o ar comprimido suprido para o módulo de separação de ar na citada temperatura pré-determinada.

[0013] O sistema de geração de gás inerte a bordo pode incluir meios para resfriar a fração NEA; estes podem compreender um trocador de calor resfriado por um refrigerante adequado, que pode, por exemplo, compreender combustível da aeronave ou ar da cabina.

[0014] Em um outro aspecto, esta invenção provê um sistema de geração de gás inerte a bordo para uso a bordo de uma aeronave, compreendendo um compressor configurado para receber ar descartado da cabina e para fornecer ar comprimido para um módulo de separação de ar, e um controlador responsivo à temperatura do ar descartado da cabina para ajustar pelo menos uma de a velocidade operacional e a razão de pressão do citado compressor para manter o ar do compressor fornecido para o citado módulo de separação de ar a um nível pré-determinado.

[0015] Em um outro aspecto, esta invenção provê um método de geração de gás inerte a bordo que compreende fornecer ar da cabina para um compressor de estágio único, passando ar comprimido a partir do citado compressor para um módulo de separação de ar, e obter do citado módulo de separação de ar uma fração NEA do citado ar comprimido, sem resfriamento ativo do citado ar comprimido entre o citado compressor e o citado módulo de separação de ar.

[0016] Em ainda um outro aspecto esta invenção provê um método de sistema de geração de gás inerte a bordo compreendendo suprir um compressor com ar descartado da cabina, fornecer ar comprimido a partir do citado compressor para um módulo de separação de ar, e controlar o compressor para manter o ar comprimido suprido para o citado módulo de separação de ar a uma temperatura pré-determinada.

[0017] Embora a invenção tenha sido descrita acima, ela se estende para qualquer característica ou combinação inventiva de características definidas acima ou na descrição ou reivindicações seguintes.

[0018] A invenção será agora descrita abaixo, por meio de exemplo somente, referência sendo feita aos desenhos anexos, nos quais:

[0019] A figura 1 é um diagrama de blocos de um arranjo da técnica anterior de um sistema de inercialização de tanque de combustível de aeronave, e

[0020] A figura 2 é um diagrama de blocos de um sistema de inercialização de tanque de combustível de acordo com esta invenção.

[0021] Referindo-se à figura 2, ar descartado da cabina examinado é suprido a partir da cabina da aeronave para um compressor de estágio único 10. O compressor de estágio único tipicamente recebe ar da cabina a uma temperatura de até 24°C e é capaz de operar a uma pressão de 2,5 com uma eficiência isentrópica de 70%. O compressor de estágio único fornece ar comprimido para um módulo de separação de ar (ASM) 12 a uma temperatura de até 150°C. A fração NEA a partir do ASM 12 passa via uma válvula de controle 14 para o tanque de combustível da aeronave 16. Se requerido, a fração NEA a partir do módulo de separação de ar pode ser resfriada por meios adequados mostrados esquematicamente em 18. Por exemplo, ela pode ser resfriada pelo combustível da aeronave usando um trocador de calor adequado. O calor transferido a partir do NEA para o combustível da aeronave pode ser usado beneficamente para pré- aquecer o combustível da aeronave à medida que ele sai do tanque para passar para o motor da aeronave. Isto pode melhorar a performance do motor e, adicionalmente, provê anticongelamento.

[0022] Em um outro arranjo a NEA pode ser resfriada por um trocador de calor adequado externo ao tanque de combustível com refrigerante adequado, por exemplo, uma porção adicional de ar da cabina.

[0023] O compressor 10 também pode incluir resfriamento integral como indicado esquematicamente em 8.

[0024] Um sensor de temperatura 20 é provido na entrada do compressor e fornece um sinal de temperatura para um controlador 22 que controla a velocidade do motor 24 acionando o compressor, para garantir que a temperatura do fluido deixando o compressor seja controlada para um nível constante, tipicamente 150°C. Em operação, se a temperatura do ar da cabina provido para o compressor variar, a velocidade do compressor e consequentemente sua razão de pressão são ajustadas pelo controlador para manter uma temperatura substancialmente constante para o ASM 12. Será apreciado que um sistema de controle alternativo será para detectar a temperatura da saída do compressor e para ajustar a velocidade do motor acionando o compressor de acordo.

[0025] Na configuração acima o compressor pode ser um compressor centrífugo, um compressor rotativo de deslocamento positivo ou qualquer outro compressor adequado.

[0026] As configurações descritas aqui provêem redução significativa de custos do sistema, peso e envelope de espaço, e também aumentam a eficiência, confiabilidade e disponibilidade do sistema.

Claims (9)

1. Sistema de geração de gás inerte a bordo para uma aeronave, compreendendo um compressor (10) configurado para receber ar descartado da cabina e para fornecer ar comprimido para um módulo de separação de ar (12) configurado para separar o ar em uma fração de ar enriquecida com nitrogênio e uma fração de ar enriquecida com oxigênio, com o ar comprimido passando do compressor para o módulo de separação de ar diretamente, sem resfriamento ativo, caracterizadopelo fato de o sistema de geração de gás inerte a bordo incluir ainda um controlador (22) responsivo à variação na temperatura do ar descartado da cabina configurado para ajustar pelo menos uma de a velocidade operacional e a razão de pressão do compressor para manter o ar comprimido suprido para o módulo de separação de ar (12) na citada temperatura pré-determinada, e no qual o compressor (10) é configurado para ser controlado pelo controlador (22) para fornecer ar comprimido para o módulo de separação de ar (12) na citada temperatura pré-determinada.

2. Sistema de geração de gás inerte a bordo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de o compressor (10) incluir um alojamento e um arranjo de resfriamento para o citado alojamento.

3. Sistema de geração de gás inerte a bordo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizadopelo fato de o compressor (10) ser operado com uma razão de pressão entre 1,5 e 3,5.

4. Sistema de geração de gás inerte a bordo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizadopelo fato de o compressor (10) ser operado com uma razão de pressão de 2,5.

5. Sistema de geração de gás inerte a bordo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de incluir um sensor de temperatura (20) para monitorar a temperatura do ar descartado da cabina, e um controlador (22) responsivo ao citado sensor de temperatura para controlar pelo menos uma da velocidade operacional e da razão de pressão do citado compressor (10) para manter o ar comprimido suprido para o módulo de separação de ar (12) na citada temperatura pré- determinada.

6. Sistema de geração de gás inerte a bordo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizadopelo fato de incluir um arranjo de resfriamento (18) para resfriar a fração NEA.

7. Sistema de geração de gás inerte a bordo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizadopelo fato de o citado arranjo de resfriamento (18) compreender um trocador de calor tendo uma trajetória de refrigerante para receber combustível da aeronave.

8. Sistema de geração de gás inerte a bordo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizadopelo fato de o citado arranjo de resfriamento (18) compreender um trocador de calor tendo uma trajetória de refrigerante para receber ar da cabina.

9. Método para geração de gás inerte a bordo, por meio de um sistema de geração de gás inerte a bordo, conforme definido na reivindicação 1, caracterizadopelo fato de compreender fornecer ar da cabina para um compressor (10), passar ar comprimido a partir do citado compressor para um módulo de separação de ar (12), e obter do citado módulo de separação de ar (12) uma fração NEA do citado ar comprimido, sem resfriamento ativo do citado ar comprimido entre o citado compressor (10) e o citado módulo de separação de ar (10).

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