CN109552648A - 一种直升机燃油箱惰化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属航空技术领域，涉及一种直升机燃油箱惰化系统，包括：引气预处理单元200、空气分离单元300、惰性气体分配单元400、燃油箱500、控制器600、控制和指示面板700；可使燃油箱气相空间的氧浓度降低到安全水平，避免燃油箱内发生燃爆。利用发动机引气经过引气预处理单元进行温度调节、过滤除尘除水，然后引气进行氧氮分离，制取的富氮气体进行流量和浓度的调节，然后送入燃油箱。一路惰性气体充填至燃油箱上部气相空间，另一路经过燃油箱底部与燃油充分混合，置换出燃油中溶解的氧气。燃油箱气相空间监测到的压力和氧浓度信号以及惰化系统其他单元监测的温度、压力信号传递给给控制器进行监测和控制，实现满足燃油箱惰化的目的。
Description
技术领域
本发明属于航空科学技术领域，涉及一种直升机燃油箱惰化系统。
背景技术
欧美国家的直升机通过安装燃油箱惰化装置主动预防燃油箱燃爆已经有几十年的历史了。目前国产直升机燃油箱几乎没有采用任何形式的防爆装置，这对于飞机和机上人员造成了严重的安全隐患。
对于军用直升机，研究表明，使用惰化装置将燃油箱气相空间的氧浓度降低到9％以下时，可以避免燃油箱中弹后，燃油箱发生燃爆造成的二次危害。对于民用直升机，使用惰化装置可以防止由于燃油箱内零部件机械摩擦或者电缆老化等原因出现电火花或者局部出现高温时发生燃爆。
目前最主流的燃油箱主动防爆技术是基于中空纤维分离膜技术的惰化装置。该类惰化系统通常采用发动机引气，然后经过温度和压力调节，并过滤掉颗粒和水蒸气等之后进入中空纤维膜组件进行空分制氮，制取的富氮气体经过分配管路进入油箱进行充填惰化。当前的燃油箱氧浓度控制技术基本都采用开环控制的方式，这种方式的控制精度不高，为了确保燃油箱氧浓度低于设计要求，往往将制氮量设计的比较大，导致整个惰化装置的重量和尺寸偏大。另外，这种类型的惰化系统引气预处理组件通常包含较多数量的附件，构型也比较复杂，增加了设计难度和成本。
发明内容
本发明的目的：为了解决现有燃油箱氧浓度开环控制方式偏保守设计带来的问题，以及引气处理系统构型复杂，附件数量多的问题，本发明提供一种直升机燃油箱惰化系统。
本发明的技术解决方案：
一种直升机燃油箱惰化系统，包括：引气预处理单元200、空气分离单元300、惰性气体分配单元400、燃油箱500、控制器600、控制和指示面板700；
引气预处理单元200接收高温高压空气，进行预处理，然后将气体输出给空气分离单元300；
空气分离单元300接收引气预处理单元200排出的气体，用于将空气中的氧氮分离，将富氮气体输出给惰性气体分配单元400；
惰性气体分配单元400接收空气分离单元300排出的富氮气体，调节富氮气体流量和浓度，将调节后的富氮气体输送到燃油箱500；
燃油箱500接收分配单元提供的富氮气体，通入燃油箱的惰性气体被分成两路，一路充填到燃油箱上部气相空间，另一路被分配到燃油箱底部，通过与燃油混合，置换出燃油中溶解的氧气；燃油箱上部气相空间氧浓度和压力传感器测的信号反馈给控制器600；
控制器600接收监测到的温度、压力、氧浓度信号，通过信号处理与运算，对各类执行器进行控制，使燃油箱气相空间氧浓度维持在安全水平；同时，对惰化系统自身的安全运行状态进行监测并输出的运行状态信号，当不满足安全运行条件时，切断引气，使惰化系统停止运行；
控制和指示面板700用于提供人机交互界面，能够手动干预启动或者停止惰化系统，将启动或停止指令信号发送到控制器600，另外，接收控制器600 输出的运行状态信号，向驾驶员提供惰化系统总体运行状态；
所述引气预处理单元200包括：用于控制发动机引气通断的引气切断阀，用于监测温度、压力的传感器，用于提供水平和垂直方向冷源冲压空气的蒙皮开口，用于冷却高温引气的换热器，用于调节温度的旁路调节阀，用于温度保护的闸门阀。
所述空气分离单元300包括：用于除尘除水的过滤器、用于监测过滤器堵塞的压差传感器、用于监测温度、压力和氧浓度的传感器、用于氧氮分离的空气分离组件。
所述惰性气体分配单元400包括：适用于下降阶段的大流量低浓度分配方式的大流量阀和大流量节流孔，适用于其他飞行阶段的小流量高浓度分配方式的小流量阀和小流量节流孔。
所述燃油箱500包括：用于惰性气体与燃油充分混合置换氧气的引射洗涤器，用于监测燃油箱气相空间氧浓度和压力的传感器。
所述控制器600包括：用于惰化系统监测和控制的软硬件，当燃油箱已经满足惰化要求时，停止惰化系统工作，当不满足时，重新启动惰化系统工作。
所述控制器600包括：用于惰化系统监测和控制的软硬件，当惰化系统满足安全运行条件时，启动或运行惰化系统，当不满足时，停止惰化系统工作。
所述控制和指示面板700包括：用于人机交互的状态指示灯和手动控制开关。
本发明具有的优点和有益效果：本发明具有如下优点：1)本发明燃油箱惰化装置采用蒙皮开口引入水平冲压空气和旋翼产生的垂直冲压空气对散热器内的高温引气进行散热，无论水平飞行速度大小，都可以保证充足的冲压空气用于散热，省去了电动风扇和引射器等附件，使得引气预处理单元的构型简单，重量较轻，可靠性高；2)通过测量燃油箱内氧浓度和压力，对燃油箱内的惰化状态进行判断，自动控制惰化系统的停止和重新启动，节省引气资源，减少惰化系统工作时间。
附图说明：
图1是惰化系统的原理示意图；
图2是惰化系统控制和指示面板的原理示意图；
图3是惰化系统控制原理示意图；
图4是惰化系统引气预处理单元的原理示意图；
图5是惰化系统空气分离单元的原理示意图；
图6是惰化系统惰性气体分配单元的原理示意图；
图7是燃油箱原理示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1所示，在本实施方式中，一种直升机燃油箱惰化系统100，包括引气预处理单元200、空气分离单元300、惰性气体分配单元400、燃油箱500、控制器600、控制和指示面板700。
引气预处理单元200接收高温高压空气，进行温度调节、过滤等预处理，然后将气体输出给空气分离单元300，使经过处理后的气体处于空气分离单元 300的最佳工作范围，尽可能延长空气分离单元300的寿命。
空气分离单元300接收引气预处理单元排出的气体，用于将空气中的氧氮分离，由于氧气和氮气在膜中的渗透率不同，在膜两侧压差的作用下，绝大部分氧气能够渗透到膜外，并最终排出。而绝大部分氮气则留在膜内，形成富氮气体，将富氮气体输出给惰性气体分配单元400。
惰性气体分配单元400接收空气分离单元300排出的富氮气体，调节富氮气体流量和浓度，将调节后的富氮气体输送到燃油箱。当飞机处于下降阶段时，需要流量较大浓度较低的富氮气体充入油箱，而当飞机处于爬升和巡航飞行阶段时，需要流量较小浓度较高的富氮气体充入油箱。
燃油箱500接收分配单元提供的富氮气体，通入燃油箱的惰性气体被分成两路，一路充填到燃油箱上部气相空间，另一路被分配到燃油箱底部，通过与燃油混合，置换出燃油中溶解的氧气。氧浓度和压力传感器测的信号反馈给控制器进行判断，控制惰化系统的停止和启动。
控制器600接收监测到的温度、压力、氧浓度等信号，通过信号处理与运算，对各类执行器进行控制，使燃油箱气相空间氧浓度维持在安全水平。同时，对惰化系统自身的安全运行状态进行监测，当不满足安全运行条件时，切断引气，使惰化系统停止运行。
控制和指示面板700用于提供人机交互界面，可以手动干预启动或者停止惰化系统的运行，将启动或停止指令信号发送到控制器600，另外，接收控制器600输出的运行状态信号，向驾驶员提供惰化系统总体运行状态。
如图2所示，在本实施方式中，控制和指示面板700可以布置在飞机座舱内，包括运行状态指示灯701和开关702。运行状态指示灯701接收来自控制器600的指令信号16，显示红、黄、绿三色，指示当前惰化系统的运行状态严重故障、轻微故障、无故障。如果需要，控制和指示面板700还可以显示燃油箱是否已经满足惰化要求、燃油箱压以及氧浓度等信息。另外，也可以提供音频和文字等形式的状态指示。当驾驶员手动按下开关702所，会将指令信号17 发送给控制器600，实现惰化系统的启动或者停止。
如图3所示，在本实施方式中，控制器600与控制和指示面板700、引气预处理单元200、空气分离单元300、惰性气体分配单元400、燃油箱500均有连接，实现惰化系统的监测和控制。控制器600由软硬件构成，包括至少一个处理器和通过处理器执行的指令。本控制器软件内的数据结构和代码通常可以存储在非临时性计算机可读存储器上，存储器可以是任何可以存储代码和数据用于计算机系统的装置或介质。非临时性计算机可读存储介质可以是磁和光存储装置，例如磁盘驱动器、CD光盘、DVD数字通用光盘，存储介质不限于列举的这些，也可以是其他形式的。图3中描述的方法和过程可以体现为代码或数据，可以存储在如上所述的非临时性计算机可读存储介质中。上述方法和过程也可以包含在硬件模块内，例如专用集成电路芯片ASIC，现场可编程门阵列 FPGA。当硬件模块启动时，硬件模块就可以执行其内所含的方法和过程。
控制器600包括与惰化系统其他组件和航电系统连接的通信端口，可以连续的接收来自温度、压力、氧浓度传感器、飞行参数、外界大气环境等数据。
控制器600可以控制惰化系统100引气预处理单元200引气切断阀“打开”和“关闭”的运算逻辑，也包含惰性气体分配单元400中大流量阀“打开”和“关闭”的运算逻辑。
在图3中的方框601中，控制器600可以自动连续的接收控制和指示面板 700的指令信号17和来自航电系统的发动机运行状态和飞行参数信号18确定惰化系统的外部环境条件，通过方框602判断惰化系统的外部环境条件是否满足启动条件，当不满足启动条件时，返回方框601。当满足启动条件时，通过指令信号11控制惰化系统启动工作，同时进入方框603，接收来自8、9、10、 14、15监测的温度和压力等信号，确定惰化系统运行的安全状态，在方框604 中判断是否满足惰化系统安全运行条件，当不满足安全运行条件时，通过指令信号11控制惰化系统停止工作，当满足安全运行条件时，进入方框605。
在图3中的方框605，控制器600可以通过P燃油确定X1，X2，X3的新值。X1是对应压力条件下可燃爆氧浓度的下限，X2低于X1的某一氧浓度值，是重新启动惰化系统的氧浓度阈值，X3低于X2，是使惰化系统停止工作的氧浓度阈值。这些值可以通过图3中的610获得，燃油箱压力P燃油位于X轴上，燃油箱氧浓度位于Y轴上。图3中的610中显示了X1、X2、X3的示意性斜线分布。在 X1斜线以上的燃油箱压力和氧浓度组合可以支持燃油箱500内的燃爆。控制器 600可以通过P燃油自动连续的确定X1，X2，X3的新值。在一个具体实施例中，可以通过P燃油查表以从存储在控制器600中存储器的数据中获取。
燃油箱测量氧浓度20传递到方框606，通过和X2，X3的对比，确定燃油箱氧浓度是否满足惰化要求，当满足惰化要求时，通过指令信号11控制惰化系统停止工作，当不满足惰化要求时，通过指令信号11使惰化系统开始工作或者保持继续工作。
方框608接收来自航电系统的信号18，确定直升机的飞行阶段，在方框609 中判断是否处于下降阶段，如果处于下降阶段，则通过指令信号7将惰性气体分配单元400中的大流量阀打开，如果没有处于下降阶段，则通过指令信号7 将大流量阀关闭。
如图4所示，在本实施方式中，引气预处理单元200包括温压一体传感器 201、引气切断阀202、水平方向蒙皮开口204、垂直方向蒙皮开口207、单向阀208、换热器205、旁路调节阀212、温度传感器210、闸门阀211。发动机引气1通过管路上安装的温压一体传感器201到达引气切断阀202，温压一体传感器201将测量的温度和压力信号传递给控制器600，当引气切断阀202接收到打开指令信号11时，引气进入换热器进行散热。水平冲压空气203和垂直冲压空气206分别通过蒙皮开口204和207，然后经过单向阀208进入换热器 205。蒙皮开口204和207可以是一个开口，与水平方向保持一定夹角，可以同时接收水平和垂直冲压空气。旁路调节阀212接收控制器600的指令信号12 调节阀门开度，从而调节出口210处的温度。温度传感器将信号14传递给控制器600。冷却后的引气2经过闸门阀211进入空气分离单元300。
如图5所示，在本实施方式中，空气分离单元300包括压差传感器301、过滤器306、温压一体传感器302、空气分离组件303、氧浓度传感器304。冷却后的引气2经过过滤器306进行净化处理，然后进入空气分离组件303进行制氮，富氧气体305经出口排出，富氮气体3流入惰性气体分配单元400。图4中压差传感器301、温压一体传感器302、和氧浓度传感器304分别将测得的连续信号8、9、10传递给控制器600。
如图6所示，在本实施方式中，惰性气体分配单元400包括小流量阀401、小流量节流孔402、小流量单向阀403、火焰抑制器404、大流量阀407、大流量节流孔406、大流量单向阀405。富氮气体3分为两路，一路经过小流量阀 401、小流量节流孔402、小流量单向阀403、火焰抑制器404进入燃油箱，另一路经过大流量阀407、大流量节流孔406、大流量单向阀405、火焰抑制器404 进入燃油箱。小流量阀401和大流量阀407分别接收控制器600的指令信号6 和7进行开启和关闭。
如图7所示，在本实施方式中，燃油箱500包括安全阀501、喷嘴507、真空阀502、火焰抑制器505、压力传感器503、氧浓度传感器504、引射洗涤器 508、燃油509和燃油蒸汽混合物506。富氮气体5分两路进入油箱，一路经过喷嘴507对燃油箱气相空间进行充填，降低燃油蒸汽混合物506的氧浓度，另一路从油箱底部经过引射洗涤器508与燃油509充分混合，将燃油509中的氧气置换出来，降低燃油中氧气的溶解度。外界大气通过安全阀501和真空阀502 与燃油箱连通，避免燃油箱内部气相空间与外界环境的压差超过要求值。压力传感器503和氧浓度传感器504分别将测得的连续信号19和20传递给控制器 600。
Claims (8)
1.一种直升机燃油箱惰化系统，其特征在于，包括：引气预处理单元(200)、空气分离单元(300)、惰性气体分配单元(400)、燃油箱(500)、控制器(600)、控制和指示面板(700)；
引气预处理单元(200)接收高温高压空气，进行预处理，然后将气体输出给空气分离单元(300)；
空气分离单元(300)接收引气预处理单元(200)排出的气体，用于将空气中的氧氮分离，将富氮气体输出给惰性气体分配单元(400)；
惰性气体分配单元(400)接收空气分离单元(300)排出的富氮气体，调节富氮气体流量和浓度，将调节后的富氮气体输送到燃油箱(500)；
燃油箱(500)接收分配单元提供的富氮气体，通入燃油箱的惰性气体被分成两路，一路充填到燃油箱上部气相空间，另一路被分配到燃油箱底部，通过与燃油混合，置换出燃油中溶解的氧气；燃油箱上部气相空间氧浓度和压力传感器测的信号反馈给控制器(600)；
控制器(600)接收监测到的温度、压力、氧浓度信号，通过信号处理与运算，对各类执行器进行控制，使燃油箱气相空间氧浓度维持在安全水平；同时，对惰化系统自身的安全运行状态进行监测并输出的运行状态信号，当不满足安全运行条件时，切断引气，使惰化系统停止运行；
控制和指示面板(700)用于提供人机交互界面，能够手动干预启动或者停止惰化系统，将启动或停止指令信号发送到控制器(600)，另外，接收控制器(600)输出的运行状态信号，向驾驶员提供惰化系统总体运行状态。
2.根据权利要求1的一种直升机燃油箱惰化系统，其特征在于，所述引气预处理单元(200)包括：用于控制发动机引气通断的引气切断阀，用于监测温度、压力的传感器，用于提供水平和垂直方向冷源冲压空气的蒙皮开口，用于冷却高温引气的换热器，用于调节温度的旁路调节阀，用于温度保护的闸门阀。
3.根据权利要求1的一种直升机燃油箱惰化系统，其特征在于，所述空气分离单元(300)包括：用于除尘除水的过滤器、用于监测过滤器堵塞的压差传感器、用于监测温度、压力和氧浓度的传感器、用于氧氮分离的空气分离组件。
4.根据权利要求1的一种直升机燃油箱惰化系统，其特征在于，所述惰性气体分配单元(400)包括：适用于下降阶段的大流量低浓度分配方式的大流量阀和大流量节流孔，适用于其他飞行阶段的小流量高浓度分配方式的小流量阀和小流量节流孔。
5.根据权利要求1的一种直升机燃油箱惰化系统，其特征在于，所述燃油箱(500)包括：用于惰性气体与燃油充分混合置换氧气的引射洗涤器，用于监测燃油箱气相空间氧浓度和压力的传感器。
6.根据权利要求1的一种直升机燃油箱惰化系统，其特征在于，所述控制器(600)包括：用于惰化系统监测和控制的软硬件，当燃油箱已经满足惰化要求时，停止惰化系统工作，当不满足时，重新启动惰化系统工作。
7.根据权利要求1的一种直升机燃油箱惰化系统，其特征在于，所述控制器(600)包括：用于惰化系统监测和控制的软硬件，当惰化系统满足安全运行条件时，启动或运行惰化系统，当不满足时，停止惰化系统工作。
8.根据权利要求1的一种直升机燃油箱惰化系统，其特征在于，所述控制和指示面板(700)包括：用于人机交互的状态指示灯和手动控制开关。
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