CN107840315A - 带膨胀机的机载制氧‑制氮耦合系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了带膨胀机的机载制氧‑制氮耦合系统及方法，属于航空系统技术领域。具体原理为：来自发动机压气机的引气被稳压、冷却后分成两路，一路给膨胀机做工来驱动两套压缩机；另一路被第一压缩机升压后通过中空纤维膜制氮系统，制取富氮气体用于惰化飞行器燃油箱；制氮系统中的排放废气（富氧气体）被另第二压缩机升压后通过分子筛制氧系统得到氧气，氧气流入座舱或驾驶舱，作为氧气输出，供机组人员呼吸所用。系统无电驱动设备，制造可行、分离膜效率高、运行可靠，体积小，重量轻，符合机载设备的要求。
Description
技术领域
本发明属于航空系统技术领域，涉及一种机载制氧-制氮耦合系统，特别涉及带膨胀机的机载制氧-制氮耦合系统及方法。
背景技术
众所周知，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，而转向了采用机载制氧技术。它以取之不尽的空气作为供氧源，通过机载设备对空气的分离，来满足机组人员呼吸用氧的需要。因此，它彻底改变了飞机续航时间受制于机载氧源的局面，给航空供氧系统带来了革命性的变化。不仅仅如此，机载制氧技术还大大降低了后勤保障的难度，减小了飞机的代偿损失。目前，机载制氧技术已经成为第三代和第四代战斗机供氧防护救生的重要性能标志之一。
与此同时，飞机燃油系统起火或爆炸是引起飞机失事的主要原因之一，飞机燃油系统的防火防爆能力，不仅直接关系到飞机生存力和易损性，同时也关系到飞机的利用率、成本以及人员安全。因此，如何提高油箱的防火防爆能力，也就成为了人们极为关注的研究问题。特别是随着飞行速度及性能的提高，它所带来的气动加热与电子设备热负荷的增大，使得现代飞行器将普遍趋于采用燃油综合热管理技术，进一步导致燃油温度上升，增加飞机油箱起火爆炸的概率。因此，对于现代飞行器，迫切需要采用有效措施，使得飞机燃油箱始终处于安全状态，即提高燃油系统的防火防爆能力。为满足该需要，提高燃油箱的防火防爆能力的油箱惰化技术的具体措施——机载制氮技术也就应运而生了。在国外，该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飞机机型上。
由此可见，机载制氧、机载制氮都是现代军用机发展所必须采用的新技术，它也体现了当前机载设备的发展趋势。就当前机载制氧、机载制氮技术研究及应用现状而言，它们都趋于采用从飞机发动机压气机（或环控系统）中引气，并利用现代分离技术对其进行分离，来制取高浓度的氧气和富氮气体。目前，机载制氧和机载制氮系统均为独立系统，分别从发动机引气生成所需的氧氮气体，由于分离效率的限制，所得的产品气仅占全部引气量的一小部分，大多气体被作为废气排出，因此总引气量很大，造成较大的代偿损失，而不论膜分离还是分子筛分离方法，其分离效率与入口气体的组成有较大关系，以分子筛制氧为例，如果入口气体的氧浓度越高，则分离效率也越高，因此，如果能实现机载制氧-制氮系统的耦合，并充分利用制氮（制氧）系统的排放气体，则可大大地减少飞机发动机压气机的引气量、增加分离装置的效率，降低系统总重量及总体积。然而，由于机载制氧、制氮系统的工作条件、流量要求等各不相同，有时候甚至相互冲突，要研制这样的耦合系统存在着一定技术难度。
早在1986年5月，美国某公司就承接了某飞机机载制氧、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该飞机的油箱。然后，就该所设计的综合系统而言，它还存在这如下不足：第一，该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。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。
发明内容
为了克服现有的飞机机载制氧、制氮系统不能有效地减少发动机压缩机引气量，系统复杂，工作可靠性低等不足，本发明提供了一种新型机载制氧、制氮耦合系统及方法。
本发明是这样实现的：
一种带膨胀机的机载制氧-制氮耦合系统及方法，包括发动机引气以及冲压空气，发动机引气依次经过温度传感器、第一电动控制阀、文丘里稳压器、第一流量传感器后与第一换热器的热侧通道入口相连；
所述第一换热器热侧通道出口分成两路，一路与膨胀机入口相连、另一路与第一压缩机入口相连接；所述膨胀机其一出口以及冲压空气与第一换热器冷侧通道入口连接；所述第一换热器冷侧通道出口通过管道排至机外；所述膨胀机其二出口经过第一压缩机驱动通道后与第二压缩机的驱动通道入口相连；第一压缩机出口依次经过第二换热器热侧通道、中空纤维膜制氮系统后与第二流量传感器的一端相连；
所述第二流量传感器另一端通过管道与飞机油箱连接；所述第二换热器冷侧通道入口通过管道与冲压空气连接；所述第二换热器冷侧通道出口通过管道排出机外；所述中空纤维膜制氮系统废气出口经过第二压缩机后与第三换热器热侧通道入口相连；所述第三换热器冷侧通道入口通过管道与冲压空气连接；所述第三换热器冷侧通道出口通过管道排出机外；
所述第三换热器热侧通道出口分成两路，一路经过第二电动控制阀后与第一分子筛制氧系统入口连接；另一路经过第三电动控制阀后与第二分子筛制氧系统入口连接；所述第一分子筛制氧系统出口以及第二分子筛制氧系统出口并联后，经过第三流量传感器通过管道流入座舱或驾驶舱；
所述温度传感器、第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器通过电缆并联并与自动控制器电流输入端连接；自动控制器电流输出端通过电缆分别与所述第一电动控制阀、第二电动控制阀、第三电动控制阀电流输入端连接。
带膨胀机的机载制氧-制氮耦合系统及方法，其包括以下过程：
1）制氮过程：来自发动机压气机的引气流过所述温度传感器、第一电动控制阀后，在所述文丘里稳压器中稳定、稳压。稳定流动的气体流过所述第一流量传感器，在所述第一换热器中被冲压空气冷却，然后分成两股。一股气体给所述膨胀机做功来驱动所述第一压缩机和第二压缩机。另一股气体在所述第一压缩机中被压缩升压，然后在所述第二换热器中被冲压空气冷却到合适温度；冷却后的气体通过所述中空纤维膜制氮系统，制取富氧气体，富氧气体通入飞机油箱进行惰化。
2）制氧过程：所述中空纤维膜制氮系统中的排放废气（富氧气体）在所述第二压缩机中被压缩。高温高压气体在所述第三换热器中被冷却到合适温度后流入分子筛制氧系统；流出分子筛的废气直接排放大气；富氧气体通过所述第三流量传感器后流入座舱或驾驶舱，作为氧气输出，供机组人员呼吸所用。设置所述第一分子筛制氧系统、第二分子筛制氧系统，通过控制所述第二电动控制阀、第三电动控制阀的开闭进行切换，提高制氧效率。
3）数据采集及控制过程：
所述温度传感器探测发动机引气的温度并将信号传输到所述自动控制器；当温度大于给定值时，自动控制器输出控制信号给所述第一电动控制阀，将其关闭。所述第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器探测气体流量并将信号传输到所述自动控制器进行分析判断系统工作状况。所述自动控制器通过控制所述第二电动控制阀、第三电动控制阀的开闭使两套分子筛制氧系统切换工作。
本发明的有益效果如下：
本发明以分子筛作为机载制氧、膜分离作为机载制氮方式，并充分利用制氧、制氮方式对压力的不同要求，应用机械式膨胀机驱动两套压缩机，将膜制氮系统排放气体予以回收。系统无电驱动设备，制造可行；两套压缩机可以为分子筛制氧系统、中空纤维膜制氮系统提供合适的入口压力，提高分离膜效率；机械式膨胀机转速高、体积小；减小了对发动机引气量的需求；系统运行可靠，体积小，重量轻，符合机载设备的要求。
附图说明：
图1为带膨胀机的机载制氧-制氮耦合系统及方法示意图；
图中标号说明：1-温度传感器，2-第一电动控制阀， 3-文丘里稳压器，4-第一流量传感器，5-第一换热器，6-膨胀机，7-第一压缩机，8-第二换热器，9-中空纤维膜制氮系统，10-第二流量传感器，11-第二压缩机，12-第三换热器，13-第二电动控制阀，14-第一分子筛制氧系统，15-第三电动控制阀，16-第二分子筛制氧系统，17-第三流量传感器，18-自动控制器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。以下所述仅为本发明一部分实施例，非全部实施例。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的带膨胀机的机载制氧-制氮耦合系统及方法。发动机引气通过管道与温度传感器1其一端连接；所述温度传感器1其二端通过管道依次连接有第一电动控制阀2、文丘里稳压器3、第一流量传感器4、第一换热器5热侧通道入口；所述第一换热器5热侧通道出口通过两个分管道，分别与膨胀机6入口、第一压缩机7入口连接；所述膨胀机6其一出口以及冲压空气通过管道与第一换热器5冷侧通道入口连接；所述第一换热器5冷侧通道出口通过管道排至机外；所述膨胀机6其二出口通过管道依次连接有第一压缩机7驱动通道、第二压缩机11驱动通道入口；第一压缩机7出口通过管道依次连接有第二换热器8热侧通道、中空纤维膜制氮系统9、第二流量传感器10一端；所述第二流量传感器10另一端通过管道与飞机油箱连接；所述第二换热器8冷侧通道入口通过管道与冲压空气连接；所述第二换热器8冷侧通道出口通过管道排出机外；所述中空纤维膜制氮系统9废气出口通过管道依次连接有第二压缩机11、第三换热器12热侧通道入口；所述第三换热器12冷侧通道入口通过管道与冲压空气连接；所述第三换热器12冷侧通道出口通过管道排出机外；所述第三换热器12热侧通道出口通过管道分别与第二电动控制阀13入口、第三电动控制阀15入口连接；所述第二电动控制阀13出口通过管道与第一分子筛制氧系统14入口连接；所述第三电动控制阀15出口通过管道与第二分子筛制氧系统16入口连接；所述第一分子筛制氧系统14出口以及第二分子筛制氧系统16出口通过管道与第三流量传感器17一端连接；所述第三流量传感器17另一端通过管道流入座舱或驾驶舱。
所述温度传感器1、第一流量传感器4、第二流量传感器10、第三流量传感器17通过电缆并联并与自动控制器18电流输入端连接；自动控制器18电流输出端通过电缆分别与所述第一电动控制阀2、第二电动控制阀13、第三电动控制阀15电流输入端连接。
具体的，带膨胀机的机载制氧-制氮耦合系统及方法工作过程如下：
1）制氮过程：来自发动机压气机的引气流过所述温度传感器1、第一电动控制阀2后，在所述文丘里稳压器3中稳定、稳压。稳定流动的气体流过所述第一流量传感器4，在所述第一换热器5中被冲压空气冷却，然后分成两股。一股气体给所述膨胀机5做功来驱动所述第一压缩机7和第二压缩机11。另一股气体在所述第一压缩机7中被压缩升压，然后在所述第二换热器8中被冲压空气冷却到合适温度；冷却后的气体通过所述中空纤维膜制氮系统9，制取富氧气体，富氧气体通入飞机油箱进行惰化。
2）制氧过程：所述中空纤维膜制氮系统9中的排放废气（富氧气体）在所述第二压缩机11中被压缩。高温高压气体在所述第三换热器12中被冷却到合适温度后流入分子筛制氧系统；流出分子筛的废气直接排放大气；富氧气体通过所述第三流量传感器17后流入座舱或驾驶舱，作为氧气输出，供机组人员呼吸所用。设置所述第一分子筛制氧系统14、第二分子筛制氧系统16，通过控制所述第二电动控制阀13、第三电动控制阀15的开闭进行切换，提高制氧效率。
3）数据采集及控制过程：
所述温度传感器1探测发动机引气的温度并将信号传输到所述自动控制器18；当温度大于给定值时，自动控制器18输出控制信号给所述第一电动控制阀2，将其关闭。所述第一流量传感器4、第二流量传感器10、第三流量传感器17探测气体流量并将信号传输到所述自动控制器18进行分析判断系统工作状况。所述自动控制器18通过控制所述第二电动控制阀13、第三电动控制阀15的开闭使两套分子筛制氧系统切换工作。
Claims (2)
1.带膨胀机的机载制氧-制氮耦合系统，包括发动机引气以及冲压空气，其特征在于:
发动机引气依次经过温度传感器（1）、第一电动控制阀（2）、文丘里稳压器（3）、第一流量传感器（4）后与第一换热器（5）的热侧通道入口相连；
所述第一换热器（5）热侧通道出口分成两路，一路与膨胀机（6）入口相连、另一路与第一压缩机（7）入口相连接；所述膨胀机（6）其一出口以及冲压空气与第一换热器（5）冷侧通道入口连接；所述第一换热器（5）冷侧通道出口通过管道排至机外；所述膨胀机（6）其二出口经过第一压缩机（7）驱动通道后与第二压缩机（11）的驱动通道入口相连；第一压缩机（7）出口依次经过第二换热器（8）热侧通道、中空纤维膜制氮系统（9）后与第二流量传感器（10）的一端相连；
所述第二流量传感器（10）另一端通过管道与飞机油箱连接；所述第二换热器（8）冷侧通道入口通过管道与冲压空气连接；所述第二换热器（8）冷侧通道出口通过管道排出机外；所述中空纤维膜制氮系统（9）废气出口经过第二压缩机（11）后与第三换热器（12）热侧通道入口相连；所述第三换热器（12）冷侧通道入口通过管道与冲压空气连接；所述第三换热器（12）冷侧通道出口通过管道排出机外；
所述第三换热器（12）热侧通道出口分成两路，一路经过第二电动控制阀（13）后与第一分子筛制氧系统（14）入口连接；另一路经过第三电动控制阀（15）后与第二分子筛制氧系统（16）入口连接；所述第一分子筛制氧系统（14）出口以及第二分子筛制氧系统（16）出口并联后，经过第三流量传感器（17）通过管道流入座舱或驾驶舱；
所述温度传感器（1）、第一流量传感器（4）、第二流量传感器（10）、第三流量传感器（17）通过电缆并联并与自动控制器（18）电流输入端连接；自动控制器（18）电流输出端通过电缆分别与所述第一电动控制阀（2）、第二电动控制阀（13）、第三电动控制阀（15）电流输入端连接。
2.根据权利要求1所述的带膨胀机的机载制氧-制氮耦合系统的方法，其特征在于包括以下过程:
1）制氮过程：来自发动机压气机的引气流过温度传感器（1）、第一电动控制阀（2）后，在文丘里稳压器（3）中稳定、稳压；稳定流动的气体流过第一流量传感器（4），在第一换热器（5）中被冲压空气冷却，然后分成两股；一股气体给膨胀机（6）做功来驱动第一压缩机（7）和第二压缩机（11）；另一股气体在第一压缩机（7）中被压缩升压，然后在第二换热器（8）中被冲压空气冷却；冷却后的气体通过中空纤维膜制氮系统（9），制取富氧气体，富氧气体通入飞机油箱进行惰化；
2）制氧过程：中空纤维膜制氮系统（9）中的排放废气在第二压缩机（11）中被压缩；高温高压气体在第三换热器（12）中被冷却后流入第一分子筛制氧系统（14）和第二分子筛制氧系统（16）；流出分子筛的废气直接排放大气；富氧气体通过第三流量传感器（17）后流入座舱或驾驶舱，作为氧气输出，供机组人员呼吸所用；设置第一分子筛制氧系统（14）、第二分子筛制氧系统（16），通过控制第二电动控制阀（13）、第三电动控制阀（15）的开闭进行切换，提高制氧效率；
3）数据采集及控制过程：
所述温度传感器（1）探测发动机引气的温度并将信号传输到所述自动控制器（18）；当温度大于给定值时，自动控制器（18）输出控制信号给所述第一电动控制阀（2），将其关闭；所述第一流量传感器（4）、第二流量传感器（10）、第三流量传感器（17）探测气体流量并将信号传输到所述自动控制器（18）进行分析判断系统工作状况；所述自动控制器（18）通过控制所述第二电动控制阀（13）、第三电动控制阀（15）的开闭使两套分子筛制氧系统切换工作。
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