CN109573073B - 一种飞行器燃油箱绿色惰化系统中的除湿装置 - Google Patents
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Abstract
本申请设计了一种飞行器燃油箱绿色惰化系统中的除湿装置，属于航空系统技术领域，包含油箱1、第一阻火器2、第一风机3、第一换热器4、流量传感器5、第二换热器6、第一温度传感器7、第二阻火器8、催化反应器9、第三阻火器10、第三换热器11、旋风水分离器12、第一电动调节阀13、第二电动调节阀14、第三电动调节阀15、第四电动调节阀16、第一吸附除湿器17、第二吸附除湿器18、第五电动调节阀19、第六电动调节阀20、第七电动调节阀21、第八电动调节阀22、第二温度传感器23、第九电动调节阀24、止回阀25、第四阻火器26、氧浓度传感器27、第二风机28、第十电动调节阀29、第十一电动调节阀30、导热油锅炉31、自动控制器32。
Description
技术领域
本发明属于航空系统技术领域，涉及一种飞行器燃油箱绿色惰化系统中的除湿装置。
背景技术
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，直接关系到飞机生存力和易损性，也关系到飞机的利用率、成本以及人员安全。燃油箱若具有防爆能力，即使中弹或其他原因引起火灾，也不至于机毁人亡，飞机经修复后乃可继续使用，这就相应提高了飞机的利用率和生存力，降低了飞机的易损性。飞机燃油箱防爆技术的采用还可以增加救生时间，使飞机在燃油箱出现故障的情况下有足够的时间返航。另外，还可以在应急情况下保护飞机。
常见的飞行器油箱惰化技术主要有液氮惰化技术、Halon 1301惰化技术、分子筛技术、膜分离技术等。其中中空纤维膜制取富氮气体的机载制氮惰化技术(On-Board InertGas Generator System，OBIGGS)是目前最经济、实用的飞机油箱燃爆抑制技术。OBIGGS把来自发动机或环控系统的引气，经过温度调节、压力调节、去除臭氧、水分、杂质等污染物后，通入由中空纤维膜构成的空气分离装置内分离成富氧气体和富氮气体，富氧气体排出机外，富氮气体则按不同的流量模式充入燃油箱进行洗涤或冲洗。
但是OBIGGS技术仍存在很多问题，如分离膜效率低导致飞机代偿损失大、分离膜入口需求压力高导致在很多机型上无法使用(如直升机)、细小的膜丝和渗透孔径逐渐堵塞及气源中臭氧导致膜性能衰减严重、富氮气体填充油箱时导致燃油蒸汽外泄污染环境等。
近年来，国内外一些公司和研究机构还在进行采用催化燃烧方法来消耗油箱气相空间的氧气和可燃蒸汽从而降低油箱可燃风险的方法，称之为“绿色惰化技术”(Green On-Board Inert Gas Generation System，GOBIGGS)。这种新型惰化技术具有几个重要优势：启动速度快，加之氧气在反应器中被消耗，惰化效率高、时间短；不向外排出燃油蒸汽，绿色环保。催化反应器出口为高温高湿的惰化气体，为保证油箱安全及燃油的正常使用，需冷却干燥后方可通入油箱气相空间进行惰化。但是冷却用的冲压空气或环控引气的冷却能力有限，惰化气体进入油箱后，与低温的油箱壁面接触会进一步析出液态水，从而影响燃油品质。本发明通过增设两套吸附除湿器，切换工作，使得惰化气体进入油箱前被进一步干燥。
发明内容
本发明的目的：针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供了一种飞行器燃油箱绿色惰化系统中的除湿装置。
本发明的技术方案：一种飞行器燃油箱绿色惰化系统中的除湿装置包含油箱1、第一阻火器2、第一风机3、第一换热器4、流量传感器5、第二换热器6、第一温度传感器7、第二阻火器8、催化反应器9、第三阻火器10、第三换热器11、旋风水分离器12、第一电动调节阀13、第二电动调节阀14、第三电动调节阀15、第四电动调节阀16、第一吸附除湿器17、第二吸附除湿器18、第五电动调节阀19、第六电动调节阀20、第七电动调节阀21、第八电动调节阀22、第二温度传感器23、第九电动调节阀24、止回阀25、第四阻火器26、氧浓度传感器27、第二风机28、第十电动调节阀29、第十一电动调节阀30、导热油锅炉31、自动控制器32；
油箱出口通过管道依次连接有第一阻火器、第一风机入口；
所述第一风机出口与第十电动调节阀出口通过管道同时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依次连接有流量传感器、第二换热器冷侧通道、第一温度传感器、第二阻火器、催化反应器、第三阻火器入口；
所述第三阻火器出口通过管道同时与所述第一换热器热侧通道入口、第三电动调节阀入口、第四电动调节阀入口、第七电动调节阀出口、第八电动调节阀出口连接；
所述第一换热器热侧通道出口通过管道依次连接有第三换热器热侧通道、旋风水分离器入口；
所述旋风水分离器出口通过管道同时与第一电动调节阀入口、第二电动调节入口连接；
所述第一电动调节阀出口、第三电动调节阀出口通过管道同时与第一吸附除湿器入口连接；
所述第二电动调节阀出口、第四电动调节阀出口通过管道同时与第二吸附除湿器入口连接；
所述第一吸附除湿器出口通过管道同时与第五电动调节阀入口、第七电动调节阀入口连接；
所述第二吸附除湿器出口通过管道同时与第六电动调节阀入口、第八电动调节阀入口连接；
所述第五电动调节阀出口、第六电动调节阀出口通过管道同时与第二温度传感器入口连接；
所述第二温度传感器出口通过管道依次连接有第九电动调节阀、止回阀、第四阻火器、油箱入口；
氧浓度传感器通过探杆与所述油箱连接；
第二风机出口通过管道同时与所述第十电动调节阀入口、第十一电动调节阀入口连接；
所述第十一电动调节阀出口通过管道与第三换热器冷侧通道入口连接；所述第三换热器冷侧通道出口气体排至机外；
所述第二换热器热侧通道出口通过管道依次连接有导热油锅炉、第二换热器热侧通道入口；
自动控制器包含一个电流输入端和一个电流输出端；
所述流量传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、氧浓度传感器通过电缆并联并与所述自动控制器电流输入端连接；
所述自动控制器电流输出端通过电缆分别与所述第一风机、旋风水分离器、第一电动调节阀、第二电动调节阀、第三电动调节阀、第四电动调节阀、第五电动调节阀、第六电动调节阀、第七电动调节阀、第八电动调节阀、第九电动调节阀、第二风机、第十电动调节阀、第十一电动调节阀、导热油锅炉电流输入端连接。
本发明的优点：本发明设计了一种飞行器燃油箱绿色惰化系统中的除湿装置，即将油箱上部气相空间燃油蒸气和空气混合物经过温度调节后在催化氧化反应器中进行无焰催化燃烧，燃油蒸汽中的碳氢化合物被氧化成二氧化碳和水，经过冷却器及旋风水分离器后，得到的低含水量惰化混合气在吸附除湿器中被进一步干燥，最后返回油箱上部进行冲洗惰化，油箱1上部油箱1上部。本发明中，利用两套吸附除湿系统切换工作，提高了干燥效率，保证油箱内的燃油品质。具有惰化时间短、无环境污染、提高燃油品质、优化惰化系统性能等优点。
附图说明：
图1为一种飞行器燃油箱绿色惰化系统中的除湿装置示意图；
图中标号说明：1-油箱，2-第一阻火器，3-第一风机，4-第一换热器，5-流量传感器，6-第二换热器，7-第一温度传感器，8-第二阻火器，9-催化反应器，10-第三阻火器，11-第三换热器，12-旋风水分离器，13-第一电动调节阀，14-第二电动调节阀，15-第三电动调节阀，16-第四电动调节阀，17-第一吸附除湿器，18-第二吸附除湿器，19-第五电动调节阀，20-第六电动调节阀，21-第七电动调节阀，22-第八电动调节阀，23-第二温度传感器，24-第九电动调节阀，25-止回阀，26-第四阻火器，27-氧浓度传感器，28-第二风机，29-第十电动调节阀，30-第十一电动调节阀，31-导热油锅炉，32-自动控制器。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。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，本发明的一种飞行器燃油箱绿色惰化系统中的除湿装置；
油箱1出口通过管道依次连接有第一阻火器2、第一风机3入口；
所述第一风机3出口与第十电动调节阀29出口通过管道同时与第一换热器4冷侧通道入口连接；
所述第一换热器4冷侧通道出口通过管道依次连接有流量传感器5、第二换热器6冷侧通道、第一温度传感器7、第二阻火器8、催化反应器9、第三阻火器10入口；
所述第三阻火器10出口通过管道同时与所述第一换热器4热侧通道入口、第三电动调节阀15入口、第四电动调节阀16入口、第七电动调节阀21出口、第八电动调节阀22出口连接；
所述第一换热器4热侧通道出口通过管道依次连接有第三换热器11热侧通道、旋风水分离器12入口；
所述旋风水分离器12出口通过管道同时与第一电动调节阀13入口、第二电动调节14入口连接；
所述第一电动调节阀13出口、第三电动调节阀15出口通过管道同时与第一吸附除湿器17入口连接；
所述第二电动调节阀14出口、第四电动调节阀16出口通过管道同时与第二吸附除湿器18入口连接；
所述第一吸附除湿器17出口通过管道同时与第五电动调节阀19入口、第七电动调节阀21入口连接；
所述第二吸附除湿器18出口通过管道同时与第六电动调节阀20入口、第八电动调节阀22入口连接；
所述第五电动调节阀19出口、第六电动调节阀20出口通过管道同时与第二温度传感器23入口连接；
所述第二温度传感器23出口通过管道依次连接有第九电动调节阀24、止回阀25、第四阻火器26、油箱1入口；
氧浓度传感器27通过探杆与所述油箱1连接；
第二风机28出口通过管道同时与所述第十电动调节阀29入口、第十一电动调节阀30入口连接；
所述第十一电动调节阀30出口通过管道与第三换热器11冷侧通道入口连接；所述第三换热器11冷侧通道出口气体排至机外；
所述第二换热器6热侧通道出口通过管道依次连接有导热油锅炉31、第二换热器6热侧通道入口；
自动控制器32包含一个电流输入端和一个电流输出端；
所述流量传感器5、第一温度传感器7、第二温度传感器23、氧浓度传感器27通过电缆并联并与所述自动控制器32电流输入端连接；
所述自动控制器32电流输出端通过电缆分别与所述第一风机3、旋风水分离器12、第一电动调节阀13、第二电动调节阀14、第三电动调节阀15、第四电动调节阀16、第五电动调节阀19、第六电动调节阀20、第七电动调节阀21、第八电动调节阀22、第九电动调节阀24、第二风机28、第十电动调节阀29、第十一电动调节阀30、导热油锅炉31电流输入端连接；
具体的，一种飞行器燃油箱绿色惰化系统中的除湿装置工作过程如下：
1)催化反应过程
所述油箱1上部的气体在所述风机3的抽吸作用下，流经所述第一阻火器2、所述风机3；与流经所述第十电动调节阀29的冲压空气混合；混合气体在所述预热器4中被预热；流经所述流量传感器5后，在所述第二换热器6冷侧通道中被导热油加热至反应所需温度；高温气体依次流经所述第一温度传感器7、第二阻火器8；在所述催化反应器9中发生无焰催化燃烧反应；反应后的高温高湿气体主要为氮气、二氧化碳、水；高温高湿气体流过所述第三阻火器10后分为两股；导热油锅炉31将其内导热油加热用于调节反应气体温度；
所述第二风机28出口的冲压空气分为两股，其一股流经第十电动调节阀29后，与来自油箱的气体混合，参与催化反应；其二股流经第十一电动调节阀30后，进入所述第三换热器11冷侧通道对反应后气体进行冷却，随后排出机外；
2)冷却干燥及惰化过程
所述第三阻火器10后的高温气体分为两股，其一股在所述第一换热器4中被初步冷却；然后在所述第三换热器11热侧通道中被冲压空气进一步冷却；被冷却的气体在所述旋风水分离器12出分离析出液态水，液态水通过管道排出机外；低温低含水量的惰化气体流入吸附除湿器中进一步干燥；其二股用于吸附除湿器的再生；
当第一吸附除湿器17工作时，第一电动调节阀13、第五电动调节阀19、第四电动调节阀16、第八电动调节阀22开启，第二电动调节阀14、第六电动调节阀20、第三电动调节阀15、第七电动调节阀21关闭；第一吸附除湿器17达到饱和后，第一电动调节阀13、第五电动调节阀19、第四电动调节阀16、第八电动调节阀22关闭，第二电动调节阀14、第六电动调节阀20、第三电动调节阀15、第七电动调节阀21开启，切换为第二吸附除湿器18工作，第一吸附除湿器17此时再生，如此切换工作；
进一步干燥后的惰化气体依次流经所述第二温度传感器23、第九电动调节阀24、止回阀25、第四阻火器26，最后流回油箱进行冲洗惰化；
3)数据采集及控制过程
所述氧浓度传感器27通过探杆探测所述油箱1上部气相空间氧浓度并将信号传输到所述自动控制器32；当氧浓度大于给定值时，所述自动控制器23输出控制信号连通所述第一风机3、旋风水分离器12、第一电动调节阀13、第二电动调节阀14、第三电动调节阀15、第四电动调节阀16、第五电动调节阀19、第六电动调节阀20、第七电动调节阀21、第八电动调节阀22、第九电动调节阀24、第二风机28、第十电动调节阀29、第十一电动调节阀30、导热油锅炉31，系统开始工作；当氧浓度小于给定值时，系统停止工作；
所述流量传感器5、第一温度传感器7、第二温度传感器23测得气体的温度或流量，并将信号传输到所述自动控制器32；根据流量传感器5及第一温度传感器7测得的反应气体的流量和温度来调节导热油锅炉31的加热功率；所述第二温度传感器23测得干燥的惰化气体温度，并将信号传输到所述自动控制器32；当温度大于给定值时，所述自动控制器32输出控制信号关闭所述第九电动调节阀24，以防止高温气体进入油箱，保证油箱安全。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种飞行器燃油箱绿色惰化系统中的除湿装置，其特征在于，包含油箱（1）、第一阻火器（2）、第一风机（3）、第一换热器（4）、流量传感器（5）、第二换热器（6）、第一温度传感器（7）、第二阻火器（8）、催化反应器（9）、第三阻火器（10）、第三换热器（11）、旋风水分离器（12）、第一电动调节阀（13）、第二电动调节阀（14）、第三电动调节阀（15）、第四电动调节阀（16）、第一吸附除湿器（17）、第二吸附除湿器（18）、第五电动调节阀（19）、第六电动调节阀（20）、第七电动调节阀（21）、第八电动调节阀（22）、第二温度传感器（23）、第九电动调节阀（24）、止回阀（25）、第四阻火器（26）、氧浓度传感器（27）、第二风机（28）、第十电动调节阀（29）、第十一电动调节阀（30）、导热油锅炉（31）、自动控制器（32）；
油箱（1）出口通过管道依次连接有第一阻火器（2）、第一风机（3）入口；
所述第一风机（3）出口与第十电动调节阀（29）出口通过管道同时与第一换热器（4）冷侧通道入口连接；
所述第一换热器（4）冷侧通道出口通过管道依次连接有流量传感器（5）、第二换热器（6）冷侧通道、第一温度传感器（7）、第二阻火器（8）、催化反应器（9）、第三阻火器（10）入口；
所述第三阻火器（10）出口通过管道同时与所述第一换热器（4）热侧通道入口、第三电动调节阀（15）入口、第四电动调节阀（16）入口、第七电动调节阀（21）出口、第八电动调节阀（22）出口连接；
所述第一换热器（4）热侧通道出口通过管道依次连接有第三换热器（11）热侧通道、旋风水分离器（12）入口；
所述旋风水分离器（12）出口通过管道同时与第一电动调节阀（13）入口、第二电动调节阀（14）入口连接；
所述第一电动调节阀（13）出口、第三电动调节阀（15）出口通过管道同时与第一吸附除湿器（17）入口连接；
所述第二电动调节阀（14）出口、第四电动调节阀（16）出口通过管道同时与第二吸附除湿器（18）入口连接；
所述第一吸附除湿器（17）出口通过管道同时与第五电动调节阀（19）入口、第七电动调节阀（21）入口连接；
所述第二吸附除湿器（18）出口通过管道同时与第六电动调节阀（20）入口、第八电动调节阀（22）入口连接；
所述第五电动调节阀（19）出口、第六电动调节阀（20）出口通过管道同时与第二温度传感器（23）入口连接；
所述第二温度传感器（23）出口通过管道依次连接有第九电动调节阀（24）、止回阀（25）、第四阻火器（26）、油箱（1）入口；
氧浓度传感器（27）通过探杆与所述油箱（1）连接；
第二风机（28）出口通过管道同时与所述第十电动调节阀（29）入口、第十一电动调节阀（30）入口连接；
所述第十一电动调节阀（30）出口通过管道与第三换热器（11）冷侧通道入口连接；所述第三换热器（11）冷侧通道出口气体排至机外；
所述第二换热器（6）热侧通道出口通过管道依次连接有导热油锅炉（31）、第二换热器（6）热侧通道入口。
2.如权利要求1所述的一种飞行器燃油箱绿色惰化系统中的除湿装置，其特征在于，自动控制器（32）包含一个电流输入端和一个电流输出端；
所述流量传感器（5）、第一温度传感器（7）、第二温度传感器（23）、氧浓度传感器（27）通过电缆并联并与所述自动控制器（32）电流输入端连接；
所述自动控制器（32）电流输出端通过电缆分别与所述第一风机（3）、旋风水分离器（12）、第一电动调节阀（13）、第二电动调节阀（14）、第三电动调节阀（15）、第四电动调节阀（16）、第五电动调节阀（19）、第六电动调节阀（20）、第七电动调节阀（21）、第八电动调节阀（22）、第九电动调节阀（24）、第二风机（28）、第十电动调节阀（29）、第十一电动调节阀（30）、导热油锅炉（31）电流输入端连接。
3.如权利要求1所述的一种飞行器燃油箱绿色惰化系统中的除湿装置，其特征在于，催化反应过程中，所述油箱（1）上部的气体在所述第一风机（3）的抽吸作用下，流经所述第一阻火器（2）、所述第一风机（3）；与流经所述第十电动调节阀（29）的冲压空气混合；混合气体在所述第一换热器（4）中被预热；流经所述流量传感器（5）后，在所述第二换热器（6）冷侧通道中被导热油加热至反应所需温度；高温气体依次流经所述第一温度传感器（7）、第二阻火器（8）；在所述催化反应器（9）中发生无焰催化燃烧反应；反应后的高温高湿气体主要为氮气、二氧化碳、水；高温高湿气体流过所述第三阻火器（10）后分为两股；导热油锅炉（31）将其内导热油加热用于调节反应气体温度；
所述第二风机（28）出口的冲压空气分为两股，其一股流经第十电动调节阀（29）后，与来自油箱的气体混合，参与催化反应；其二股流经第十一电动调节阀（30）后，进入所述第三换热器（11）冷侧通道对反应后气体进行冷却，随后排出机外。
4.如权利要求1所述的一种飞行器燃油箱绿色惰化系统中的除湿装置，其特征在于，冷却干燥及惰化过程中，
所述第三阻火器（10）后的高温气体分为两股，其一股在所述第一换热器（4）中被初步冷却；然后在所述第三换热器（11）热侧通道中被冲压空气进一步冷却；被冷却的气体在所述旋风水分离器（12）出分离析出液态水，液态水通过管道排出机外；低温低含水量的惰化气体流入吸附除湿器中进一步干燥；其二股用于吸附除湿器的再生；
当第一吸附除湿器（17）工作时，第一电动调节阀（13）、第五电动调节阀（19）、第四电动调节阀（16）、第八电动调节阀（22）开启，第二电动调节阀（14）、第六电动调节阀（20）、第三电动调节阀（15）、第七电动调节阀（21）关闭；第一吸附除湿器（17）达到饱和后，第一电动调节阀（13）、第五电动调节阀（19）、第四电动调节阀（16）、第八电动调节阀（22）关闭，第二电动调节阀（14）、第六电动调节阀（20）、第三电动调节阀（15）、第七电动调节阀（21）开启，切换为第二吸附除湿器（18）工作，第一吸附除湿器（17）此时再生，如此切换工作；
进一步干燥后的惰化气体依次流经所述第二温度传感器（23）、第九电动调节阀（24）、止回阀（25）、第四阻火器（26），最后流回油箱进行冲洗惰化。
5.如权利要求1所述的一种飞行器燃油箱绿色惰化系统中的除湿装置，其特征在于，数据采集及控制过程中，
所述氧浓度传感器（27）通过探杆探测所述油箱（1）上部气相空间氧浓度并将信号传输到所述自动控制器（32）；当氧浓度大于给定值时，所述自动控制器（32）输出控制信号连通所述第一风机（3）、旋风水分离器（12）、第一电动调节阀（13）、第二电动调节阀（14）、第三电动调节阀（15）、第四电动调节阀（16）、第五电动调节阀（19）、第六电动调节阀（20）、第七电动调节阀（21）、第八电动调节阀（22）、第九电动调节阀（24）、第二风机（28）、第十电动调节阀（29）、第十一电动调节阀（30）、导热油锅炉（31），系统开始工作；当氧浓度小于给定值时，系统停止工作；
所述流量传感器（5）、第一温度传感器（7）、第二温度传感器（23）测得气体的温度或流量，并将信号传输到所述自动控制器（32）；根据流量传感器（5）及第一温度传感器（7）测得的反应气体的流量和温度来调节导热油锅炉（31）的加热功率；所述第二温度传感器（23）测得干燥的惰化气体温度，并将信号传输到所述自动控制器（32）；当温度大于给定值时，所述自动控制器（32）输出控制信号关闭所述第九电动调节阀（24），以防止高温气体进入油箱，保证油箱安全。
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