CN110697063B - 一种闭环式飞机燃油箱机载惰化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种闭环式飞机燃油箱机载惰化系统，包括油箱，油箱气体出口通过管道连接冷凝器入口，冷凝器气体出口通过管道依次连接有第一阻火器、气体干燥器、第一流量传感器、气体压缩机、电动压力调节阀气体入口，电动压力调节阀气体出口通过管道依次连接有第一换热器、第一压力传感器、第一温度传感器，第一温度传感器另一端分别与第一电动截止阀入口连接和第二电动截止阀的入口连接；第一电动截止阀出口管道连接有常规中空纤维膜分离器入口；第二电动截止阀出口管道连接有应急中空纤维膜分离器入口。本发明能避免发动机引气导致代偿损失增加，系统重量及尺寸小，满足不同工况下的惰化需求，模式切换，系统工作更为智能。
Description
技术领域
本发明涉及航空技术领域，特别是涉及一种闭环式飞机燃油箱机载惰化系统。
背景技术
飞机安全问题一直受到社会的广泛关注，而油箱燃烧、爆炸是引发飞机灾难性安全事故的主要祸因之一。1996年一架波音747-100系列飞机在纽约上空解体，导致了230人丧生，造成了严重的空难事故（史称TW800航班事故），对此美国国家运输安全局进行了事故调查， 结果表明：未知的点火源引起的中央翼燃油箱燃烧爆炸是造成该事故的元凶。美国航空规章制订咨询委员会在回顾近 40 年来全世界运输类飞机营运记录后发现：至少有16起由于飞机燃油箱爆炸导致的事故，造成了多达530余人的死亡。
由此可见，燃油箱的防火抑爆能力，不仅关系到飞机的生存能力和易损性，同时也关系到飞机的利用率、成本和乘客的生命安全。因此，无论对于军机还是民机，都必须采用有效措施来防止油箱燃爆事故的发生。
采用中空纤维膜制取富氮气体的机载制氮惰化技术是目前最经济和实用的飞机油箱防火抑爆技术，美国和欧洲现役军机和民机均采用该技术。我国从 2008 年开始，消化吸收国外技术，民机通过全球采购方式，将其用于国产大飞机C919、新舟700和天马公务机，而军用领域则通过自主研发用于大型运输机 Y-20和四代战斗机J-20。
不过从国内外的应用现状来看，中空纤维膜机载制氮惰化技术仍然存在很多问题，例如需要发动机引气导致在很多机型上无法使用（如直升机）、系统开环导致分离膜效率低导致飞机代偿损失大、细小的膜丝和渗透孔径逐渐堵塞、气源中臭氧导致膜性能衰减严重及氮气填充油箱时导致燃油蒸汽外泄污染环境等等。
因此本领域技术人员致力于开发一种应用范围广、飞机代偿损失小、环保、智能的闭环式飞机燃油箱机载惰化系统。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种应用范围广、飞机代偿损失小、环保、智能的闭环式飞机燃油箱机载惰化系统。
为实现上述目的，本发明提供了一种闭环式飞机燃油箱机载惰化系统，包括油箱，所述油箱包含气体入口、出口，液体出口、入口。所述油箱气体出口通过管道连接冷凝器入口，所述冷凝器气体出口通过管道依次连接有第一阻火器、气体干燥器、第一流量传感器、气体压缩机、电动压力调节阀气体入口；
所述电动压力调节阀泄压口通过管道连接至机外；
所述电动压力调节阀气体出口通过管道依次连接有第一换热器、第一压力传感器、第一温度传感器，所述第一温度传感器另一端分别与第一电动截止阀入口连接和第二电动截止阀的入口连接；所述第一电动截止阀出口管道连接有常规中空纤维膜分离器入口；所述第二电动截止阀出口管道连接有应急中空纤维膜分离器入口；
所述常规中空纤维膜分离器富氮气体出口通过管道与第二止回阀入口连接；
所述常规中空纤维膜分离器富氧气体出口通过管道与第三止回阀入口连接；
所述应急中空纤维膜分离器富氮气体出口通过管道与第五止回阀入口连接；
所述应急中空纤维膜分离器富氧气体出口通过管道与第四止回阀入口连接；
所述第三止回阀出口和第四止回阀出口并联后，通过管道与第二阻火器入口连接，所述第二阻火器出口通过管道连接至外界；
所述第二止回阀出口和第五止回阀出口并联后，通过管道连接至第二温度传感器，所述第二温度传感器另一端通过管道依次连接有第二压力传感器、第二换热器、第二流量传感器、第三阻火器、所述油箱气体入口。
较佳的，所述冷凝器泄流口通过第一止回阀管道连接到所述油箱流体入口。
较佳的，所述油箱内部安装有第三温度传感器、溶解氧浓度传感器、气相空间氧浓度传感器、第三压力传感器。
较佳的，还包括自动控制器，所述自动控制器包含一个信号输入端和一个控制信号输出端；
所述第一流量传感器、第一压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第二压力传感器、第二流量传感器、第三温度传感器、溶解氧浓度传感器、气相空间氧浓度传感器、第三压力传感器通过电缆并联并与所述自动控制器信号输入端连接；
所述自动控制器控制信号输出端通过电缆依次连接所述第二换热器、气体压缩机、电动压力调节阀、第一换热器、第一电动截止阀、第二电动截止阀。
所述油箱包含气体入口、出口，液体出口、入口。
本发明的有益效果是：本发原理是将油箱上部气相空间可燃性气体导入中空纤维膜系统进行氧氮分离，分离出的可燃性富氧气体直接排出机外，产生的富氮气体重新引入油箱，对燃油箱进行惰化，达到防火防爆的目的。本发明还设计利用气体压缩机引气来促进分离的进行，并提供常规、应急两种惰化模式，具有系统闭环、流程简单、惰化效率高、无污染等优点。
本发明将气体压缩技术与中空纤维膜制取富氮气体的机载制氮惰化技术结合，采用油箱气相空间可燃性气体作为气源，空气压缩设备抽取并减少油箱可燃性气体的同时，通过中空纤维膜将抽取气体转换为富氮气体，并再次充入油箱气相空间实现惰化。具有以下有益效果：
（1）利用空气压缩机提供气源动力，避免发动机引气导致代偿损失增加；
（2）气体分离对象仅为油箱上部空间气体及少量由压差变化流入的空气，因此系统重量及尺寸小；
（3）提供了常规及应急两种惰化模式，满足不同工况下的惰化需求；
（4）通过自动控制器监控系统工作状态，实现模式切换，系统工作更为智能。
附图说明
图1是本发明一具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，需注意的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，一种闭环式飞机燃油箱机载惰化系统，包括油箱1，油箱1气体出口通过管道连接冷凝器3入口，冷凝器3气体出口通过管道依次连接有第一阻火器4、气体干燥器5、第一流量传感器6、气体压缩机7、电动压力调节阀8气体入口。
所述电动压力调节阀8泄压口通过管道连接至机外。
电动压力调节阀8气体出口通过管道依次连接有第一换热器9、第一压力传感器10、第一温度传感器11，第一温度传感器11另一端分别与第一电动截止阀12入口连接和第二电动截止阀17的入口连接。第一电动截止阀12出口管道连接有常规中空纤维膜分离器13入口，第二电动截止阀17出口管道连接有应急中空纤维膜分离器18入口。
常规中空纤维膜分离器13富氮气体出口通过管道与第二止回阀14入口连接，常规中空纤维膜分离器13富氧气体出口通过管道与第三止回阀15入口连接。
应急中空纤维膜分离器18富氮气体出口通过管道与第五止回阀20入口连接，应急中空纤维膜分离器18富氧气体出口通过管道与第四止回阀19入口连接。
第三止回阀15出口和第四止回阀19出口并联后，通过管道与第二阻火器16入口连接，第二阻火器16出口通过管道连接至外界。
第二止回阀14出口和第五止回阀20出口并联后，通过管道连接至第二温度传感器21，第二温度传感器21另一端通过管道依次连接有第二压力传感器22、第二换热器23、第二流量传感器24、第三阻火器25、油箱1气体入口。
冷凝器3泄流口通过第一止回阀2管道连接到油箱1流体入口。油箱1内部安装有第三温度传感器26、溶解氧浓度传感器27、气相空间氧浓度传感器28、第三压力传感器29。
本发明的一种闭环式飞机燃油箱机载惰化系统还包括自动控制器30，自动控制器30包含一个信号输入端和一个控制信号输出端。
第一流量传感器6、第一压力传感器10、第一温度传感器11、第二温度传感器21、第二压力传感器22、第二流量传感器24、第三温度传感器26、溶解氧浓度传感器27、气相空间氧浓度传感器28、第三压力传感器29通过电缆并联并与自动控制器30信号输入端连接。
自动控制器30控制信号输出端通过电缆依次连接第二换热器23、气体压缩机7、电动压力调节阀8、第一换热器9、第一电动截止阀12、第二电动截止阀17。
本发明工作时，工作流程如下：
1）油箱惰化及控制过程
第三温度传感器26、溶解氧浓度传感器27、气相空间氧浓度传感器28分别测量油箱1内部温度、燃油溶解氧浓度、气相空间氧浓度，自动控制器30采集前述信号判断油箱是否暴露在可燃状态下，当处于可燃极限范围内时，第三压力传感器29测量油箱内部压力，压力信号输入自动控制器30判断系统工作模式。
模式①常规惰化模式
在一定时间内，当自动控制器30采集到第三压力传感器29测量的压力持续降低或者较为稳定时，判定系统工作模式为常规惰化模式。自动控制器30输出信号启动气体压缩机7，打开第一电动截止阀12，关闭第二电动截止阀17，此时气体压缩机7在较低功率模式下运行。油箱1上部空间可燃混合气体由燃气蒸汽、氧气、氮气、二氧化碳、水蒸气及其他微量杂质构成，在抽吸作用下流经冷凝器3后分为两路，一路为冷凝形成的液体依次流经第一止回阀2、油箱1液体入口后流入油箱，另一路为低温干燥形成的气体依次流经第一阻火器4、气体干燥器5、第一流量传感器6、气体压缩机7、电动压力调节阀8、第一换热器9、第一压力传感器10、第一温度传感器11、第一电动截止阀12，抽吸气在常规中空纤维膜分离器13中被分离为富氮气体和富氧气体，富氧气体流经第三止回阀15、第二阻火器16后排至外界，富氮气体依次流经第二止回阀14、第二温度传感器21、第二压力传感器22、第二换热器23、第二流量传感器24、第三阻火器25后，流入油箱1进行小流量常规惰化。
模式②应急惰化模式
在一定时间内，当自动控制器30采集第三压力传感器29测量的压力持续升高时，判定系统工作模式为应急惰化模式。自动控制器30输出信号启动气体压缩机7，关闭第一电动截止阀12，打开第二电动截止阀17，此时气体压缩机7在大功率模式下运行。与模式①不同的是，抽吸气在应急中空纤维膜分离器18中被分离为富氮气体和富氧气体，富氧气体流经第四止回阀19、第二阻火器16后排至外界，富氮气体依次流经第五止回阀20、第二温度传感器21、第二压力传感器22、第二换热器23、第二流量传感器24、第三阻火器25后，流入油箱1进行大流量应急惰化。
自动控制器30通过采集第一流量传感器6、第一压力传感器10、第一温度传感器11、第二温度传感器21、第二压力传感器22、第二流量传感器24的数据信号，判断惰化系统工作温度及压力，并输出信号控制电动压力调节阀8开度、第一换热器9风力、第二换热器23风力。
自动控制器30采集信号判断油箱不再暴露在可燃状态下时，为降低系统整体工作能耗，自动控制器30输出信号关闭气体压缩机7，第一电动截止阀12，第二电动截止阀17。
2）系统保护及控制过程
过压保护过程：第一压力传感器10、第二压力传感器22、第三压力传感器29测量压力分别大于0.5 MPa、0.2 MPa、0.12 MPa时，自动控制器30判断系统处于过压状态并输出信号关闭气体压缩机7、第一电动截止阀12、第二电动截止阀17。
超温保护过程：第一温度传感器11、第二温度传感器21、第三温度传感器26测量温度分别大于300℃、100℃、70℃时，自动控制器30判断系统处于过压状态并输出信号关闭气体压缩机7、第一电动截止阀12、第二电动截止阀17。
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 (4)
1.一种闭环式飞机燃油箱机载惰化系统，其特征是：包括油箱（1），所述油箱（1）气体出口通过管道连接冷凝器（3）入口，所述冷凝器（3）气体出口通过管道依次连接有第一阻火器（4）、气体干燥器（5）、第一流量传感器（6）、气体压缩机（7）、电动压力调节阀（8）气体入口；
所述电动压力调节阀（8）泄压口通过管道连接至机外；
所述电动压力调节阀（8）气体出口通过管道依次连接有第一换热器（9）、第一压力传感器（10）、第一温度传感器（11），所述第一温度传感器（11）另一端分别与第一电动截止阀（12）入口连接和第二电动截止阀（17）的入口连接；所述第一电动截止阀（12）出口管道连接有常规中空纤维膜分离器（13）入口；所述第二电动截止阀（17）出口管道连接有应急中空纤维膜分离器（18）入口；
所述常规中空纤维膜分离器（13）富氮气体出口通过管道与第二止回阀（14）入口连接；
所述常规中空纤维膜分离器（13）富氧气体出口通过管道与第三止回阀（15）入口连接；
所述应急中空纤维膜分离器（18）富氮气体出口通过管道与第五止回阀（20）入口连接；
所述应急中空纤维膜分离器（18）富氧气体出口通过管道与第四止回阀（19）入口连接；
所述第三止回阀（15）出口和第四止回阀（19）出口并联后，通过管道与第二阻火器（16）入口连接，所述第二阻火器（16）出口通过管道连接至外界；
所述第二止回阀（14）出口和第五止回阀（20）出口并联后，通过管道连接至第二温度传感器（21），所述第二温度传感器（21）另一端通过管道依次连接有第二压力传感器（22）、第二换热器（23）、第二流量传感器（24）、第三阻火器（25）、所述油箱（1）气体入口。
2.如权利要求1所述的闭环式飞机燃油箱机载惰化系统，其特征是：所述冷凝器（3）泄流口通过第一止回阀（2）管道连接到所述油箱（1）流体入口。
3.如权利要求1所述的闭环式飞机燃油箱机载惰化系统，其特征是：所述油箱（1）内部安装有第三温度传感器（26）、溶解氧浓度传感器（27）、气相空间氧浓度传感器（28）、第三压力传感器（29）。
4.如权利要求3所述的闭环式飞机燃油箱机载惰化系统，其特征是：还包括自动控制器（30），所述自动控制器（30）包含一个信号输入端和一个控制信号输出端；
所述第一流量传感器（6）、第一压力传感器（10）、第一温度传感器（11）、第二温度传感器（21）、第二压力传感器（22）、第二流量传感器（24）、第三温度传感器（26）、溶解氧浓度传感器（27）、气相空间氧浓度传感器（28）、第三压力传感器（29）通过电缆并联并与所述自动控制器（30）信号输入端连接；
所述自动控制器（30）控制信号输出端通过电缆依次连接所述第二换热器（23）、气体压缩机（7）、电动压力调节阀（8）、第一换热器（9）、第一电动截止阀（12）、第二电动截止阀（17）。
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2019
- 2019-11-05 CN CN201911072355.0A patent/CN110697063B/zh not_active Expired - Fee Related
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