CN116729632A - 用于飞机燃油箱的惰化系统 - Google Patents
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Abstract
用于飞机燃油箱的惰化系统，包括：引射装置，引射装置包括：引射流入口，其构造成引入作为引射流的由飞机的发动机或APU所排放的尾气；被引射流入口，其与燃油箱的气相空间流体连通，以将气相空间中的气体作为被引射流引入；混合腔，其构造成使得从引射流入口进入的被引射流与从引射流入口进入的引射流掺混，接收来自引射流的能量；以及混合流出口，被引射流与引射流一并从混合流出口排出；惰化反应装置，其接收从混合流出口排出的混合流，对混合流进行惰化处理，以得到经惰化物质流；以及后处理装置，其构造成将经惰化物质流通回燃油箱的气相空间。该惰化系统能充分利用飞机已有条件来提高燃油箱的惰化效果。
Description
技术领域
本发明涉及运输类飞机设计领域，具体是针对飞机燃油箱中气体的惰化技术领域，更具体涉及一种用于飞机燃油箱的惰化系统。
背景技术
先进的民用飞机都采用降燃措施以降低燃油箱内气相空间的含氧量，来防止燃烧或爆炸。
其中，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应用最广泛也是最为成熟的飞机油箱燃爆抑制技术，但该技术存在需要高压引气导致部分机型无法使用，分离膜的使用寿命有限和高昂的价格带来维修维护成本增加等缺点。
此外，现有技术中还采用了一些其他手段来进行惰化操作。
CN110077604A等多份专利文献中公开了一种飞机的油箱催化惰化设备。其中设计了一种抽取液态燃油加热蒸发后催化氧化后惰化燃油箱的系统和设备，核心是抽取液态燃油作为催化氧化化学反应的主要介质，同时利用回热循环设计了多种反应器和换热器的集成设计方案。
CN104843189A公开了一种催化燃烧惰化油箱的装置及其方法。其中涉及的装置将油箱上部燃油蒸气和气体组成的混合物抽出后与外界空气混合后，通过电加热和预热器升温后进入催化反应器进行无焰燃烧，燃油蒸气中的碳氢化合物被氧化成二氧化碳和水，从催化反应器出口流出的气体首先经过降温冷却，去除大部分水，然后再由间歇工作的两个吸附器脱除气态水蒸气后返回油箱上部进行冲洗惰化，或进入洗涤喷射器与燃油混合后进入油箱底部对燃油进行洗涤惰化。
CN106741984A公开了一种催化重整惰化飞行器燃油箱的系统及其工作方法。该系统将燃油箱上部气相空间燃油蒸气和空气混合物抽吸干燥后通过压缩机压缩并冷凝后析出液态燃油，剩余混合气体通过回热和电加热后进入催化重整反应器在催化剂作用下反应生成二氧化碳和氢气。反应生成物经分离后，二氧化碳和未参与反应的氮气经回热器和节流阀降温减压后进入燃油箱气相空间进行惰化，氢气则进入氢燃料电池发电为系统提供电能。通过膨胀机对反应后的惰气进行降压。
CN107856869A涉及一种带补气的催化燃烧惰化飞行器燃油箱系统，公开了其控制方法。具体原理为：油箱上部气相空间燃油蒸气和空气混合物在催化氧化反应器中进行无焰催化燃烧，产生二氧化碳，没参与反应的氮气和反应产生的二氧化碳作为混合惰气对油箱进行惰化。该系统还设计利用发动机引气来促进反应的进行，并提供大、小流量两种反应模式。
CN108473212A公开了一种通过原动机抽取燃油箱气象空间混合气进行催化惰化的系统，并且重点设计了不同数量的油箱构型的抽吸和分配方案。
CN110092004A设计了一种联合耗氧式(催化惰化)及分子筛式燃油箱惰化装置，是两种惰化方式的简单叠加，其中耗氧式(催化惰化)惰化装置是直接抽取油箱上部燃油蒸气进行催化反应。
CN110053780A涉及一种流向变换式耗氧型惰化系统。具体原理为：将燃油箱上部的易燃易爆的燃油蒸气混合物通过风机加热后引入催化反应器的进口，燃油蒸气混合物在反应器中发生化学反应，燃油蒸气被分解成水和二氧化碳，氧气被消耗；反应后的富氮气体通过冷却除水后返回油箱，对油箱进行惰化。反应器内部两端设由保温材料可以储存化学反应热，进出口处设由温度传感器，当反应器出口温度过高时，由反应器两端的三通阀在自动控制器的控制下实现流向变换操作，避免反应器飞温。其中，直接抽取油箱上部燃油蒸气进行催化反应，引入外部空气进行补气。
CN112937883A涉及一种燃油箱惰化系统及其控制方法，实现不同模式下采用不同的惰化方式：地面滑行模式通过催化燃烧惰化；爬升和巡航模式通过磁致氧氮分离惰化；降落状态，通过从大气引气，膜分离惰化；故障应急模式同时进行催化燃烧惰化、磁致氧氮分离惰化、膜分离惰化。其重点是不同催化方式的耦合控制实现，其中的催化燃烧惰化直接抽取油箱上部燃油蒸气进行催化反应。
CN114313279A涉及一种具有旁通支路控制的催化惰化系统及控制方法，其原理为：将燃油箱上部气相空间的燃油蒸气和空气混合物在催化反应器内进行低温催化反应，消耗氧气和燃油蒸气生成二氧化碳和水蒸气，将反应后的混合惰气充入燃油箱进行惰化，达到燃油箱防火抑爆的目的。在系统初始预热阶段，或催化反应器温度过高时，通过控制旁通支路上切断阀的开关，可使催化反应器后的混合气体通过旁通支路形成内循环而不经过燃油箱，从而大大提高系统的安全性。其本质上还是直接抽取油箱上部燃油蒸气进行催化反应。
CN114852353A涉及一种耦合耗氧式和冷却式的油箱惰化方法，通过抽气风机将将油箱上部气相空间的燃油蒸气和空气抽吸出来送入催化氧化反应器，反应后的产物进入分流器，一部分进入回热器热侧通道，另一部分流入飞机空调系统进行冷却。在冷却系统中，使用油分离器将液态燃油分离出来，将燃油通过管道通入油箱中的燃油，混合气体通过管道通入油箱中的气相空间，与燃油箱上部原有的混合气体均匀混合。采用涡轮膨胀做工，进一步降低混合物的温度和压力。其本质上还是直接抽取油箱上部燃油蒸气进行催化反应。
CN109774953A等专利文献涉及一种飞机燃油箱耗氧型惰化系统，具体原理为：飞机燃油箱上部的燃油蒸气及空气混合气体被风机抽出，经过预热通入催化燃烧反应器中，其中的燃油蒸气被催化氧化成二氧化碳和水，冷凝水蒸气后的富氮气体流回油箱进行燃油箱惰化。这些技术方案仅利用发动机尾气来对气体进行预热。
由此可知，现有技术中除了具体惰化的方式存在各项差异以外，一般还需要额外提供用于抽吸燃油蒸气的动力源，，从而不利于满足飞机减重轻量化的整体设计要求。而燃油的燃烧为飞机提供了一级能源供给，再转化为其他形式的能源(电能、液压能等)，再转化为推动燃油蒸汽的流动，造成了大量的能量形式转化损失。
发明内容
基于现有技术中的上述技术问题，本发明旨在提供一种用于飞机燃油箱的惰化系统，其能够尽量利用飞机的一级能源，充分利用已有部件，设计系统的流体运动来提高针对燃油箱的气体惰化效果，力求达到系统能量代偿更低的效果。
为此，本发明提供了一种用于飞机燃油箱的惰化系统，包括：
引射装置，所述引射装置包括：
引射流入口，所述引射流入口构造成引入作为引射流的由飞机的发动机或APU所排放的尾气；
被引射流入口，所述被引射流入口与所述燃油箱的气相空间流体连通，以将所述气相空间中的气体作为被引射流引入；以及
被引射流入口，所述被引射流入口与所述燃油箱的气相空间流体连通，以将所述气相空间中的气体作为被引射流引入；以及
混合腔，所述混合腔构造成使得从所述被引射流入口进入的被引射流与从所述引射流入口进入的引射流掺混，接收来自所述引射流的能量；
混合流出口，所述被引射流与所述引射流一并从所述混合流出口排出；
惰化反应装置，所述惰化反应装置接收从所述混合流出口排出的混合流，对所述混合流进行惰化处理，以得到经惰化物质流；以及
后处理装置，所述后处理装置构造成将所述经惰化物质流通回所述燃油箱的气相空间。
根据本发明的用于飞机燃油箱的惰化系统的优选实施方式，所述惰化反应装置包括催化反应器，所述催化反应器对所述混合流进行催化氧化反应，以消耗氧气和燃油蒸气，并生成二氧化碳，从而得到作为所述经惰化物质流的缺氧空气。
根据本发明的用于飞机燃油箱的惰化系统的优选实施方式，所述后处理装置包括膨胀涡轮，所述膨胀涡轮构造成被所述经惰化物质流驱动旋转；并且所述惰化系统还包括与所述膨胀涡轮耦联的风扇，所述风扇能被所述膨胀涡轮带动以将冲压空气抽向所述惰化反应装置周围，并在所述惰化反应装置四周形成流动的空气层，以带走反应生成热量，保护所述惰化反应装置和周边结构不会超温损坏。
根据本发明的用于飞机燃油箱的惰化系统的优选实施方式，所述后处理装置还包括水分离装置，所述水分离装置构造成分离所述经惰化物质流中的水分。
根据本发明的用于飞机燃油箱的惰化系统的优选实施方式，所述惰化系统进一步构造成将由所述水分离装置分离出的水分排放到所述惰化反应装置，以蒸发吸热的方式，进一步降低所述惰化反应装置的温度。
根据本发明的用于飞机燃油箱的惰化系统的优选实施方式，所述后处理装置还包括热交换装置，所述热交换装置构造成进一步降低所述经惰化物质流的温度。
根据本发明的用于飞机燃油箱的惰化系统的优选实施方式，所述热交换装置包括第一热交换器，所述第一热交换器构造成使所述经惰化物质流与冲压空气进行热交换；
并且/或者
所述热交换装置包括第二热交换器(或称回热器)，所述第二热交换器(或称回热器)构造成使所述经惰化物质流与进入所述引射装置前的所述被引射流进行热交换。
根据本发明的用于飞机燃油箱的惰化系统的优选实施方式，所述被引射流的通路上设置有单向阀，以避免所述引射流中的高温气体直接回流至所述燃油箱。
根据本发明的用于飞机燃油箱的惰化系统的优选实施方式，与所述燃油箱连通的至少一个流体通路中设置有火焰抑制器。
根据本发明的用于飞机燃油箱的惰化系统的优选实施方式，所述惰化系统还包括节流孔，使得所述引射流经由所述节流孔后膨胀降压进入所述引射流入口。
综上所述，本发明针对当前技术中存在的缺点，提供了一种利用飞机发动机/APU燃烧尾气的催化燃烧惰化系统。其直接采用飞机发动机/APU的燃烧尾气引射燃油箱内气体混合物进行无焰催化燃烧，并利用燃油蒸气来消耗尾气中的氧气并产生氮气和二氧化碳的混合惰气而对燃油箱进行惰化，以达到抑制燃油箱燃爆的目的。
尾气中原有的含氧量一般在9％－18％左右，采用利用燃烧尾气引射燃油箱内的燃油蒸气混合空气进行低温催化氧化反应产生惰性气体可以节省能量并提高惰性气体的产生效率，同时消耗氧气和燃油蒸气，生成CO、CO2、H2O，并将由CO2、N2为主的惰性气体气体充入燃油箱内，以降低燃油箱氧浓度和降低燃油蒸气浓度，对其进行燃烧保护，防止燃油箱被点燃。
附图说明
本文件包括附图，以提供对各种实施例的进一步理解。附图纳入于本说明书中并且构成本说明书的部分。
附图示出了本文所描述的各种实施例，并且与文字描述一起用来解释要求保护的主题的原理和操作。
参考以上目的，本发明的技术特征在下文中清楚地描述，并且其优点从以下参考附图的详细描述中显而易见，附图以示例方式示出了本发明的优选实施例，而不限制本发明的范围。
附图中：
图1是根据本发明的用于飞机燃油箱的惰化系统的优选实施例的结构示意框图。
附图标记列表
100 燃油箱
110 气相空间
200 引射装置
210 引射流入口
220 被引射流入口
230 混合流出口
300 引射流
400 飞机的发动机
500飞机的APU
600 被引射流
700 惰化反应装置
800 膨胀涡轮
900 风扇
910 冲压空气
1000 水分离装置
1110 第一热交换器
1120 第二热交换器
1200 单向阀
1300 火焰抑制器
1400 节流孔
具体实施方式
现在将详细地描述本发明的实施方式，这些实施方式的示例被显示在附图中并在下文中被描述。
尽管本发明将与示例性实施例相结合进行描述，但是应当意识到，本说明书并非旨在将本发明限制为所例示的那些实施例。
相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施例，而且还覆盖可以被包括在本发明的精神和范围之内的各种选择形式、修改形式、等效形式及其他实施例。
为了便于解释和精确定义本发明的技术方案，术语“上”、“下”、“内”和“外”用于参考在附图中所示的示例性实施例的特征的位置来对这些特征进行描述。
以下参考附图来具体描述本发明的封套的各种优选但非限制性的实施方式。
图1中示出了根据本发明的优选实施方式的用于飞机燃油箱100的惰化系统。该惰化系统包括：引射装置200、惰化反应装置700和后处理装置。
参见图1，其中，引射装置200包括：引射流入口210、被引射流入口220、混合腔和混合流出口230。
引射流入口210构造成引入作为引射流300的由飞机的发动机400或APU(辅助动力单元)500所排放的尾气。本领域技术人员能够理解的是，此处的尾气一般具有相对较高的流速。优选地，惰化系统还可包括节流孔1400，使得引射流300经由节流孔1400后膨胀降压并进入引射流入口210。节流孔1400一般可用于调节引射流300的压力、温度和流量，以更好地满足适于后续混合流参加惰化反应的组分反应入口条件要求。
被引射流入口220与燃油箱100的气相空间110流体连通，以将气相空间110中的气体作为被引射流600引入。
引射装置200构造成使得从被引射流入口220进入的被引射流600与从引射流入口210进入的引射流300在混合腔中掺混，接收来自引射流300的能量，并与引射流300一并从混合流出口230排出。引射装置200本身可以采用本领域中熟知的各种引射装置构造，在此不再赘述。
惰化反应装置700接收从混合流出口230排出的混合流，对混合流进行惰化处理，以得到经惰化物质流。
在优选的实施例中，惰化反应装置700可包括催化反应器。这种催化反应器对混合流进行催化氧化反应，例如优选地在150－200℃的温度下催化燃烧，以消耗混合流中可能存在的氧气和燃油蒸气，并生成二氧化碳，从而得到作为经惰化物质流的缺氧空气。
后处理装置构造成将经惰化物质流通回燃油箱100的气相空间110。
优选地，后处理装置可包括膨胀涡轮800，膨胀涡轮800构造成被经惰化物质流驱动旋转。
在此基础上，惰化系统还可包括与膨胀涡轮800耦联的风扇900。风扇900能被膨胀涡轮800带动以将冲压空气910抽向惰化反应装置700周围，并在惰化反应装置700四周形成流动的空气层，用以带走反应生成热量，保护反应装置和周边结构不会超温损坏。本领域技术人员可以理解的是，还可选用其他常见装置来利用经惰化物质流的动能和/或热能，并用于驱动风扇900或其他负载，在此不再赘述。优选地，风扇900可以布置成与膨胀涡轮800共轴。
后处理装置还可优选地包括水分离装置1000。水分离装置1000可构造成分离经惰化物质流中的水分。在此基础上，惰化系统可进一步构造成将由水分离装置1000分离出的水分排放到、优选地例如喷淋到惰化反应装置700，从而以蒸发吸热的方式，进一步降低其温度。例如，可以将由水分离装置1000分离出的水分喷向惰化反应装置700的壳体外表面，以达到蒸发吸热的效果。
后处理装置还可优选地包括热交换装置，热交换装置构造成进一步降低经惰化物质流的温度。更具体地，热交换装置包括可第一热交换器1110和/或第二热交换器1120。
如图1中所示，第一热交换器1110可构造成使经惰化物质流与冲压空气910进行热交换，第二热交换器(一般还可称为回热器)1120可构造成使经惰化物质流与进入引射装置200前的被引射流600进行热交换。
更为优选的，被引射流600的通路上可设置有单向阀1200，以避免引射流300中的物质、例如高温气体直接回流至燃油箱100。
此外，还可在与燃油箱100连通的至少一个流体通路中设置有火焰抑制器1300。
综上所述，根据本发明的惰化系统的优选实施例使用发动机400/APU 500尾气来驱动整个系统工作，高压尾气引射燃油箱100内的燃油蒸气和空气的混合物进入催化氧化反应器，在150－300℃的温度下催化燃烧，消耗氧气和燃油蒸气，使之形成缺氧空气(ODA)。缺氧空气进入膨胀涡轮800，降压、降温做功带动风扇900抽吸冲压空气。缺氧空气随后进入水分离器1000，去除燃烧生成的水分，接着进入热交换装置。
此外，本发明还可利用冲压空气。使用风扇900抽吸的冲压空气对缺氧空气进行进一步冷却，随后缺氧空气进入回热器1120和被尾气引射的燃油箱低温气体进行热交换，以进一步降温。
冲压空气经过第一热交换器1110后，将被送入到催化氧化反应器和结构的空气分离层四周，降低催化氧化反应器的热量，防止其过热，并使催化氧化反应器和四周结构形成空气层，以对结构进行热保护。水分离器排出的水分喷淋到催化氧化反应器上，以降低催化氧化反应器的温度。
本发明的惰化系统至少具备以下优势：
通过使用发动机或APU尾气，采用利用燃烧尾气引射燃油箱内的燃油蒸气混合空气进行催化燃烧，可以迅速预热混合气体的温度，缩短催化反应的准备时间；由于该部分气体的氧浓度较低，在催化反应后通入到燃油箱内，更加有利于降低燃油箱氧浓度，提高惰性气体产生的效率并节约能源消耗；同时由于发动机尾气压力和流量的稳定性，能够满足下降阶段需要生成大量缺氧气体进入燃油箱内的需求，同时保证系统的稳定性。
在普通催化燃烧惰化系统的基础上，使用经过燃烧的尾气作为补气，可以迅速预热混合气体的温度，加快反应时间，同时进一步降低了混合气体的氧浓度和燃油蒸气浓度，降低了催化燃烧反应的热量生成。克服了催化效率低、燃油箱内蒸气浓度变化大等不利于系统稳定工作的特点。
使用膨胀涡轮来降低缺氧空气的压力和温度，同时利用涡轮的轴功驱动风扇，抽吸冲压空气，以分别对热交换装置和催化氧化反应器进行降温。水分离器分离出的液态水，喷淋到催化氧化反应器上，以进一步降低其温度。在普通催化燃烧惰化系统的基础上，使用了高效紧凑的热力学设计方法，提高了系统的热利用率降低了系统的重量。
整个催化燃烧惰化系统通过高压尾气的气体内能作为唯一的外部动力源，节约了系统的重量、提高了能源使用效率，降低了燃油消耗。
以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，若需要，能修改实施例的方面来采用各种专利、申请和出版物的方面、特征和构思来提供另外的实施例。
考虑到上文的详细描述，能对本文中所述的实施例做出这些和其他变化。
一般而言，在权利要求中，所用的术语不应被认为限制在说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应被理解为包括所有可能的实施例连同这些权利要求所享有的全部等同范围。
Claims (10)
1.用于飞机燃油箱(100)的惰化系统，
其特征在于，
包括：
引射装置(200)，所述引射装置(200)包括：
引射流入口(210)，所述引射流入口(210)构造成引入作为引射流(300)的由飞机的发动机(400)或APU(500)所排放的尾气；
被引射流入口(220)，所述被引射流入口(220)与所述燃油箱(100)的气相空间(110)流体连通，以将所述气相空间(110)中的气体作为被引射流(600)引入；以及
混合腔，所述混合腔构造成使得从所述被引射流入口(220)进入的被引射流(600)与从所述引射流入口(210)进入的引射流(300)掺混，接收来自所述引射流(300)的能量；
混合流出口(230)，所述被引射流(600)与所述引射流(300)一并从所述混合流出口(230)排出；
惰化反应装置(700)，所述惰化反应装置(700)接收从所述混合流出口(230)排出的混合流，对所述混合流进行惰化处理，以得到经惰化物质流；以及
后处理装置，所述后处理装置构造成将所述经惰化物质流通回所述燃油箱(100)的气相空间(110)。
2.根据权利要求1所述的用于飞机燃油箱(100)的惰化系统，
其特征在于，
所述惰化反应装置(700)包括催化反应器，所述催化反应器对所述混合流进行催化氧化反应，以消耗氧气和燃油蒸气，并生成二氧化碳，从而得到作为所述经惰化物质流的缺氧空气。
3.根据权利要求1所述的用于飞机燃油箱(100)的惰化系统，
其特征在于，
所述后处理装置包括膨胀涡轮(800)，所述膨胀涡轮(800)构造成被所述经惰化物质流驱动旋转；并且
所述惰化系统还包括与所述膨胀涡轮(800)耦联的风扇(900)，所述风扇(900)能被所述膨胀涡轮(800)带动以将冲压空气(910)抽向所述惰化反应装置(700)周围，并在所述惰化反应装置(700)四周形成流动的空气层，以带走反应生成热量，保护所述惰化反应装置(700)和周边结构不会超温损坏。
4.根据权利要求1所述的用于飞机燃油箱(100)的惰化系统，
其特征在于，
所述后处理装置还包括水分离装置(1000)，所述水分离装置(1000)构造成分离所述经惰化物质流中的水分。
5.根据权利要求4所述的用于飞机燃油箱(100)的惰化系统，
其特征在于，
所述惰化系统进一步构造成将由所述水分离装置(1000)分离出的水分排放到所述惰化反应装置(700)外部，以蒸发吸热的方式，进一步降低所述惰化反应装置(700)的温度。
6.根据权利要求1所述的用于飞机燃油箱(100)的惰化系统，
其特征在于，
所述后处理装置还包括热交换装置，所述热交换装置构造成进一步降低所述经惰化物质流的温度。
7.根据权利要求6所述的用于飞机燃油箱(100)的惰化系统，
其特征在于，
所述热交换装置包括第一热交换器(1110)，所述第一热交换器(1110)构造成使所述经惰化物质流与冲压空气(910)进行热交换；并且/或者
所述热交换装置包括第二热交换器(1120)，所述第二热交换器(1120)构造成使所述经惰化物质流与进入所述引射装置(200)前的所述被引射流(600)进行热交换。
8.根据权利要求1所述的用于飞机燃油箱(100)的惰化系统，
其特征在于，
所述被引射流(600)的通路上设置有单向阀(1200)，以避免所述引射流(300)中的高温气体直接回流至所述燃油箱(100)。
9.根据权利要求1所述的用于飞机燃油箱(100)的惰化系统，
其特征在于，
与所述燃油箱(100)连通的至少一个流体通路中设置有火焰抑制器(1300)。
10.根据权利要求1所述的用于飞机燃油箱(100)的惰化系统，
其特征在于，
所述惰化系统还包括节流孔(1400)，使得所述引射流(300)经由所述节流孔(1400)后膨胀降压，进入所述引射流入口(210)。
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| CN202310674344.XA CN116729632A (zh) | 2023-06-07 | 2023-06-07 | 用于飞机燃油箱的惰化系统 |
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