CN110510132B - 三轮式燃油箱惰化装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于飞行器的三轮式燃油箱惰化装置，包括：动力涡轮(10)；降压涡轮(11)；增压涡轮(2)；以及与增压涡轮(2)连通的空气分离器(7)。动力涡轮(10)借助第一电动离合器(14)与增压涡轮(2)同轴连接或断开连接，和/或借助第二电动离合器(15)与降压涡轮(11)同轴连接或断开连接。空气分离器(7)将进入其中的压缩空气分离成富氧气体(8)和富氮气体(9)，富氧气体(8)在飞行器处于低海拔高度时被送入降压涡轮(11)以降低富氧气体(8)的压力，富氮气体(9)在飞行器处于高海拔高度时被送入动力涡轮(10)以降低动力涡轮(10)的负载。上述燃油箱惰化装置一方面能够在飞行器处于低海拔高度时提高空气分离器的性能，另一方面能够在飞行器处于高海拔高度时改善增压效果。

Description

三轮式燃油箱惰化装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种三轮式燃油箱惰化装置，以及控制这种三轮式燃油箱惰化装置的方法。

背景技术

根据对于国内外重大飞行安全事故的调查结果，飞行器燃油箱失火爆炸对机上人员和设备安全具有重大威胁。因此，如何降低飞行器燃油箱爆炸事故概率成为飞行器安全问题的研究重点。通过大量的实验和研究结果表明，飞行器燃油箱惰化是一种经济有效的防火防爆方式。

燃油箱惰化指的是：利用惰性气体如氮气、二氧化碳等充入飞行器燃油箱的气相空间，置换出该气相空间内的氧气，以减少燃油箱中的氧气含量，致使氧气浓度达到可燃极限以下。通过惰化处理，即使遇到外部点火源，飞行器燃油箱也不会发生起火爆炸。因此，燃油箱惰化技术目前被广泛采用。

机载制氮惰化系统是运用最广泛且成熟的燃油箱惰化技术，该技术利用发动机引气，通过中空纤维膜分离氮气和氧气，产生所需要的富氮气体通入燃油箱气相空间，以此降低气相空间内的氧气浓度。例如，在由HAMILTON SUNDSTRAND公司提交的欧洲专利申请EP3241757A1中就记载了这样一种用于飞行器的油箱惰性系统。该系统利用发动机引气增压来降低气相空间内的氧气浓度。但是，该技术对气源压力要求很高，而且中空纤维膜制氮存在效率低、寿命短、易堵塞、对环境产生污染等缺点。

再者，在由南京航空航天大学于2017年12月21日提交的中国专利申请CN107840315A中公开了一种带膨胀机的机载制氧-制氮耦合系统。在该系统中，来自发动机压气机的引气被稳压、冷却后分成两路，一路给膨胀机做功来驱动两套增压涡轮，另一路被第一增压涡轮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。由于这种制氧-制氮耦合系统同样需要使用中空纤维膜制氮系统，因此不可避免地存在之前所述的种种缺陷。

为此，业内也曾经提出采用对富氮气体增压来替代用引气增压的解决途径。例如，在由HAMILTON SUNDSTRAND公司提交的美国专利US6913636B2中记载了一种低功率富氮空气发生系统。该系统的主要特点是利用空气分离器分离出来的富氮气体(NEA)对涡轮做功，其优点在于可以利用NEA的高压提高ASM的进口压力，进而提高分离氮气的纯度和流量。但是，由于地面阶段大气压较大，致使分离膜内外两侧压差最小，空气分离器的性能因此下降。

因此，目前需要研制一种改进的三轮式燃油箱惰化装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在飞行器处于低海拔高度时提高空气分离器的性能且在飞行器处于高海拔高度时改善增压效果的燃油箱惰化装置。

本发明的第一方面涉及一种用于飞行器的三轮式燃油箱惰化装置，包括：动力涡轮；降压涡轮；增压涡轮；以及与增压涡轮连通的空气分离器。动力涡轮借助第一电动离合器与增压涡轮同轴连接或断开连接，和/或借助第二电动离合器与降压涡轮同轴连接或断开连接，并且空气分离器将进入其中的压缩空气分离成富氧气体和富氮气体，富氧气体在飞行器处于低海拔高度时被送入降压涡轮以降低富氧气体的压力，富氮气体在飞行器处于高海拔高度时被送入动力涡轮以降低动力涡轮的负载。

较佳的是，增压涡轮、动力涡轮和降压涡轮均可以同轴连接，且通过第一电动离合器和第二电动离合器中的一个或两个断开连接。

较佳的是，增压涡轮可以与高压气源连通，高压气源的温度被优选地控制为低于120℃，或者是高温气源被降温到低于120℃。

较佳的是，增压涡轮可以依次连接臭氧转换器和过滤器并最终与空气分离器相连通。

更佳的是，在过滤器与空气分离器之间设置有温度传感器和/或压力传感器，以检测进入空气分离器的压缩空气的温度和/或压力。

本发明的第二方面涉及一种控制如第一方面所述的三轮式燃油箱惰化装置的方法，包括如下步骤：

(i)在三轮式燃油箱惰化装置处于低海拔模式时，断开第一电动离合器并且第二电动离合器，将被空气分离器分离出来的富氧气体送入降压涡轮并最终排入大气；

(ii)在三轮式燃油箱惰化装置处于高海拔模式时，闭合第一电动离合器并且断开第二电动离合器，将被空气分离器分离出来的富氮气体送入动力涡轮以降低动力涡轮的负载，之后富氮气体被排入燃油箱。

较佳的是，可以利用临界高度来确定三轮式燃油箱惰化装置应当处于高海拔模式还是低海拔模式。

上述各技术方案的优点在于：本发明的三轮式燃油箱惰化装置及其控制方法能够对飞机燃油箱进行保护，防止燃油箱内部发生燃烧并进而引发爆炸。该燃油箱惰化装置通过增加富氧侧内外压差，并增加富氧侧氧分子的渗透，进而提高富氮气体的纯度，使得燃油箱更快地达到不可燃的安全状态。

由此可见，本发明的创新点在于：

(1)利用动力涡轮的高转速对富氧气体的排气管路进行膨胀降压，降低富氧气体的排气压力，这样可以增加空气分离器两侧的压差，从而增加氧气的渗透量，并且提高富氮气体在出口处的纯度；

(2)基于三轮式燃油箱惰化装置的结构匹配第一和第二电动离合器的开关，可以灵活地控制惰化系统的工作状态，从而在飞行器处于不同高度时均能够获得最优工作状态。

附图说明

为了进一步说明本发明的三轮式燃油箱惰化装置的结构和控制方法，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，其中：

图1是本发明的燃油箱惰化装置的工作原理示意图；

图2示出了根据本发明的燃油箱惰化装置的一个较佳实施例。

附图标记说明

1 高压气源

2 增压涡轮

3 臭氧转换器

4 过滤器

5 温度传感器

6 压力传感器

7 空气分离器

8 富氧气体(OEA)

9 富氮气体(NEA)

10 动力涡轮

11 降压涡轮

12 火焰抑制器

13 燃油箱

14 第一离合器

15 第二离合器

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的三轮式燃油箱惰化装置的结构及其控制方法，其中，相同的部件由相同的附图标记进行标示。

如图1所示，该图示出了本发明的燃油箱惰化装置的工作原理。可以看到，飞行器的动力涡轮T₁借助第一电动离合器L₁与增压涡轮C同轴连接或断开连接，并且借助第二电动离合器L₂与降压涡轮T₂同轴连接或断开连接。也就是说，增压涡轮、降压涡轮和动力涡轮不仅可以通过轴功传动，而且可以通过离合器断开连接。

本发明利用富氮气体NEA的高压气体在动力涡轮T₁中膨胀作功，带动动力涡轮T₁的转轴转动，轴功一方面可以带动增压涡轮C对高压气源进行增压，另一方面可以带动降压涡轮T₂对富氧气体OEA排气口处的压力进行降压。降低富氧气体OEA排气口处的压力会使空气分离器两侧的压差升高，增加氧气的渗透量，从而提高富氮气体NEA处口处的气体纯度。由此，通过两个电动离合器L₁、L₂就能够控制动力涡轮T₁的负载。

图2示出了根据本发明的燃油箱惰化装置的一个较佳实施例。

如图2所示，用于飞行器的三轮式燃油箱惰化装置主要由动力涡轮10、降压涡轮11、增压涡轮2和空气分离器7构成。由于这些部件在燃油箱惰化装置的结构及功能对于本领域的普通技术人员来说是众所周知的，在此省略对于每个部件的具体描述。飞行器的动力涡轮10借助第一电动离合器14与增压涡轮2同轴连接或断开连接，和/或借助第二电动离合器15与降压涡轮11同轴连接或断开连接。

较佳的是，增压涡轮2、动力涡轮10和降压涡轮11均同轴连接，且可以通过第一电动离合器14和/或第二电动离合器15断开连接。具体来说，第一电动离合器14的用途是控制增压涡轮2与动力涡轮10之间是否通过轴功传动，而第二电动离合器15的用途是控制降压涡轮11与动力涡轮10之间是否同轴转动。

增压涡轮2一方面与高压气源1连通，另一方面还依次连接臭氧转换器3和过滤器4，并且最终与空气分离器7相连通。在本实施例中，高压气源1的温度被控制为低于120℃。在过滤器4与空气分离器7之间还可以设置温度传感器5和/或压力传感器6，从而检测进入空气分离器7的压缩空气的温度和/或压力。

利用上述设置，空气分离器7将进入其中的压缩空气分离成富氧气体和富氮气体。在图2中，分别用附图标记8和9表示富氧气体和富氮气体。富氧气体8在飞行器处于低海拔高度时被送入降压涡轮11以降低富氧气体8的压力，富氮气体9在飞行器处于高海拔高度时被送入动力涡轮10以降低动力涡轮10的负载。

更具体地说，当飞行器处于低海拔高度(即燃油箱惰化装置处于低海拔模式)时，第一电动离合器14处于断开状态而第二电动离合器15处于闭合状态。此时，富氧气体8被送入降压涡轮11并最终排入大气，以降低富氧气体8的压力，从而提高空气分离器7的工作效率。

当飞行器处于高海拔高度(即燃油箱惰化装置处于高海拔模式)时，第一电动离合器14处于闭合状态而第二电动离合器15处于断开状态。此时，富氮气体9被送入动力涡轮10以降低动力涡轮10的负载，之后富氮气体9被排入燃油箱13。

利用临界高度H来区分低海拔高度和高海拔高度。该临界高度H对于本领域的普通技术人员来说能够利用本领域的知识通过试验获取其最佳值。因此，本文省略对于临界高度H的进一步描述，因为这与本申请的创新点无关。

此外，在动力涡轮10与燃油箱13之间还可以设置火焰抑制器12，以控制进入燃油箱的富氧空气量。

下面将简单地介绍根据本发明的三轮式燃油箱惰化装置的控制方法。

具体来说，在低海拔高度情况下，由于大气压较高，降低富氧气体的排气压力可以明显提高空气分离器的效率，因此三轮式燃油箱惰化装置的控制方法包括以下步骤：断开第一电动离合器并且闭合第二电动离合器，将被空气分离器分离出来的富氧气体送入降压涡轮11并最终排入大气，以降低富氧气体的压力，从而提高空气分离器的工作效率

在高海拔高度情况下，由于大气压力较低，发动机进气压力随着降低，经常导致高压气源的压力降低。此时，增加进入空气分离器的气体压力可以显著增加空气分离器的性能。另外，由于高空大气压已经接近真空，降低富氧气体的排气压力不能明显提高空气分离器的效率。因此三轮式燃油箱惰化装置的控制方法包括以下步骤：闭合第一电动离合器并且断开第二电动离合器，将被空气分离器分离出来的富氮气体送入动力涡轮以降低动力涡轮的负载，之后富氮气体被排入燃油箱以获得更好的增压效果。

同样，在低海拔高度和高海拔高度之间，存在这样一个临界高度H：当飞行高度≤H时，断开第一电动离合器并且闭合第二电动离合器，即，燃油箱惰化装置处于低海拔模式；当飞行高度>H时，闭合第一电动离合器并且断开第二电动离合器，即，燃油箱惰化装置处于高海拔模式。因此，可以利用临界高度H来确定燃油箱惰化装置应当处于高海拔模式还是低海拔模式。

虽然以上结合了较佳实施例对本发明的三轮式燃油箱惰化装置的工作原理、结构及其控制方法进行了说明，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，上述示例仅是用来说明的，而不能作为对本发明的限制。因此，可以在权利要求书的实质精神范围内对本发明进行修改和变型，这些修改和变型都将落在本发明的权利要求书所要求的范围之内。

Claims (7)

1.一种用于飞行器的三轮式燃油箱惰化装置，包括：

动力涡轮(10)；

降压涡轮(11)；

增压涡轮(2)；以及

与所述增压涡轮(2)连通的空气分离器(7)，

其特征在于，

所述动力涡轮(10)借助第一电动离合器(14)与所述增压涡轮(2)同轴连接或断开连接，并且借助第二电动离合器(15)与所述降压涡轮(11)同轴连接或断开连接，并且

所述空气分离器(7)将进入其中的压缩空气分离成富氧气体(8)和富氮气体(9)，

所述富氧气体(8)在所述飞行器处于低海拔高度时被送入所述降压涡轮(11)以降低所述富氧气体(8)的压力，所述富氮气体(9)在所述飞行器处于高海拔高度时被送入所述动力涡轮(10)以降低所述动力涡轮(10)的负载。

2.如权利要求1所述的三轮式燃油箱惰化装置，其特征在于，所述增压涡轮(2)、所述动力涡轮(10)和所述降压涡轮(11)均同轴连接，且通过所述第一电动离合器(14)和所述第二电动离合器(15)中的一个或两个断开连接。

3.如权利要求1所述的三轮式燃油箱惰化装置，其特征在于，所述增压涡轮(2)与高压气源(1)连通，所述高压气源(1)的温度被控制为低于120℃。

4.如权利要求1所述的三轮式燃油箱惰化装置，其特征在于，所述增压涡轮(2)依次连接臭氧转换器(3)和过滤器(4)并最终与所述空气分离器(7)相连通。

5.如权利要求4所述的三轮式燃油箱惰化装置，其特征在于，在所述过滤器(4)与所述空气分离器(7)之间设置有温度传感器(5)和/或压力传感器(6)，以检测进入所述空气分离器(7)的压缩空气的温度和/或压力。

6.一种控制如权利要求1所述的三轮式燃油箱惰化装置的方法，包括如下步骤：

(i)在所述三轮式燃油箱惰化装置处于低海拔模式时，断开所述第一电动离合器(14)并且闭合所述第二电动离合器(15)，将被所述空气分离器(7)分离出来的富氧气体(8)送入所述降压涡轮(11)并最终排入大气；

(ii)在所述三轮式燃油箱惰化装置处于高海拔模式时，闭合所述第一电动离合器(14)并且断开所述第二电动离合器(15)，将被所述空气分离器(7)分离出来的富氮气体(9)送入所述动力涡轮(10)以降低所述动力涡轮(10)的负载，之后富氮气体(9)被排入燃油箱(13)。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，利用临界高度(H)来确定所述三轮式燃油箱惰化装置应当处于高海拔模式还是低海拔模式。

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