CN110092004A - 一种联合耗氧式及分子筛式燃油箱惰化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种联合耗氧式及分子筛式燃油箱惰化装置，属于航空系统科技领域。能够在兼容耗氧式、分子筛式惰化装置优点的基础上，解决气体预热和可靠性差的问题，提高惰化效率。本发明包括：压缩机、换热器、调压阀、分子筛吸附床、催化反应器、过滤器、除水器。油箱的一个出口连通大气环境，另一个出口连接换热器的冷侧入口，冷侧出口连接催化反应器的进口。换热器的热侧入口通过压缩机通入冲压空气。热侧出口、调压阀、分子筛吸附床依次连接，分子筛吸附床再连接油箱的一个进口，四通旋转阀还连接催化反应器进口，催化反应器的出口连接油箱进口。本发明联合两种惰化技术，提升了惰化效率，可靠性强，并且为飞机供养系统提供氧气。
Description
技术领域
本发明涉及航空系统技术领域，尤其涉及一种联合耗氧式及分子筛式燃油箱惰化装置。
背景技术
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-BoardInertGas 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。
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。
但是现有的技术都有缺点，耗氧型惰化系统需要抽取燃油箱上部气体并对其加热，系统需要很大组件来对气体进行预热；分子筛技术制取富氮气体的效率慢，可靠性差，同时需要从发动机引气，飞机代偿损失大。
发明内容
本发明提供一种联合耗氧式及分子筛式燃油箱惰化装置，能够在兼容耗氧式、分子筛式惰化装置优点的基础上，同时解决对气体预热和可靠性差的问题，提高惰化效率。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种联合耗氧式及分子筛式燃油箱惰化装置，包括：压缩机、换热器、调压阀、分子筛吸附床、催化反应器、过滤器、除水器。
待工作的油箱具有一个进口和两个出口，其中一个出口通过过滤器连通大气环境，另一个出口连接换热器的冷侧入口，冷侧出口连接催化反应器的进口。
换热器的热侧入口通过压缩机通入冲压空气，冲压空气给油箱抽出的气体加热。热侧出口、调压阀、分子筛吸附床依次连接，分子筛吸附床再连接油箱的一个进口，四通旋转阀还连接催化反应器进口，催化反应器的出口连接油箱的另一个进口。
进一步的，四通旋转阀还连接氧气存储瓶。
进一步的，分子筛吸附床的数量为两个，四通旋转阀连接分子筛吸附床的其中一个。
进一步的，分子筛吸附床的内部为沸石。
进一步的，催化反应器为固定床反应器，内部装有催化剂。
进一步的，催化剂为Pd-Al2O3负载型催化剂，燃油蒸汽在高温中在催化剂作用下与氧气反应，产生水和二氧化碳。
进一步的，压缩机、调压阀还连接控制器。
进一步的，控制器还连接氧浓度传感器，氧浓度传感器安装在油箱内部。
进一步的，控制器还连接温度传感器，温度传感器设置在催化反应器的出口后端。
进一步的，过滤器为纸芯式过滤器，可过滤冲压空气中混杂的燃油及固体杂质。
本发明的有益效果如下：
本发明将高温高压的冲压空气从飞机的压缩机引进装置，经过过滤、干燥后高温冲压空气对从燃油箱上部空间引出的富氧燃油蒸汽混合物进行加热；然后冲压空气被冷却后经调整压力进入吸附床，冲压空气被分为富氮气体和富氧气体；富氮气体经调节引进油箱对其进行洗涤惰化，将其内部的富氧燃油蒸汽混合物排除；另一方面，富氧气体经调解一部分储存进氧气瓶中，一部分引出反应器，与加热后的富氧燃油蒸汽混合物混合，在反应器中燃油蒸汽混合物被催化剂分解成水和二氧化碳、氧气被消耗，反应器产生的富氮气体经干燥冷却后通入油箱对其进行惰化。本装置联合两种惰化技术，大大提升了惰化效率，可靠性强，并且可为飞机供养系统提供氧气。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是实施例的结构示意图。
其中，1-第一阻火器、2-油箱、3-氧浓度传感器、4-第二阻火器、5-第一电动调节阀、6-第一风机、7-第二电动调节阀、8-第一过滤器、9-第三电动调节阀、10-第一压缩机、11-第一止回阀、12-换热器、13-第二过滤器、14-干燥器、15-调压阀、16-四通旋转阀、17-第一分子筛吸附床、18-第二分子筛吸附床、19-第四电动调节阀、20-第五电动调节阀、21-第二压缩机、22-氧气存储瓶、23-催化反应器、24-温度传感器、25-第二风机、26-除水器、27-第六电动调节阀、28-第二止回阀、29-控制器。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例提供一种联合耗氧式及分子筛式燃油箱惰化装置，如图1所示，包括：第一阻火器1、氧浓度传感器3、第二阻火器4、第一电动调节阀5、第一风机6、第二电动调节阀7、第一过滤器8、第三电动调节阀9、第一压缩机10、第一止回阀11、换热器12、第二过滤器13、干燥器14、调压阀15、四通旋转阀16、第一分子筛吸附床17、第二分子筛吸附床18、第四电动调节阀19、第五电动调节阀20、第二压缩机21、氧气存储瓶22、催化反应器23、温度传感器24、第二风机25、除水器26、第六电动调节器27、第二止回阀28、控制器29。
待工作的油箱2具有两个进口和两个出口，其中一个出口和第二电动调节阀7、第一过滤器8依次连接，第一过滤器8连通大气环境，第一过滤器8为纸芯式过滤器。另一个出口和第二阻火器4、第一电动调节阀5、第一风机6换热器12的冷侧入口依次管道连接。第一风机6将油箱2内的气体鼓入换热器12。换热器12的冷侧出口连接催化反应器23的进口，催化反应器23为固定床反应器，内部的催化剂为Pd-Al2O3负载型催化剂。
第一压缩机10、第一止回阀11、换热器12的热侧进口依次管道连接，冲压空气加压后通入换热器12，换热器12的热侧出口、第二过滤器13、干燥器14、调压阀15、四通旋转阀16依次连接。四通旋转阀16的一个管口连接第一分子筛吸附床17或者第二分子筛吸附床18。冲压空气在换热器12为冷侧的气体加热，经过过滤干燥后及调压阀14调至合适压力后流入第一分子筛吸附床17或者第二分子筛吸附床18，在高压下，氮气分子不容易被分子筛内沸石吸附，所以自由通过分子筛吸附床，而氧气分子被分子筛吸附，从而将冲压空气分离成富氧气体和富氮气体。富氮气体从吸附床的出口通过第三电动调节阀9通入油箱2的一个进口；富氧气体从四通旋转阀16的一个通道流出，该通道连接第四电动调节阀19和第五电动调节阀20，并通过第五电动调节阀20连接第二压缩机21，第二压缩机21和氧气存储瓶22连接，将富氧气体吸入氧气存储瓶22内部。氧气存储瓶22内的氧气进入飞机供养系统供氧。
第四电动调节阀19连接催化反应器23的入口，催化反应器23的出口、第二风机25、除水器26、第六电动调节阀27、第二止回阀28、第一阻火器1、油箱2的进口，依次连接，第二风机25将经过催化反应的气体抽出并通入油箱2
氧浓度传感器3、温度传感器24连接控制器29。氧浓度传感器3设置在油箱2内部，氧浓度传感器3的探头伸入待作业油箱2的上部空间，用于测量空间内氧气浓度含量，并将数据传输给控制器29；温度传感器24设置催化反应器2的出口处，用于测量出口气体的温度，并将数据传输给控制器29。
控制器29还分别与第一电动调节阀5、第一风机6、第二电动调节阀7、第三电动调节阀9、第一压缩机10、止回阀11、调压阀15、四通旋转阀16、第四电动调节阀19、第五电动调节阀20、第二压缩机21、第二风机25、第六电动调节器27、止回阀28电气相连，控制器29输出控制信号控制上述器件工作。
其中，控制器采用V80-C航空专用PLC模块、温度传感器采用PT1000温度传感器、氧浓度传感器采用TY-3500-C 氧化锆氧浓度传感器、电动调节阀采用HJS-63A电动调节活门。控制器的数据采集、控制开关功能均为本领域的公知常识，本领域技术人员无需付出创造性劳动即可实现。
本实施例的工作过程如下：
分子筛工作及惰化过程
高温冲压空气经第一压缩机10引入，经换热器12降温，再由第二过滤器13、干燥器14干燥过滤，由调压阀15调整压力后输入第一分子筛吸附床17，富氮气体从第一分子筛吸附床17出口流出，富氧气体从四通旋转阀16一通道流出，当第一分子筛吸附床17吸附饱和后，四通旋转阀16将气体切换至第二分子筛吸附床18，第二分子筛吸附床18开始工作，第一分子筛吸附床17进行降压解吸恢复吸附能力。四通旋转阀16以一定速度旋转使得两吸附床交替进行变压吸附循环，从而形成连续的富氮气流。富氮气体经第三电动调节阀9调节后通过油箱2内，油箱2内燃油蒸汽混合物经第一过滤器8过滤后排出大气，达到惰化效果。
燃油蒸汽催化及惰化过程
油箱2上部空间内的燃油蒸汽混合在第一风机6的抽吸作用下及第一电动调节阀5的调节下引出，由换热器12进行加热与从分子筛吸附床分离的经第四电动调节阀19调节后的一部分富氧气体混合后进入催化反应器23，在催化反应器23中燃油蒸汽混合物被催化成水和二氧化碳，氧气被消耗。催化反应器23生成的富氮气体经除水器26除水后通入油箱2中。
氧气制造过程
冲压空气经分子筛过滤后，富氧气体由第五电动调节阀20调节，由第二压缩机21增压后充入氧气储存瓶22中供飞机供养系统使用。
信号处理及控制过程
氧浓度传感器3用于测量油箱2上部空气氧气含量，将数据传递给控制器29，当氧浓度值大于设定值时，控制器29输出信号控制第一电动调节阀5、第一风机6、第二电动调节阀7、第三电动调节阀9、第一压缩机10、止回阀11、调压阀15、四通旋转阀16、第四电动调节阀19、第五电动调节阀20、第二压缩机21、第二风机25、第六电动调节器27、止回阀28进行工作；当氧浓度值小于设定值时，停止工作。温度传感器24测量催化反应器23出口管道内气体温度，当温度大于设定值时，控制器29输出信号，控制第六电动调节阀27关闭管道，防止高温气体进入油箱，造成爆炸威胁。控制器29的数据采集、控制开关功能均为本领域的公知常识，本领域技术人员无需付出创造性劳动即可实现。
本发明的有益效果如下：
本发明将高温高压的冲压空气从飞机的压缩机引进装置，经过过滤、干燥后高温冲压空气对从燃油箱上部空间引出的富氧燃油蒸汽混合物进行加热；然后冲压空气被冷却后经调整压力进入吸附床，冲压空气被分为富氮气体和富氧气体；富氮气体经调节引进油箱对其进行洗涤惰化，将其内部的富氧燃油蒸汽混合物排除；另一方面，富氧气体经调解一部分储存进氧气瓶中，一部分引出反应器，与加热后的富氧燃油蒸汽混合物混合，在反应器中燃油蒸汽混合物被催化剂分解成水和二氧化碳、氧气被消耗，反应器产生的富氮气体经干燥冷却后通入油箱对其进行惰化。本装置联合两种惰化技术，大大提升了惰化效率，可靠性强，并且可为飞机供养系统提供氧气。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种联合耗氧式及分子筛式燃油箱惰化装置，其特征在于，包括：压缩机、换热器、调压阀、分子筛吸附床、催化反应器、过滤器、除水器；
待工作的油箱具有两个进口和两个出口，其中一个出口通过过滤器连通大气环境，另一个出口连接换热器的冷侧入口，冷侧出口连接催化反应器的进口；
换热器的热侧入口通过压缩机引来来自发动机的高温高压冲压空气，热侧出口、调压阀、分子筛吸附床依次连接，分子筛吸附床再连接油箱的一个进口；
四通旋转阀还连接催化反应器进口，催化反应器的出口连接油箱的另一个进口。
2.根据权利要求1所述的联合耗氧式及分子筛式燃油箱惰化装置，其特征在于，所述四通旋转阀还连接氧气存储瓶。
3.根据权利要求1或2所述的联合耗氧式及分子筛式燃油箱惰化装置，其特征在于，所述分子筛吸附床的数量为两个，所述四通旋转阀连接所述分子筛吸附床的其中一个。
4.根据权利要求3所述的联合耗氧式及分子筛式燃油箱惰化装置，其特征在于，所述分子筛吸附床的内部为沸石。
5.根据权利要求1所述的联合耗氧式及分子筛式燃油箱惰化装置，其特征在于，所述催化反应器为固定床反应器，内部装有催化剂。
6.根据权利要求1所述的联合耗氧式及分子筛式燃油箱惰化装置，其特征在于，所述催化剂为Pd-Al2O3负载型催化剂。
7.根据权利要求1所述的联合耗氧式及分子筛式燃油箱惰化装置，其特征在于，所述压缩机、调压阀还连接控制器。
8.根据权利要求7所述的联合耗氧式及分子筛式燃油箱惰化装置，其特征在于，所述控制器还连接氧浓度传感器，氧浓度传感器安装在所述油箱内部。
9.根据权利要求7所述的联合耗氧式及分子筛式燃油箱惰化装置，其特征在于，所述控制器还连接温度传感器，温度传感器设置在所述催化反应器的出口后端。
10.根据权利要求1所述的联合耗氧式及分子筛式燃油箱惰化装置，其特征在于，所述过滤器为纸芯式过滤器。
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