CN114180079B - 基于燃油综合热管理的机载油箱惰化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于燃油综合热管理的机载油箱惰化方法，以燃油为热沉收集来自各个系统的热量，提高燃油温度，从而提高油箱内燃油与气相空间的传质速率，控制油箱内上部气相空间燃油蒸汽浓度高于燃油蒸汽上可燃极限浓度，实现油箱惰化效果。本发明通过电子设备冷却换热器、空气蒸发循环子系统换热器、滑油系统换热器、液压系统换热器以及冲压空气换热器有机地将多个系统与惰化系统结合起来，利用燃油吸收整合飞机上的热量，提高了燃油的温度的同时增加了油箱内燃油蒸汽浓度，实现高效稳定的惰化效果。
Description
技术领域
本发明涉及航空系统技术领域，具体是一种基于燃油综合热管理的机载油箱惰化方法。
背景技术
随着先进的高速飞行器不断发展，任务系统全面升级，对电子设备的可靠性要求越来越高，其面临着气动加热和大功率电子设备散热等的多重热负荷，因此要求环境控制系统具有更大的制冷能力，因此以燃油为热沉的飞机综合热管理系统将飞机各个独立的系统能量有效整合，发挥燃油的最大使用效益。
目前国内外广泛采用中空纤维膜制取富氮气体的机载制氮惰化技术，将从发动机引入的空气进行限流、降温、除杂一系列预处理，再流经中空纤维膜空气分离装置将氮气分离提取出来，最后通过分配系统将富氮气体输送到指定油箱气相空间。但该技术需从发动机大量引气，导致飞机代偿负荷过大；膜分离组件成本较昂贵、寿命低；氮气通入油箱会有部分泄漏问题导致环境污染等。
燃烧爆炸需要三个要素：点火源，燃料和氧气（或空气）。在机载油箱上部的气相空间，聚集着大量易燃易爆的燃油蒸汽混合物，其燃油蒸汽和空气混合气体的浓度达到可燃极限时，燃油蒸汽极易被点燃，引发严重的飞机燃爆事故。燃油可燃性就是指燃油蒸汽的氧化混合物在点火情况下，所产生自持性燃烧波或爆炸行为，燃油蒸气与空气的混合物可发生燃烧爆炸的浓度范围称为可燃极限。因此使油箱始终保持位于“可燃上限”之外的燃油蒸汽浓度值，可以实现油箱防爆目的。
因此，本发明设计了一种基于燃油综合热管理的油箱惰化方法，以燃油为热沉收集来自各个系统的热量，提高燃油温度，控制油箱内上部气相空间燃油蒸汽浓度在可燃极限之上，实现安全、绿色、高效、经济的油箱惰化。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种基于燃油综合热管理的机载油箱惰化方法，通过电子设备冷却换热器、空气蒸发循环子系统换热器、滑油系统换热器、液压系统换热器以及冲压空气换热器有机地将多个系统与惰化系统结合起来，利用燃油吸收整合飞机上的热量，提高了燃油的温度的同时增加了油箱内燃油蒸汽浓度，实现高效稳定的惰化效果。
本发明提供了一种基于燃油综合热管理的机载油箱惰化方法，以燃油为热沉收集来自各个系统的热量，提高燃油温度，从而提高油箱内燃油与气相空间的传质速率，控制油箱内上部气相空间燃油蒸汽浓度高于燃油蒸汽上可燃极限浓度，实现油箱惰化效果。
进一步改进，所述的油箱设置有内置加热装置，保证其上部气相空间燃油蒸汽浓度高于燃油蒸汽上可燃极限浓度。
进一步改进，利用燃油收集来自各个系统的热量采用的装置包括内置有加热器的燃油箱，燃油箱的出口通过管道依次连接第一电磁阀、第一流量计、燃油泵、第一温度传感器、电子设备换热器、第二流量计、第二温度传感器、第一压力传感器、热交换装置、第四温度传感器、滑油系统换热器、第五温度传感器、液压系统换热器、第三流量计、第六温度传感器、第二电磁阀、燃油箱的入口形成闭环，燃油箱上部气相空间分别与第三温度传感器、浓度传感器、第二压力传感器相连。
进一步改进，以上述装置为基础，本发明的一种具体方法如下：燃油箱内的燃油，通过燃油泵提供动力被抽出，控制燃油循环，通过第一电磁阀控制出口端流量，通过第一流量计测量该流量；燃油流经电子设备换热器，带走机载电子设备的热量，对机载设备进行冷却的同时提高燃油温度；之后通过热交换装置，将燃油用作载冷剂，提供制冷系统需要的冷量，燃油温度进一步提高；之后依次通过滑油系统换热器和液压系统换热器，滑油在滑油泵的驱动下吸收齿轮箱和发电机的热量后，通过滑油系统换热器把热量传递给燃油，液压油通过液压系统换热器与燃油进行热交换，进一步提高燃油温度；最后燃油通过第三流量计以及第二电磁阀进入燃油箱；燃油箱内的加热器再对燃油加热，保证油箱内燃油蒸汽浓度高于上可燃极限浓度，同时通过第三温度传感器、第二压力传感器测量油箱上部气相空间的压力和温度。
进一步改进，所述的第一电磁阀、第一流量计、燃油泵、第一温度传感器、第二流量计、第二温度传感器、第一压力传感器、第四温度传感器、第五温度传感器（15）、第三流量计、第六温度传感器、第二电磁阀、第三温度传感器、浓度传感器、第二压力传感器均连接到计算机。通过计算机对所有的温度传感器、压力传感器、浓度传感器以及流量计进行显示，并且通过计算机控制加热器的预设温度以及第一电磁阀和第二电磁阀的开度。
进一步改进，所述的热交换装置为空调制冷系统热交换器。
进一步改进，所述的热交换装置为空气循环制冷空调系统，包括通过空气管道依次连接的进气风扇、初级热交换器、压气机、第二级热交换器、水分离器、冷却涡轮和座舱，其中，第二级热交换器分别与初级热交换器和第一压力传感器连接，初级热交换器与第四温度传感器连接。
进气风扇送来的空气流经初级热交换器与燃油进行预冷换热，进一步提高了系统的效率，再进入压气机被压缩，通过再经过第二级热交换器，然后流入冷却涡轮膨胀做功。在冷却涡轮中空气膨胀到所需的座舱空气压力，将气体送入座舱，同时将热能转换为轴功率带动压气机。所述压气机进气口与初级热交换器相连，出口与第二级热交换器相连，其之间通过空气管道相连。第二级热交换器出口通过空气管道与水分离器入口相连，水分离器出口与涡轮入口相连。
进一步改进，所述的热交换装置为蒸发循环制冷空调系统，包括通过管道依次连接成闭环结构的蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀，其中，冷凝器连接在第一压力传感器和第四温度传感器之间。
蒸发循环制冷系统中的制冷剂通过压缩机，升温升压，再进入冷凝器，在冷凝器中与冷的燃油进行热交换，再通过膨胀阀膨胀做功，降到所需压力，之后进入蒸发器与被冷却座舱换热。压缩机的入口与蒸发器出口通过制冷剂管路相连，冷凝器的入口与压缩机的出口通过制冷剂管路相连，冷凝器的出口与膨胀阀入口相连，冷凝器（32）入口与膨胀阀出口相连，形成一个循环。
本发明有益效果在于：
1.将燃油综合热管理技术与油箱惰化技术结合，将各个系统的散热传给燃油，使燃油温度上升，加热燃油直至使油箱内燃油蒸汽浓度高于可燃极限，绿色高效、运行成本降低，系统总重量降低，改装及检修方便；
2.可以燃油箱气相空间温度和燃油蒸汽体积浓度作为标准，轻松连续监测系统性能和燃油箱可燃性状态；
3.可降低燃油进入发动机前的预热热量消耗，可更加高效整体利用飞机上的热量。
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为一种基于燃油综合热管理的机载油箱惰化系统示意图。
图2为安装空气循环制冷空调系统飞机上一种基于燃油综合热管理的机载油箱惰化系统示意图。
图3为安装蒸发循环制冷空调系统飞机上一种基于燃油综合热管理的机载油箱惰化系统示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明设计了一种基于燃油综合热管理的油箱惰化方法，以燃油为热沉收集来自各个系统的热量，提高燃油温度，控制油箱内上部气相空间燃油蒸汽浓度高于燃油蒸汽上可燃极限浓度。一种基于燃油综合热管理的飞机燃油箱惰化系统，主要由燃油箱1、第一电磁阀2、第一流量计3、燃油泵4、第一温度传感器5、电子设备换热器6、第二流量计7、第二温度传感器8、第一压力传感器9、空调制冷系统热交换器23，第四温度传感器10、滑油系统换热器14、第五温度传感器15、液压系统换热器16、第三流量计17、第六温度传感器20、第二电磁阀21、加热器19、计算机24以及若干管道组成。
油箱内的燃油，通过燃油泵4提供动力被抽出，控制燃油循环，通过第一电磁阀2控制出口端流量，第一流量计3可测量该流量。燃油流经电子设备换热器6，带走机载电子设备的热量，对机载设备进行冷却的同时提高了燃油温度。之后通过空调制冷系统热交换器23，将燃油用作载冷剂，提供制冷系统需要的冷量，燃油温度进一步提高。之后依次通过滑油系统换热器14和液压系统换热器16，滑油在滑油泵的驱动下吸收齿轮箱和发电机的热量后，通过滑油系统换热器14把热量传递给燃油。液压油通过液压系统换热器16与燃油进行热交换，进一步提高燃油温度。最后燃油通过第三流量计17以及第二电磁阀21进入油箱。
油箱内设置一加热器19，所述加热器可为发动机引气管道连接的加热系统，使油箱内燃油温度升高，油箱内燃油蒸汽浓度高于上可燃极限浓度。油箱内的燃油蒸汽浓度可以通过燃油浓度传感器13进行测量。燃油浓度传感器可以采用具有TDLAS激光技术的浓度传感器。通过第三温度传感器12、第二压力传感器11测量油箱上部气相空间的压力和温度。
通过计算机24来对所有的温度传感器、压力传感器、浓度传感器以及流量计进行显示，并且通过计算机24可控制加热器19的预设温度以及第一电磁阀2和第二电磁阀21的开度。
实施例2
如图2所示，一种安装空气循环制冷空调系统飞机上一种基于燃油综合热管理的机载油箱惰化系统。其在图1的基础上将空调制冷系统热交换器23替换成了空气循环制冷空调系统。
其中空气循环制冷系统的热交换器主要为空气循环制冷系统初级热交换器26和第二级热交换器25两大部件。
所述空气循环制冷系统包括进气风扇30、初级热交换器26、压气机29、第二级热交换器25、水分离器31和涡轮27。进气风扇30送来的空气流经初级热交换器26与燃油进行预冷换热，进一步提高了系统的效率，再进入压气机29被压缩，通过再经过第二级热交换器25，然后流入冷却涡轮27膨胀做功。在冷却涡轮中空气膨胀到所需的座舱空气压力，将气体送入座舱28，同时将热能转换为轴功率带动压气机29。所述压气机29进气口与初级热交换器26相连，出口与第二级热交换器25相连，其之间通过空气管道相连。第二级热交换器25出口通过空气管道与水分离器31入口相连，水分离器31出口与涡轮27入口相连。
由于使用燃油时，供给座舱的空气可能被污染，因此需要对初级热交换器26、第二级热交换器25采取措施，除保证焊接的密封性外,在燃油通道和座舱供气通道之间采用夹层结构,在夹层中通以中间冷却剂回路或充以与大气相通的空气。
该系统结构简单，设备质量小，调节和控制方便，引入外界冲压空气，廉价易得。
实施例3
如图3所示，安装蒸发循环制冷空调系统飞机上一种基于燃油综合热管理的机载油箱惰化系统。其在图1的基础上将空调制冷系统热交换器23替换成了蒸发循环制冷空调系统。
其中蒸发循环制冷系统的热交换器主要为蒸发器32和冷凝器34，其中需要与燃油进行热交换热位置在冷凝器34。
在蒸发循环制冷中是利用制冷剂的集态变化来转移热量的。它在蒸发器32中吸收被冷却介质的热量而汽化，在冷凝器34中经过燃油冷却放出的热量而冷凝。目前被应用的制冷剂包括水、氨及某些碳氢化合物及氟利昂，在飞机上通常使用氟利昂。
蒸发循环制冷系统中的制冷剂通过压缩机33，升温升压，再进入冷凝器34，在冷凝器34中与冷的燃油进行热交换，再通过膨胀阀35膨胀做功，降到所需压力，之后进入蒸发器32与被冷却座舱换热。压缩机33的入口与蒸发器32出口通过制冷剂管路相连，冷凝器34的入口与压缩机33的出口通过制冷剂管路相连，冷凝器34的出口与膨胀阀35入口相连，冷凝器32入口与膨胀阀35出口相连，形成一个循环。
蒸发循环制冷系统性能系数高，经济性好，与外界大气关系较小，基本上不受飞机飞行高度和马赫数的影响。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，以上所述仅是本发明的优选实施方式，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。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，对于本技术领域的普通技术人员来说，可轻易想到的变化或替换，在不脱离本发明原理的前提下，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 (3)
1.一种基于燃油综合热管理的机载油箱惰化方法，其特征在于：以燃油为热沉收集来自各个系统的热量，提高燃油温度，从而提高油箱内燃油与气相空间的传质速率，控制油箱内上部气相空间燃油蒸汽浓度高于燃油蒸汽上可燃极限浓度，实现油箱惰化效果，具体为：
利用燃油收集来自各个系统的热量采用的装置包括内置有加热器（19）的燃油箱（1），燃油箱（1）的出口通过管道依次连接第一电磁阀（2）、第一流量计（3）、燃油泵（4）、第一温度传感器（5）、电子设备换热器（6）、第二流量计（7）、第二温度传感器（8）、第一压力传感器（9）、热交换装置、第四温度传感器（10）、滑油系统换热器（14）、第五温度传感器（15）、液压系统换热器（16）、第三流量计（17）、第六温度传感器（20）、第二电磁阀（21）、燃油箱（1）的入口形成闭环，燃油箱（1）上部气相空间分别与第三温度传感器（12）、浓度传感器（13）、第二压力传感器（11）相连；
燃油箱（1）内的燃油，通过燃油泵（4）提供动力被抽出，控制燃油循环，通过第一电磁阀（2）控制出口端流量，通过第一流量计（3）测量该流量；燃油流经电子设备换热器（6），带走机载电子设备的热量，对机载设备进行冷却的同时提高燃油温度；之后通过热交换装置，将燃油用作载冷剂，提供制冷系统需要的冷量，燃油温度进一步提高；之后依次通过滑油系统换热器（14）和液压系统换热器（16），滑油在滑油泵的驱动下吸收齿轮箱和发电机的热量后，通过滑油系统换热器（14）把热量传递给燃油，液压油通过液压系统换热器（16）与燃油进行热交换，进一步提高燃油温度；最后燃油通过第三流量计（17）以及第二电磁阀（21）进入燃油箱（1）；燃油箱（1）内的加热器（19）再对燃油加热，保证油箱内燃油蒸汽浓度高于上可燃极限浓度，同时通过第三温度传感器（12）、第二压力传感器（11）测量油箱上部气相空间的压力和温度。
2.根据权利要求1所述的基于燃油综合热管理的机载油箱惰化方法，其特征在于：所述的油箱设置有内置加热装置，保证其上部气相空间燃油蒸汽浓度高于燃油蒸汽上可燃极限浓度。
3.根据权利要求1所述的基于燃油综合热管理的机载油箱惰化方法，其特征在于：通过计算机（24）对所有的温度传感器、压力传感器、浓度传感器以及流量计进行显示，并且通过计算机（24）控制加热器（19）的预设温度以及第一电磁阀（2）和第二电磁阀（21）的开度。
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