CN101376493A - 新型机载制氧-制氮耦合系统 - Google Patents
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Abstract
一种新型机载制氧－制氮耦合系统，它主要由分子筛变压吸附制氧系统、中空纤维膜分离制氮系统及其它附件组成。该系统充分利用了制氧、制氮方式对入口气流压力的不同要求，应用引射器，将全部或部分制氮系统排放气体予以回收。该系统可有效地减少对发动机引气量的需求；且结构简单、无任何运动部件、运行可靠、体积小、重量轻。它符合未来航空附件的发展方向，及对机载设备的要求。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种新型机载制氧-制氮耦合系统，它可应用于各种类型的军用或民用飞机上，作为供氧防护救生及油箱惰性化安全保护措施的机载装备。
背景技术
为保证长时间的续航供氧，先进战机已经摒弃了传统的气氧、液氧作为唯一供氧源的方法，而转向采用机载制氧技术；与此同时，为了提高现代军用机燃油系统的防火防爆能力，使燃油箱始终处于安全状态，要求对油箱进行惰性化处理，机载制氮技术也就应运而生了。在国外，机载制氧、机载制氮技术已经得到了较深入的研究，并开始应用于战斗机、直升机、运输机及民用机等不同类型飞机上。
当前机载制氧、机载制氮技术都趋于采用从飞机发动机压气机(或环控系统)中引气，并利用现代空气分离技术对其进行分离，来分别制取高浓度的氧气和氮气。因此，如果能实现机载制氧-制氮系统的耦合，以充分利用制氮(制氧)系统的排放气体，则可大大地减少从飞机发动机压气机的引气量、并降低系统的总重量及体积，从而大大提高了飞机的机动性、战斗性及生存能力。然而，由于机载制氧、制氮系统对其工作条件、压力、流量等技术参数的要求各不相同，有时候甚至是相互冲突的，因此，要研制这样的耦合系统存在着一定的技术难度。
早在1986年5月，美国利顿(LITTON)仪器公司的生命保障分公司(ILSD)就承接了V-22飞机机载制氧、制氮综合系统的研制任务。其中，制氧系统将为四名机组人员呼吸提供所需要的氧气，而制氮系统则用以产生富氮气体来惰化V-22飞机的13个油箱。同时，还要求该综合系统重量不能大于32.7kg。附图1为利顿公司所采用的综合系统结构示意图，附图2是利顿公司申请欧洲专利时，所采用的系统原理图。该综合系统是建立在分子筛变压吸附(PSA)空气分离技术基础上的。其工作原理及流程是：从飞机发动机压气机中的引气在经过冷却、稳流、稳压等措施处理后，流入旋转阀，并由该阀来控制分配到两个氮气吸附床和两个氧气吸附床的加压空气量；通过分子筛吸附床的变压吸附/再生来进行空气分离；所产生的富氮气体通入油箱，进行油箱惰性化保护；而富氧气体直接供机组人员呼吸所用。由于该综合式系统充分利用了公共分配元件，如图中所示的断流阀、水分离器、压力调节器及旋转阀等等，因此，它使得系统重量减少效果十分明显。该系统最终尺寸为0.66×0.46×0.26m，系统总重量为27.4kg，而估算，具有同样输出的两个独立系统总重量将达36.3～38.1kg。
然而，就利顿公司所设计的综合系统而言，它还存在着如下不足：第一，利顿公司所提出的系统还仅仅只是综合了机载制氧、制氮系统，而不是耦合。因此，它虽然可以通过共用一些部件来降低系统总重量，但它还不能有效地降低对飞机发动机压气机引气量的要求。第二，该系统均采用分子筛变压吸附空气分离方法，虽然该方法也具有寿命长、重量轻等优点，但是与当前的中空纤维膜分离制氮方法比较，它还存在着引气量及环境和介质温度对分子筛组件性能影响较大、工作可靠性较低等缺陷。因此，可以说，虽然美英等航空大国已经对机载制氧、制氮系统及技术开展了大量有价值的研究工作，且部分研究成果也成功地应用到了有关飞机机型上，但真正意义上的耦合系统还未见报道。从可查阅的资料来看，它还仅仅处于将机载制氧、制氮系统综合的水平上，还没有达到充分利用制氮(制氧)系统的排放气体，实现制氧、制氮系统耦合，减少飞机发动机压气机引气量及进一步降低系统重量的目标。
发明内容
为了克服现有的飞机机载制氧、制氮综合系统不能有效地减少发动机压气机引气量，系统复杂，工作可靠性低等不足，本发明提供一种新型机载制氧、制氮耦合系统，该耦合系统充分应用了最新的机载制氮技术研究成果，它不仅具有美国利顿公司综合系统所具有的一切优点，而且还独具特色，更好地符合了机载制氧、制氮系统的发展方向，且无任何运动部件，简单可靠。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：以分子筛变压吸附空气分离系统作为机载制氧、中空纤维膜空气分离系统作为机载制氮方式，并充分利用制氧、制氮方式对压力的不同要求，应用引射器，将膜制氮系统的排放气体全部或部分予以回收。
本发明的工作原理及流程是：在图3中来自发动机压气机的引气(8)在通过冷却、稳流、稳压等技术措施后，进入分配器(1)；在分配器(1)中，来流被分为两路，一路通过膜分离制氮系统(7)，制取富氮气体，富氮气体通入飞机油箱(6)，进行惰性化保护；另一路作为引射器(2)的工作气流，用以引射膜分离装置中排放废气(富氧气体)；混合气体流入分子筛制氧系统(3)；流出分子筛的废气(4)直接排放大气；富氧气体流入座舱或驾驶舱，作为氧气输出(5)，供机组人员呼吸所用。
本发明的有益效果是：减少对发动机压气机引气量的需求；系统结构简单、且无任何运动部件，运行可靠，体积小，重量轻，符合机载设备的要求。
附图说明
下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。
图1是利顿公司机载制氧、制氮耦合系统结构示意图。
图1中：1.引气 2.断流阀 3.温度开关 4.水分离器 5.排水 6.调压器 7.电动机 8.旋转阀 9.氧气床 10.定径孔 11.增压室 12.氧气输出13.氮气输出 14.单向阀 15.氮气床 16.排气 17.通风
图2是利顿公司申请欧洲专利所用的原理图。
图2中：1.引气 2.换热器 3.过滤水分离器 4.机载制氮系统5.油箱 6.排气 7.流量控制器 8.应急氧气 9.呼吸罩 10.机载制氧系统
图3是本发明的系统原理图。
图3中：1.分配器 2.引射器 3.分子筛制氧系统 4.废气 5.氧气输出 6.油箱 7.膜分离制氮系统 8.引气
图4是应用本发明对某直升飞机的设计原理图。
图4中：1.分配器 2.引射器 3.分子筛制氧系统 4.废气 5.氧气输出 6.油箱 7.膜分离制氮系统 8.引气
应用本发明对某直升飞机的具体实施实例如下：
在图4中，来自发动机压气机压力为0.4～1.3MPa的引气(8)，在通过冷却、稳流、降压等措施后，进入分配器(1)。在分配器(1)中，来流被分为两路，一路通过膜分离制氮系统(7)，进行空气分离，并将所制取的富氮气体通入油箱(6)，进行燃油洗涤及惰性化保护；另一路作为引射器(2)的工作气流，用以引射膜分离制氮系统(7)所排放的废气，即富氧气体(此时，富氧气体压力大约为0.047～0.1MPa)。富氧气体与工作气流经过混合后，流入分子筛制氧系统(3)，用于制取富氧气体，所制取的富氧气体作为氧气输出(5)供座舱或驾驶舱使用，废气(4)直接排放大气。
Claims (12)
1.一种新型机载制氧-制氮耦合系统，主要由制氧系统和制氮系统组成，其特征是：以分子筛变压吸附作为机载制氧、中空纤维膜分离作为机载制氮方式。
2.根据权利要求1所述的新型机载制氧-制氮耦合系统，其特征是：应用引射器(2)，将制氧系统和制氮系统耦合。
3.根据权利要求1所述的新型机载制氧-制氮耦合系统，其特征是：应用分配器(1)，对来流进行分配。
4.根据权利要求1所述的新型机载制氧-制氮耦合系统，其特征是：流出分配器(1)的来流被分为两路，一路通过膜分离制氮系统(7)，制取富氮气体，另一路作为引射器(2)的工作气流。
5.根据权利要求1所述的新型机载制氧-制氮耦合系统，其特征是：引气在分配器的分配比例依据飞机油箱大小和机组人员数量确定。
6.根据权利要求1所述的新型机载制氧-制氮耦合系统，其特征是：利用引射器(2)将膜分离制氮系统(7)排放的富氧气体通过引射进行全部或部分回收。
7.根据权利要求1所述的新型机载制氧-制氮耦合系统，其特征是：通过膜分离制氮系统(7)所制取的富氮气体直接通入飞机油箱(6)，进行油箱洗涤和惰性化保护。
8.根据权利要求1所述的新型机载制氧-制氮耦合系统，其特征是：流入分子筛制氧系统(3)的气体为通过分配器(1)的部分来流气体和膜分离制氮系统(7)的排放气体的混合气体。
9.根据权利要求1所述的新型机载制氧-制氮耦合系统，其特征是：流出分子筛制氧系统(3)的富氧气体通入座舱或驾驶舱，供人员呼吸所用。
10.根据权利要求1所述的新型机载制氧-制氮耦合系统，其特征是：流出分子筛制氧系统的废气(4)直接排放大气。
11.根据权利要求1所述的新型机载制氧-制氮耦合系统，其特征是：流入分配器(1)的引气(8)，来自飞机发动机压气机引气或来自飞机环境控制系统。
12.根据权利要求1所述的新型机载制氧-制氮耦合系统，其特征是：流入分配器(1)的引气(8)，具有合适的温度、压力。
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