CN112960126A - 一种低温燃油箱惰化系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温燃油箱惰化系统及工作方法，属于飞行器燃油箱防爆技术领域；本发明利用中空纤维膜空气分离装置出口富氮气体压力，采用三轮升压结构，通过中空纤维膜空气分离装置出口的富氮气体来驱动冷却涡轮，涡轮回收的功在带动风扇对发动机引气进行冷却的同时，亦提升中空纤维膜空气分离装置入口压力，从冷却涡轮膨胀后获得的低温富氮气体进入油箱，在实现惰化的同时降低燃油温度，进一步提高燃油箱的安全性。本发明不仅提升了中空纤维膜空气分离装置入口压力，解决了部分工况下因发动机压气机引气压力不足，膜分离装置工作低效问题，而且降低了富氮气体进入燃油箱的温度，有效地控制了油箱可燃性暴露时间，提高了燃油箱的安全性。
Description
技术领域
本发明属于燃油箱防爆技术领域，尤其涉及一种低温燃油箱惰化系统及其工作方法。
背景技术
飞机燃油箱燃烧爆炸会对飞行安全构成极大威胁，同时伴随着巨大的经济损失及恶劣的社会影响。自有动力飞行以来，油箱燃爆就成为一个与飞机燃油系统设计和使用相关、反复出现的问题。为解决这一问题，FAA已先后三次修订了民用运输类飞机燃油箱点燃防护方面的适航要求，从最初要求燃油箱内燃油最高温度低于燃油最低自燃温度并留有安全裕量，到最新适航条款中要求可接受的可燃性暴露时间，对于燃油箱防爆技术要求日趋严苛。我国适航审定当局亦制定了类似的适航条款以确保飞机燃油箱的安全性。
大量地面与飞行试验研究和各种防火抑爆技术措施的实际应用结果表明：机载燃油箱惰化，是保障油箱安全性的一项技术可行且高效经济的技术方法。机载燃油箱惰化是指惰性气体由机载设备产生，并用之替代燃油箱上部气相空间内空气以保障油箱的安全。随着膜技术突破性发展，中空纤维膜惰化技术已成为当前先进飞机采用的主流技术。它将飞机发动机压气机引气进行限流、降温、除杂等预处理，再经过中空纤维膜空气分离装置进行氧氮分离，形成适合油箱惰化的富氮气体，经过分配系统将富氮气体输送至油箱进行惰化，富氧气体作为废气排出机外。
在中空纤维膜燃油箱惰化系统的实际应用中，存在如下问题：（1）由于发动机怠速工作，在部分工况下，存在发动机压气机引气压力不足，中空纤维膜分离装置效率低下甚至无法工作的情况；（2）通过膜分离后的高温富氮气体直接进入油箱，可能带来燃油箱温度上升，安全性降低的隐患，特别是当采用高温膜分离装置时，该问题更为凸显。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的安全性降低、中空纤维膜分离装置效率低下甚至无法工作等的缺陷，公开了一种低温燃油箱惰化系统，本发明充分利用了惰化系统中压力变化规律，解决了现有技术中的问题。
本发明是这样实现的：
一种低温燃油箱惰化系统，所述的系统包括发动机、第一换热器、第二换热器，所述的第一换热器、第二换热器均包含热侧通道和冷侧通道；所述的发动机后分别设置第一单向活门、以及高压引气关断活门、风扇空气调节活门来分别控制中压引气、高压引气、发动机风扇引来的空气；
所述的第一单向活门后连接预冷器，所述的预冷器包含热侧通道和冷侧通道，所述的第一单向活门与预冷器热侧通道入口连接；所述预冷器热测通道出口后依次连接于关断活门、压力调节器、流量控制活门、第一换热器热侧通道进口；所述的预冷器冷侧通道连接于风扇空气调节活门，发动机风扇提供的引气通过风扇空气调节活门和预冷器冷侧通道入口管道连接；
所述的第一换热器热侧通道出口依次连接于压气机、第二换热器的热侧通道、水分离器、过滤器、油雾分离器、中空纤维膜分离器；
所述的中空纤维膜分离器设置富氧气体出口以及富氮气体出口；所述的富氧气体出口与外界空气管道相连，所述中空纤维膜分离器的富氮气体出口依次连接于温度控制活门、冷却涡轮入口；所述冷却涡轮出口依次连接于压力传感器、温度传感器、电动调节阀、第一火焰抑制器、燃油箱、第二火焰抑制器；第二火焰抑制器连通机外。
进一步，所述的压力调节器、流量控制活门之间还设置有辅助动力装置；所述的辅助动力装置经APU供气关断活门，第二单向活门，隔离活门，流量控制活门和第一换热器热侧通道入口连接。
进一步，所述的第一换热器冷侧通道入口和出口均接外界空气；所述的第二换热器冷侧通道入口和出口均接外界空气。
进一步，所述的第一换热器和第二换热器冷侧通道和外界空气相连的管道中设置风扇，且风扇、压气机、冷却涡轮通过轴依次连接，冷却涡轮膨胀作功，驱动同轴的风扇和压气机工作。
进一步，所述的系统通过自动控制器控制，所述的自动控制器的电流输入端分别和压力传感器、温度传感器、氧浓度传感器电气相连；所述氧浓度传感器的探头伸入所述燃油箱内，用于检测燃油箱内气体的氧浓度，并将其传递给所述自动控制器；所述自动控制器的电流输出端分别和压力调节器，温度控制活门，电动调节阀电气相连。
进一步，所述的水分离器中除去的水，由喷嘴喷淋至第二换热器冷侧通道冲压空气进口。
本发明还公开了一种低温燃油箱惰化系统的工作方法，所述的工作方法包括制冷过程与制氮惰化、数据采集与控制过程；所述的制冷过程与制氮惰化具体为：
发动机中压引气经第一单向活门进入预冷器热侧通道入口，高压引气经高压引气关断活门控制；当中压压气机压力不能满足系统要求时，高压引气关断活门自动打开，高压引气也进入到预冷器；从发动机压气机引出的高温高压空气经预冷器冷却，冷却空气是从发动机风扇引来的空气；预冷器冷却空气进口管道上装有风扇空气调节活门，用来控制预冷器引气出口温度；
经过预冷器冷却的引气再经过关断活门，压力调节器，流量控制活门通入第一换热器热侧通道入口；当地面发动机不工作时，使用辅助动力装置供气，经APU供气关断活门，第二单向活门，隔离活门，流量控制活门通入第一换热器热侧通道入口管道；
经过预调压力和温度的发动机引气首先进入第一换热器，由冲压空气预冷后进入压气机增压升温；由压气机供给的气体经过第二换热器进一步冷却；第一换热器和第二换热器冷源由风扇抽吸冲压空气提供；经第二换热器再次冷却后的气体通过水分离器、过滤器，油雾分离器通入中空纤维膜制氮装置；从水分离器中除去的水，由喷嘴喷淋至第二换热器冷侧通道冲压空气进口；
中空纤维膜分离器将入口空气分离为富氧气体和富氮气体，其中，产生的富氧气体排出舱外，产生的富氮气体通过温度控制活门进入冷却涡轮膨胀降温；降温后的富氮气体经压力传感器，温度传感器，电动调节阀，第一火焰抑制器通入燃油箱对气相空间进行惰化，油箱排出废气通过第二火焰抑制器排入大气。
进一步，所述的数据采集与控制过程具体为：
氧浓度传感器检测燃油箱内气体的氧浓度，并将信号传递给所述自动控制器，当氧浓度高于预设氧浓度时，所述自动控制器增加电动调节阀开度，中空纤维膜分离器产生更多的富氮气体通入燃油箱对上部气相空间进行惰化，当氧浓度低于预设氧浓度时，所述自动控制器减小电动调节阀开度，相应的减少富氮气体流量；
温度传感器测得进入燃油箱气体的温度，并将信号传输到所述自动控制器；当温度高于/低于预设温度，所述自动控制器输出控制信号调节温度控制活门开度；
压力传感器测得进入燃油箱前的气体压力，并将信号传输到所述自动控制器；当压力高于/低于预设压力，所述自动控制器输出控制信号调节压力调节器开度，减少/增加发动机引气量。
本发明与现有技术的有益效果在于：
本发明充分利用中空纤维膜空气分离装置出口富氮气体压力，采用三轮升压结构，通过中空纤维膜空气分离装置出口的富氮气体来驱动冷却涡轮，涡轮回收的功在带动风扇对发动机引气进行冷却的同时，亦提升中空纤维膜空气分离装置入口压力，从冷却涡轮膨胀后获得的低温富氮气体进入油箱，在实现惰化的同时降低燃油温度，进一步提高燃油箱的安全性；
本发明充分利用了惰化系统中压力变化规律，采用三轮升压结构，不仅提升了中空纤维膜空气分离装置入口压力，解决了部分工况下因发动机压气机引气压力不足，膜分离装置工作低效问题，而且降低了富氮气体进入燃油箱的温度，有效地控制了油箱可燃性暴露时间，提高了燃油箱的安全性；且本发明的结构简单，能量利用率高，易于调节和控制、具有高的可靠性、便于实现。
附图说明
图1为本发明一种低温燃油箱惰化系统的示意图；
其中，1-发动机，2-风扇空气调节活门，3-第一单向活门，4-高压引气关断活门，5-预冷器，6-关断活门，7-压力调节器，8-流量控制活门，9-辅助动力装置，10-APU供气关断活门，11-第二单向活门，12-隔离活门，13-第一换热器，14-风扇，15-压气机，16-第二换热器，17-水分离器，18-过滤器，19-油雾分离器，20-中空纤维膜膜分离器，21-温度控制活门，22-冷却涡轮，23-压力传感器，24-温度传感器，25-电动调节阀，26-第一火焰抑制器，27-燃油箱，28-氧浓度传感器，29-第二火焰抑制器，30-自动控制器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，发动机1，风扇空气调节活门2，第一单向活门3，高压引气关断活门4，预冷器5，关断活门6，压力调节器7，流量控制活门8，辅助动力装置9，APU供气关断活门10，第二单向活门11，隔离活门12，第一换热器13，风扇14，压气机15，第二换热器16，水分离器17，过滤器18，油雾分离器19，中空纤维膜膜分离器20，温度控制活门21，冷却涡轮22，压力传感器23，温度传感器24，电动调节阀25，第一火焰抑制器26，燃油箱27，氧浓度传感器28，第二火焰抑制器29，自动控制器30。
所述第一换热器13、第二换热器16均包含热侧通道和冷侧通道；所述风扇14，压气机15，冷却涡轮22通过轴依次连接，冷却涡轮22膨胀作功，驱动同轴的风扇14和压气机15工作；所述风扇14设置在第一换热器13和第二换热器16冷侧通道和外界空气相连的管道中，用于驱动冲压空气冷气流；
所述发动机1中压引气经第一单向活门3与预冷器5热侧通道入口管道连接，高压引气经高压引气关断活门4与预冷器5热侧通道入口管道连接，发动机风扇提供的引气通过风扇空气调节活门2和预冷器5冷侧通道入口管道连接，为预冷器5提供冷却空气；所述预冷器5热测通道出口通过关断活门6，压力调节器7，流量控制活门8和第一换热器13热侧通道入口管道连接；
所述的辅助动力装置9经APU供气关断活门10，第二单向活门11，隔离活门12，流量控制活门8和第一换热器13热侧通道入口连接。
所述第一换热器13热侧通道出口与压气机15入口通过管道相连，第一换热器13冷侧通道入口和出口均接外界空气；
所述压气机15出口经第二换热器16的热侧通道、水分离器17、过滤器18、油雾分离器19和中空纤维膜膜分离器20的入口通过管道依次相连；所述第二换热器16冷侧通道入口和出口均接外界空气；
所述中空纤维膜膜分离器20的富氧气体出口与外界空气管道相连，所述中空纤维膜膜分离器20的富氮气体出口经温度控制活门21与冷却涡轮22入口相连；所述冷却涡轮22出口与压力传感器23，温度传感器24，电动调节阀25，第一火焰抑制器26，燃油箱27，第二火焰抑制器29管道连接，排出机外；
所述自动控制器30的电流输入端分别和压力传感器23，温度传感器24，氧浓度传感器28电气相连；所述氧浓度传感器28的探头伸入所述燃油箱27内，用于检测燃油箱27内气体的氧浓度，并将其传递给所述自动控制器30；所述自动控制器30的电流输出端分别和压力调节器7，温度控制活门21，电动调节阀25电气相连。
本发明还公开了一种低温燃油箱惰化系统的工作方法，具体步骤如下：
1）制冷过程与制氮惰化
发动机1中压引气经第一单向活门3进入预冷器5热侧通道入口，高压引气经高压引气关断活门4控制。当中压压气机压力不能满足系统要求时，高压引气关断活门4自动打开，高压引气也进入到预冷器5。从发动机压气机引出的高温高压空气经预冷器5冷却，冷却空气是从发动机风扇引来的空气。预冷器5冷却空气进口管道上装有风扇空气调节活门2，用来控制预冷器5引气出口温度。经过预冷器5冷却的引气再经过关断活门6，压力调节器7，流量控制活门8通入第一换热器13热侧通道入口。当地面发动机1不工作时，可以使用辅助动力装置9供气，经APU供气关断活门10，第二单向活门11，隔离活门12，流量控制活门8通入第一换热器13热侧通道入口管道。
经过预调压力和温度的发动机引气首先进入第一换热器13，由冲压空气预冷后进入压气机15增压升温；由压气机15供给的气体经过第二换热器16进一步冷却；第一换热器13和第二换热器16冷源由风扇14抽吸冲压空气提供；经第二换热器16再次冷却后的气体通过水分离器17、过滤器18，油雾分离器19通入中空纤维膜制氮装置。
从水分离器17中除去的水，由喷嘴喷淋至第二换热器16冷侧通道冲压空气进口，通过蒸发冷却冲压空气，用以提高热交换器的效率。
中空纤维膜分离器20将入口空气分离为富氧气体和富氮气体，其中，产生的富氧气体排出舱外，产生的富氮气体通过温度控制活门21进入冷却涡轮22膨胀降温；降温后的富氮气体经压力传感器23，温度传感器24，电动调节阀25，第一火焰抑制器26通入燃油箱27对气相空间进行惰化，油箱排出废气通过第二火焰抑制器29排入大气。
2）数据采集与控制过程
氧浓度传感器28检测燃油箱27内气体的氧浓度，并将信号传递给所述自动控制器30，当氧浓度高于预设氧浓度时，所述自动控制器30增加电动调节阀25开度，中空纤维膜分离器20产生更多的富氮气体通入燃油箱27对上部气相空间进行惰化，当氧浓度低于预设氧浓度时，所述自动控制器30减小电动调节阀25开度，相应的减少了富氮气体流量。
温度传感器24测得进入燃油箱27气体的温度，并将信号传输到所述自动控制器30；当温度高于/低于预设温度，所述自动控制器30输出控制信号调节温度控制活门21开度。
压力传感器23测得进入燃油箱27前的气体压力，并将信号传输到所述自动控制器30；当压力高于/低于预设压力，所述自动控制器30输出控制信号调节压力调节器7开度，减少/增加发动机引气量。
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 (8)
1.一种低温燃油箱惰化系统，其特征在于，所述的系统包括发动机(1)、第一换热器(13)、第二换热器(16)，所述的第一换热器(13)、第二换热器(16)均包含热侧通道和冷侧通道；所述的发动机(1)后分别设置第一单向活门(3)、以及高压引气关断活门(4)、风扇空气调节活门(2)来分别控制中压引气、高压引气、发动机风扇引来的空气；
所述的第一单向活门(3)后连接预冷器(5)，所述的预冷器(5)包含热侧通道和冷侧通道，所述的第一单向活门(3)与预冷器(5)热侧通道入口连接；所述预冷器(5)热测通道出口后依次连接于关断活门(6)、压力调节器(7)、流量控制活门(8)、第一换热器(13)热侧通道进口；所述的预冷器(5)冷侧通道连接于风扇空气调节活门(2)，发动机风扇提供的引气通过风扇空气调节活门(2)和预冷器(5)冷侧通道入口管道连接；
所述的第一换热器(13)热侧通道出口依次连接于压气机(15)、第二换热器(16)的热侧通道、水分离器(17)、过滤器(18)、油雾分离器(19)、中空纤维膜分离器(20)；
所述的中空纤维膜分离器(20)设置富氧气体出口以及富氮气体出口；所述的富氧气体出口与外界空气管道相连，所述中空纤维膜分离器(20)的富氮气体出口依次连接于温度控制活门(21)、冷却涡轮(22)入口；所述冷却涡轮(22)出口依次连接于压力传感器(23)、温度传感器(24)、电动调节阀(25)、第一火焰抑制器(26)、燃油箱(27)、第二火焰抑制器(29)；第二火焰抑制器(29)连通机外。
2.根据权利要求1所述的一种低温燃油箱惰化系统，其特征在于，所述的压力调节器(7)、流量控制活门(8)之间还设置有辅助动力装置(9)；所述的辅助动力装置(9)经APU供气关断活门(10)，第二单向活门(11)，隔离活门(12)，流量控制活门(8)和第一换热器(13)热侧通道入口连接。
3.根据权利要求1所述的一种低温燃油箱惰化系统，其特征在于，所述的第一换热器(13)冷侧通道入口和出口均接外界空气；所述的第二换热器(16)冷侧通道入口和出口均接外界空气。
4.根据权利要求1所述的一种低温燃油箱惰化系统，其特征在于，所述的第一换热器(13)和第二换热器(16)冷侧通道和外界空气相连的管道中设置风扇(14)，且风扇(14)、压气机(15)、冷却涡轮(22)通过轴依次连接，冷却涡轮(22)膨胀作功，驱动同轴的风扇(14)和压气机(15)工作。
5.根据权利要求1所述的一种低温燃油箱惰化系统，其特征在于，所述的系统通过自动控制器(30)控制，所述的自动控制器(30)的电流输入端分别和压力传感器(23)、温度传感器(24)、氧浓度传感器(28)电气相连；所述氧浓度传感器(28)的探头伸入所述燃油箱(27)内，用于检测燃油箱(27)内气体的氧浓度，并将其传递给所述自动控制器(30)；所述自动控制器(30)的电流输出端分别和压力调节器(7)，温度控制活门(21)，电动调节阀(25)电气相连。
6.根据权利要求1所述的一种低温燃油箱惰化系统，其特征在于，所述的水分离器(17)中除去的水，由喷嘴喷淋至第二换热器(16)冷侧通道冲压空气进口。
7.一种低温燃油箱惰化系统的工作方法，其特征在于，所述的工作方法包括制冷过程与制氮惰化、数据采集与控制过程；所述的制冷过程与制氮惰化具体为：
发动机(1)中压引气经第一单向活门(3)进入预冷器(5)热侧通道入口，高压引气经高压引气关断活门(4)控制；当中压压气机压力不能满足系统要求时，高压引气关断活门(4)自动打开，高压引气也进入到预冷器(5)；从发动机压气机引出的高温高压空气经预冷器(5)冷却，冷却空气是从发动机风扇引来的空气；预冷器(5)冷却空气进口管道上装有风扇空气调节活门(2)，用来控制预冷器(5)引气出口温度；
经过预冷器(5)冷却的引气再经过关断活门(6)，压力调节器(7)，流量控制活门(8)通入第一换热器(13)热侧通道入口；当地面发动机(1)不工作时，使用辅助动力装置(9)供气，经APU供气关断活门(10)，第二单向活门(11)，隔离活门(12)，流量控制活门(8)通入第一换热器(13)热侧通道入口管道；
经过预调压力和温度的发动机引气首先进入第一换热器(13)，由冲压空气预冷后进入压气机(15)增压升温；由压气机(15)供给的气体经过第二换热器(16)进一步冷却；第一换热器(13)和第二换热器(16)冷源由风扇(14)抽吸冲压空气提供；经第二换热器(16)再次冷却后的气体通过水分离器(17)、过滤器(18)，油雾分离器(19)通入中空纤维膜制氮装置；从水分离器(17)中除去的水，由喷嘴喷淋至第二换热器(16)冷侧通道冲压空气进口；
中空纤维膜分离器(20)将入口空气分离为富氧气体和富氮气体，其中，产生的富氧气体排出舱外，产生的富氮气体通过温度控制活门(21)进入冷却涡轮(22)膨胀降温；降温后的富氮气体经压力传感器(23)，温度传感器(24)，电动调节阀(25)，第一火焰抑制器(26)通入燃油箱(27)对气相空间进行惰化，油箱排出废气通过第二火焰抑制器(29)排入大气。
8.根据权利要求7所述的一种低温燃油箱惰化系统的工作方法，其特征在于，所述的数据采集与控制过程具体为：
氧浓度传感器(28)检测燃油箱(27)内气体的氧浓度，并将信号传递给所述自动控制器(30)，当氧浓度高于预设氧浓度时，所述自动控制器(30)增加电动调节阀(25)开度，中空纤维膜分离器(20)产生更多的富氮气体通入燃油箱(27)对上部气相空间进行惰化，当氧浓度低于预设氧浓度时，所述自动控制器(30)减小电动调节阀(25)开度，相应的减少富氮气体流量；温度传感器(24)测得进入燃油箱(27)气体的温度，并将信号传输到所述自动控制器(30)；当温度高于/低于预设温度，所述自动控制器(30)输出控制信号调节温度控制活门(21)开度；
压力传感器(23)测得进入燃油箱(27)前的气体压力，并将信号传输到所述自动控制器(30)；当压力高于/低于预设压力，所述自动控制器(30)输出控制信号调节压力调节器(7)开度，减少/增加发动机引气量。
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