CN107954001A - 一种增压制氮油箱防火装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增压制氮油箱防火装置及其工作方法，属于防火防爆技术领域，本发明通过采用自增压方式提高发动机引气压力并除杂、干燥后通过中空纤维膜，使其分离出高浓度氮气，并通过控制系统按需注入油箱达到除去油箱氧气；同时利用透平膨胀机和压缩机的组合使用，产生膨胀功，膨胀机输出的功带动压缩机对发动机引气进行压缩，进一步提高气体压力达到中空纤维膜分离所需压力，提高制氮效率。将富氮气体充入油箱，降低油箱内氧气含量，在充入氮气的过程中，能够自动控制装置对气体进行流量调节，产生所需要的惰性气体，使其处于不可燃烧状态，达到防火防爆的目的；且能够进行自动控制，具有惰化效率高，能耗少等优点。
Description
技术领域
本发明属于防火防爆技术领域，具体是指一种增压制氮油箱防火装置及其工作方法。
背景技术
飞行器油箱燃烧爆炸是飞机失事的主要原因，在飞机加油、维护或飞行过程中，由于静电、雷电或外部点火源的存在，致使油箱起火引发安全事故，而对于军用飞机，飞行条件更加恶劣，在战时处于炮火和弹丸的攻击下更容易引起火灾导致机毁人亡，造成重大损失。
飞机油箱的防火防爆有效方法有控制火焰传递和改变燃油燃爆极限两种，对应技术方案可分为被动式和主动式。被动式为阻隔防爆技术，主要在火灾产生时通过网状或蜂窝状金属泡沫填充抑制火焰传递和阻止燃油外流，防止油箱燃烧引起的爆炸；主动式为机载油箱除氧技术，其主要方式为向油箱中注入惰性气体如N2、CO2等置换出燃油及油箱气相空间中的O2,使其氧浓度降低，达到可燃极限以下，从而达到防火防爆的目的。
被动式防火防爆技术在实际应用中需占据油箱较大体积空间，需要定期更换设备，且部分金属泡沫进入输油管道系统容易引起管道堵塞。有鉴于此，从上世纪70年代以来，机载油箱除氧系统发展十分迅速，尤其是机载制氮除氧系统。中空纤维膜制氮除氧系统是目前应用最为广泛且最为经济的飞机油箱防火抑爆技术。其将发动机引气或冲压空气通过中空纤维膜，分离出高纯度的氮气，并将富氮气体注入油箱，降低油箱上部气相空间和燃油中的氧气浓度，防止油箱在点火源产生时燃烧爆炸。中空纤维膜分离空气制氮除氧系统最大的优点是能全包线地实现燃油箱除氧，且效率高，装置结构简单紧凑，但中空纤维膜分离富氮气体所需压力极高，发动机引气常不能达到分离所需压力致使富氮气体浓度降低，影响油箱除氧效率。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提出了一种一种增压制氮油箱防火装置及其工作方法，本发明通过增加空气压力，利用中空纤维膜制取富氮气体对油箱进行有效的防火抑爆，且本发明的装置能进行自动控制，惰化效率高，能耗少。
本发明是这样实现的：
一种增压制氮油箱防火装置，所述的装置由发动机引气部分通过管道依次连接有截止阀、过滤器、空气干燥器、第二冷却器、第一三通阀；
所述的第一三通阀出口分为两个支路出口；
所述的第一三通阀第一出口通过管道依次连接压缩机、第一冷却器的热侧通道、水分离器气体通道、温度传感器、第一流量调节阀、中空纤维膜气体入口、第二流量调节阀、油箱；所述的中空纤维膜的氮气出口通过管道依次连接于限流孔、油箱；所述的中空纤维膜氧气出口通过管道与座舱连通；
所述的第一三通阀的第二出口通过管道依次连接透平膨胀机、第二三通阀、第一冷却器冷侧通道；所述的第二三通阀还连接有风机；
所述的透平膨胀机通过连杆与压缩机连接；
所述的装置中还包括控制器；
所述的控制器包括两个输入端以及四个输出端；
所述的所述温度传感器与氧浓度传感器信号输出端分别通过电缆与控制器输入端连接；
所述截止阀第一三通阀、第二三通阀、第一流量调节阀、第二流量调节阀分别通过电缆与控制器输出端连接。
进一步，所述的第二流量调节阀连接于油箱的中空上部。
进一步，所述的第二流量调节阀还可以通过气盘石连接于油箱；且所述的气盘石安装于油箱的油液底部；所述气盘石由白钢玉、炭化硅能过高温烧结而成；
进一步，所述的第二流量调节阀还可以通过洗涤喷射器的气体入口连接于油箱；且所述的洗涤喷射器位于油箱底部最低液面下；所述的油箱燃油出口至洗涤喷射器燃油入口之间通过管道连接有油泵，所述洗涤喷射器气体入口通过管道分别与第二流量调节阀气体出口、限流孔出口连接。
进一步，所述的中空纤维膜的氮气出口与所述第二流量调节阀入口之间通过管道连接有涡轮膨胀机；所述的涡轮膨胀机与压缩机通过连杆连接。
进一步，所述的控制器通过氧浓度传感器连接于油箱；所述的氧浓度传感器通过探头与油箱的中空上部连接。
进一步，所述的第一冷却器冷侧通道出口、水分离器水通道出口、第二冷却器冷侧通道出口分别与大气相通。
进一步，所述的第二冷却器冷侧通道通入冲压空气。
进一步， 所述水分离器为冷却式去除气体中水蒸气的设备；中空纤维膜所用材料为聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚砜或者嗅化聚苯醚；空气干燥器所用吸附材料为分子筛、硅胶、氯化锂等对水蒸气有吸附作用的固体颗粒或粉末。
本发明还公开了一种增压制氮油箱防火装置的工作方法，具体如下：
1）当氧浓度传感器检测到油箱的氧气浓度达到可燃极限时，将信号传输至控制器，油箱除氧系统开始工作，控制器根据温度传感器以及氧浓度传感器的监测值，实时调整截止阀、第一三通阀、第二三通阀、第一流量调节阀、第二流量调节阀的开度，改变油箱除氧系统的发动机引气量使除氧系统产生适量的惰性气体，对油箱进行除氧，降低油箱气相空间氧气浓度。
2）油箱经过一段时间除氧后，氧浓度传感器检测到油箱上部气相空间氧浓度低于燃烧所需氧浓度，控制器自动调节关闭截止阀进气口，除氧系统不产生惰性气体，除氧系统停止工作。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
1）本发明公开了利用中空纤维膜制取富氮气体对油箱进行防火抑爆的装置，采用自增压方式提高发动机引气压力并除杂，使其分离出高浓度氮气，有效地增加空气压力，克服了现有技术中中空纤维膜分离空气进行飞机油箱除氧时从发动机引气不能达到分离膜高气压要求的缺点；
2）本发明同时设置透平膨胀机，通过将部分飞机发动机引气干燥过滤后引入透平膨胀机降温降压，并产生膨胀功，膨胀机输出的功带动压缩机对发动机引气进行压缩，进一步提高气体压力达到中空纤维膜分离所需压力，提高制氮效率；同时利用透平膨胀机和压缩机的组合使用，减少了飞机的能量消耗，提高能量利用效率；
3）通过控制系统按需注入油箱达到除去油箱氧气，阻止油箱燃烧的目的，这样能提高除氧效率
4）本发明还通过设置气盘石，将燃油中的氧气置换出来，降低氧气浓度，达到油箱除氧的目的；以及通过设置洗涤喷射器，置换出燃油中的氧气，并在洗涤过程中与其它燃油混合，进一步降低其他燃油中的氧气浓度，达到洗涤除氧的目的；
5）通过本发明的方法，可以将富氮气体充入油箱，降低油箱内氧气含量，在充入氮气的过程中，氧浓度传感器实时监测油箱内氧气浓度变化，自动控制装置对气体进行流量调节，产生所需要的惰性气体，使其处于不可燃烧状态，达到防火防爆的目的；本装置能进行自动控制，且惰化效率高，能耗少。
附图说明
图1为本发明一种增压制氮油箱防火装置的自增压式分离空气冲洗飞机油箱除氧的系统图；
图2为本发明一种增压制氮油箱防火装置的采用气盘石洗涤飞机油箱除氧的系统图；
图3为本发明一种增压制氮油箱防火装置的气盘石与涡轮膨胀机组合除氧的系统图；
图4为本发明一种增压制氮油箱防火装置的利用洗涤喷射器洗涤飞机油箱除氧的系统图。
其中，1-透平膨胀机，2-压缩机，3-第一冷却器，4-水分离器，5-温度传感器，6-第一流量调节阀，7-中空纤维膜，8-限流孔，9-第二流量调节阀，10-氧浓度传感器，11-油箱，101-截止阀，102-过滤器，103-空气干燥器，104-第二冷却器，105-第一三通阀，106-控制器，107-涡轮膨胀机，201-第二三通阀，202-风机，203-气盘石，204-油泵，205-洗涤喷射器。
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。
实施例1
如图1所示，图1是本发明增压制氮油箱防火装置的自增压式分离空气冲洗飞机油箱除氧的系统，该系统包括第一冷却器3、水分离器4、温度传感器5、第一流量调节阀6、中空纤维膜7、第二流量调节阀9、氧浓度传感器10、油箱11、截止阀101第二冷却器104、第一三通阀105、控制器106、第二三通阀201、风机202。其中第一冷却器3和第二冷器104设有热侧通道和冷侧通道，水分离器4设有气体通道和液态水通道，中空纤维膜7设有气体入口、氮气出口和氧气出口，截止阀101出口与第一三通阀105入口之间通过管道连接依次有过滤器102、空气干燥器103、第二冷却器104热侧通道，第一三通阀105第一出口与油箱11气体入口之间通过管道连接依次有压缩机2、第一冷却器3热侧通道、水分离器4气体通道、温度传感器5、第一流量调节阀6、中空纤维膜7气体入口和氮气出口、第二流量调节阀9、油箱11气体入口。第一三通阀105第二出口与第二三通阀201第二入口之间通过管道连接有透平膨胀机1，截止阀101入口通入发动机引气，第二冷却器104冷侧通道通入冲压空气，透平膨胀机1与所述压缩机2之间通过连杆联接，风机202出口通过管道与所述第二三通阀201第一入口连接，所述第二三通阀201出口与所述第一冷却器3冷侧通道相连，中空纤维膜7氧气出口通过管道与座舱连通，限流孔8气体入口与中空纤维膜7氮气出口通过管道连接，限流孔8气体出口与油箱11气体入口通过管道连接，第一冷却器3冷侧通道出口、水分离器4水通道出口、第二冷却器104冷侧通道出口分别与大气相通，氧浓度传感10通过探头与油箱11连接，温度传感器5与氧浓度传感器10信号输出端通过电缆与控制器106输入端连接，截止阀101第一三通阀105、第二三通阀201、第一流量调节阀6、第二流量调节阀9分别与所述控制器106输出端通过电缆连接。
本发明的增压制氮油箱防火装置的工作方法，具体过程如下：
1）当氧浓度传感器10检测到油箱11上部气相氧气浓度达到可燃极限的信号传输到控制器106，油箱除氧系统开始工作，控制器根据温度传感器5和氧浓度传感器10的监测值，实时调整截止阀101、第一三通阀105、第二三通阀201、第一流量调节阀6、第二流量调节阀9的开度，改变油箱11除氧系统的发动机引气量，除氧系统产生适量的惰性气体，对油箱11进行除氧，降低油箱11气相空间氧气浓度；
2）油箱11经过一段时间除氧后，氧浓度传感器10检测到油箱11上部气相空间氧浓度低于燃烧所需氧浓度，控制器106自动调节关闭截止阀101进气口，除氧系统不产生惰性气体，除氧系统停止工作。
实施例2
如图2所示，图2为本发明装置的采用气盘石洗涤飞机油箱除氧的系统图，本实施例中第二流量调节阀9气体出口与气盘石203气体入口通过管道连接，气盘石203安装于油箱11底部。且气盘石203安装于油箱11的油液底部；所述气盘石由白钢玉、炭化硅能过高温烧结而成。
本实施例与实施例1的不同之处在于，从中空纤维膜7氮气出口离开的气体不再进入油箱11上部气体入口而是进入气盘石203气体入口并在气盘石203中产生大量细小气泡对燃油进行洗涤，将燃油中的氧气置换出来，降低氧气浓度，达到油箱除氧的目的。
实施例3
图3为本发明一种增压制氮油箱防火装置的气盘石与涡轮膨胀机组合除氧的系统图，本实施例在实施例2中增加了涡轮膨胀机107的飞机油箱除氧的系统图，本实施例中中空纤维膜7氮气出口与第二流量调节阀9之间通过管道连接有涡轮膨胀机107，涡轮膨胀机107与压缩机2通过连杆连接。
实施例3与实施例1和实施例2的差异在于，中空纤维膜7氮气出口产生的高压氮气先通过涡轮膨胀机107膨胀降温降压后再进入第二流量调节阀9，同时高压氮气经过涡轮膨胀机107产生动力可驱动压缩机2进行气体压缩，提高了能量利用率。
实施例4
图4为本发明中利用洗涤喷射器205洗涤飞机油箱除氧的系统图，本实施例中油箱11底部出口至洗涤喷射器205燃油入口之间通过管道连接有油泵204，洗涤喷射器205出口在油箱10底部最低液面处，第二流量调节阀9出口与洗涤喷射器205气体入口连接。
本实施例与上述三种实施的不同之处在于，从第二流量调节阀9出来的气体先进入洗涤喷射器205气体入口，与油泵204泵入的燃油进行混合，在此过程中置换出燃油中的氧气，并在洗涤过程中与其它燃油混合，进一步降低其他燃油中的氧气浓度，达到洗涤除氧的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种增压制氮油箱防火装置，其特征在于，所述的装置由发动机引气部分通过管道依次连接有截止阀（101）、过滤器（102）、空气干燥器（103）、第二冷却器（104）、第一三通阀（105）；
所述的第一三通阀（105）出口分为两个支路出口；
所述的第一三通阀（105）第一出口通过管道依次连接压缩机（2）、第一冷却器（3）热侧通道、水分离器（4）气体通道、温度传感器（5）、第一流量调节阀（6）、中空纤维膜（7）的气体入口、第二流量调节阀（9）、油箱（11）；所述的中空纤维膜（7）的氮气出口通过管道依次连接于限流孔（8）、油箱（11）；所述的中空纤维膜（7）氧气出口通过管道与座舱连通；
所述的第一三通阀（105）第二出口通过管道依次连接透平膨胀机（1）、第二三通阀（201）、第一冷却器（3）冷侧通道；所述的第二三通阀（201）还连接有风机（202）；
所述的透平膨胀机（1）通过连杆与压缩机（2）连接；
所述的装置中还包括控制器（106）；
所述的控制器（106）包括两个输入端以及四个输出端；
所述的所述温度传感器（5）与氧浓度传感器（10）信号输出端分别通过电缆与控制器（106）输入端连接；
所述截止阀（101）、第一三通阀（105）、第二三通阀（201）、第一流量调节阀（6）、第二流量调节阀（9）分别通过电缆与控制器（106）输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种增压制氮油箱防火装置，其特征在于，所述的第二流量调节阀（9）连接于油箱（11）的中部。
3.根据权利要求1所述的一种增压制氮油箱防火装置，其特征在于，所述的第二流量调节阀（9）还可以通过气盘石（203）连接于油箱（11）；且所述的气盘石（203）安装于油箱（11）的底部。
4.根据权利要求1所述的一种增压制氮油箱防火装置，其特征在于，所述的第二流量调节阀（9）还可以通过洗涤喷射器（205）的气体入口连接于油箱（11）；且所述的洗涤喷射器（205）位于油箱（11）底部最低液面下；所述的油箱（11）燃油出口至洗涤喷射器（205）燃油入口之间通过管道连接有油泵（204）；所述洗涤喷射器205气体入口通过管道分别与第二流量调节阀（9）气体出口、限流孔（8）出口连接。
5.根据权利要求1所述的一种增压制氮油箱防火装置，其特征在于，所述的中空纤维膜（7）的氮气出口与所述第二流量调节阀（9）入口之间通过管道连接有涡轮膨胀机（107）；所述的涡轮膨胀机（107）与压缩机（2）通过连杆连接。
6.根据权利要求1所述的一种增压制氮油箱防火装置，其特征在于，所述的控制器（106）通过氧浓度传感器（10）连接于油箱（11）；所述的氧浓度传感器（10）通过探头与油箱（11）的中空上部连接。
7.根据权利要求1所述的一种增压制氮油箱防火装置，其特征在于，所述的第一冷却器（3）冷侧通道出口、水分离器（4）水通道出口、第二冷却器（104）冷侧通道出口分别与大气相通。
8.根据权利要求1所述的一种增压制氮油箱防火装置，其特征在于，所述的第二冷却器（104）冷侧通道通入冲压空气。
9.根据权利要求1所述的一种增压制氮油箱防火装置，其特征在于，所述的水分离器（4）为冷却式去除气体中水蒸气的设备；所述的中空纤维膜（7）为聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、聚砜膜或者嗅化聚苯醚膜；所述空气干燥器（103）所采用的吸附材料为分子筛、硅胶或者氯化锂。
10.一种增压制氮油箱防火装置的工作方法，其特征在于，具体如下：
1）当氧浓度传感器（10）检测到油箱（11）的氧气浓度达到可燃极限时，将信号传输至控制器（106），控制器（106）根据温度传感器（5）以及氧浓度传感器（10）的监测值，实时调整截止阀（101）、第一三通阀（105）、第二三通阀（201）、第一流量调节阀（6）、第二流量调节阀（9）的开度，从而变化发动机引气量，产生惰性气体；
2）当油箱除氧时，氧浓度传感器（10）检测到油箱（11）的氧气浓度低于燃烧的氧浓度时，控制器（106）自动调节关闭截止阀（101）进气口，不产生惰性气体，装置停止工作。
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