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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kraftstoff-Inertisierungssystem,
das eine Kraftstoffinertisierung mit einer Kraftstoffreinigung kombiniert.
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Es
ist lebenswichtig, die Feuergefahr in den Kraftstofftanks von Flugzeugen
zu minimieren. Dies trifft insbesondere für Militärflugzeuge zu, wo während des
Gefechtes eine Feuergefahr besteht. Diese Feuergefahr wird beträchtlich
vermindert, indem eine Strömung
inerten Gases gewöhnlich
mit Stickstoff angereicherte Luft (Nitrogen Enriched Air = NEA)
in den Leerraum über
den Kraftstoff in jeden Kraftstofftank eingeführt wird. Es ist außerdem wichtig,
ein Verfahren durchzuführen,
das als „Schrubben" bekannt ist, wobei
im Kraftstoff gelöster
Sauerstoff entfernt wird, indem NEA mit dem mit Sauerstoff angereicherten
Kraftstoff vermischt wird.
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Ein
Verfahren zum Schrubben von Kraftstoff besteht darin, die Bewegungskraft
zu benutzen, die beim Auftanken dem Kraftstoff beim Eintreten in
einen Tank innewohnt, um einen Zentrifugalseparator anzutreiben
oder eine andere Type eines Kraftstoffschrubbers oder -mischers
unter Benutzung einer Strahlpumpenwirkung zu betätigen. Dadurch wird NEA aus
dem Leerraum des Tanks abgezogen, um im Kraftstoff gelösten Sauerstoff
abzuführen.
Ein anderes Verfahren des Schrubbens besteht darin, unter Druck
stehendes NEA direkt in den Tank einzuführen.
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Gegenwärtig benutzte
Systeme wie jene, die beispielsweise in dem Boeing C-17-Flugzeug benutzt werden,
weisen einen Stickstoffseparator und ein Speichersystem für das inerte
Gas auf, die beide innerhalb der Flugzeugzelle festgelegt sind.
Dann wird Druckluft von den Triebwerken des Flugzeugs benutzt, um
den Stickstoffseparator zu speisen.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Die
US 3 693 915 beschreibt
die Erkenntnis, dass weder eine Flamme noch eine Explosion in einem
Kraftstofftank ungeachtet irgendeiner Zündquelle fortschreiten kann,
wenn die Sauerstoffkonzentration im Kraftstoffdampf unter der Entflammungsgrenze
liegt. Dies wurde erreicht durch Benutzung eines inerten Gases,
beispielsweise durch Stickstoff, um die Luft (die 21% Sauerstoff
enthält)
aus dem Tank zu spülen,
und dann wird der Tank mit Stickstoff unter Druck gesetzt, um das
Eindringen von Luft zu verhindern, wenn der Umgebungsdruck relativ
zu dem inneren Tankdruck ansteigt, wie dies beim Sinkflug des Flugzeugs
der Fall sein kann. Es wird außerdem
festgestellt, dass Sauerstoff aus der Luft sich im Kraftstoff des
Flugzeugs in Proportionen der Gaspartialdrücke an der Kraftstoff-Luft-Zwischenfläche löst und dass
derart gelöster
Sauerstoff aus der Lösung
austritt, wenn der Druck des Kraftstoffs abfällt. Daher wird Sauerstoff
in den Leerraum freigesetzt, wenn das Flugzeug im Steigflug befindlich
ist. Die
US 3 693 915 lehrt,
dass ein inertes Gas in den Dampfraum (d. h. in den Leerraum) des
Kraftstofftanks eingeführt werden
sollte, um zu verhindern, dass Luft in den Tank eintritt, und außerdem sollte
gelöster
Sauerstoff während
des Fluges aus dem Kraftstoff entfernt werden und insbesondere während der
Steigphase, wenn der Tankdruck abfällt, wodurch die Sauerstoffkonzentration
in dem Leerraum auf einen Sicherheitswert von 10% oder weniger gehalten
wird, so dass eine eingeleitete Flamme oder eine Explosion nicht
fortschreiten kann. Insbesondere wird ein Kraftstofftank-Inertisierungssystem
vorgeschlagen, bei dem dem Leerraum Stickstoff entweder über eine Nebeldüse oder
aus einer Stickstoffzuführungsquelle zugeführt werden
kann. Ein Kraftstoffzuführungssystem
lässt überschüssigen Kraftstoff
durch eine Mischdüse
innerhalb des Tanks zirkulieren, und die Mischdüse besitzt eine Ansaugöffnung,
die mit einem Magnetventil verbunden ist, um entweder Stickstoff Aus
der Stickstoffquelle gemäß einem
Differenzdrucksensor abzuziehen oder um die Gaszuführung im
Leerraum in Umlauf zu setzen und um dadurch zu verhindern, dass
irgendwelcher Kraftstoff in die Ansaugöffnung eintritt, wenn die Stickstoffquelle
abgeschaltet wird.
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Die
US 3 693 915 lehrt deshalb,
dass ein Kraftstoff-Inertisierungssystem mit einem Kraftstoffschrubber
ausgerüstet
sein sollte, um den im Kraftstoff innerhalb des Kraftstofftanks
gelösten
Sauerstoff durch ein inertes Gas zu ersetzen, und zu diesem Zweck
soll eine Ventilanordnung vorgesehen werden, um dem Kraftstoffschrubber
Gas über
eine erste Zuführungseinrichtung
vom Leerraum des Tanks oder über
eine zweite Zuführungseinrichtung von
einer unter Druck stehenden Quelle inerten Gases zuzuführen. Es
wird jedoch keine Lehre bezüglich
der Kontrolle der Konzentration von Sauerstoff in dem im Leerraum
befindlichen Gas vermittelt, in dem natürlich Sauerstoff aufgenommen
wird, der aus dem Kraftstoff „geschrubbt" wurde.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung
betrifft diese ein Kraftstoff-Inertisierungssystem mit einem Kraftstoffschrubber,
um im Kraftstoff innerhalb des Kraftstofftanks gelösten Sauerstoff
durch ein inertes Gas zu ersetzen und mit einer Ventilanordnung,
die dem Kraftstoffschrubber Gas entweder über eine erste Zuführungseinrichtung
von einer inerten Druckgasquelle oder über eine zweite Zuführungseinrichtung
vom Leeraum des Tanks zuführt,
wobei die Ventilanordnung durch einen Sauerstoffsensor gesteuert
wird, der derart angeordnet ist, dass er die Sauerstoffkonzentration
des Gases im Leerraum überwacht,
und die Ventilanordnung so angeordnet ist, dass sie entweder die
erste Zuführungseinrichtung
auswählt,
um unter Druck stehendes inertes Gas dem Kraftstoffschrubber immer
dann zuzuführen,
wenn das Gas im Leerraum nicht inert ist oder die zweite Zuführungseinrichtung
auswählt, um
Gas aus dem Leerraum dem Kraftstoffschrubber immer dann zuzuführen, wenn
das Gas im Leerraum inert ist, wobei nur eine der Zuführungseinrichtungen
jeweils im Betrieb befindlich ist.
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Auf
diese Weise schafft die Erfindung ein Kraftstoff-Inertisierungssystem,
welches den Leerraum inert hält,
während
der Kraftstoff von gelöstem Sauerstoff
gereinigt wird.
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Die
Ventilanordnung umfasst vorzugsweise ein druckbetätigtes Prioritätsventil,
das durch den Druck des inerten Gases der unter Druck stehenden inerten
Gasquelle betätigt
wird, um die Gasströmung durch
die erste Zuführungseinrichtung
aus dem Leerraum abzuschalten. Ein Abschaltventil kann in eine Schließstellung überführt werden,
um die Schaltung des druckbetätigten
Prioritätsventils
durch den Druck des inerten Gases der unter Druck stehenden inerten Gasquelle
zu vermeiden. Der Sauerstoffsensor ist vorzugsweise derart ausgebildet,
dass die erste Zuführungseinrichtung
abgeschaltet wird.
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Das
inerte Gas ist vorzugsweise mit Stickstoff angereicherte Luft (NEA).
Das System weist vorzugsweise Mittel auf, um die mit Stickstoff
angereicherte Luft aus einem unter Druck stehenden Teil des Flugzeugs
zu erzeugen, beispielsweise aus einem Nutzlastraum. Das Mittel zur
Erzeugung der mit Stickstoff angereicherten Luft kann ein Stickstoffseparator
sein, der innerhalb des Flugzeugs, jedoch von diesem entfernbar,
ausgebildet ist. Die unter Druck stehende inerte Gaszuführung weist
vorzugsweise Speichermittel für
das unter Druck stehende inerte Gas auf. Die unter Druck stehende
inerte Gaszuführung
ist vorzugsweise innerhalb des Flugzeugs, jedoch von diesem entfernbar,
angeordnet.
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Wenn
der Leerraum inert ist, beispielsweise beim normalen Betanken in
der Luft, dann wird die Reinigung des Kraftstoffs durchgeführt, wenn
dieser in den Kraftstofftank eintritt, wobei ein Kraftstoffschrubber
benutzt wird, beispielsweise ein Strahlpumpenmischer, der NEA aus
dem Leerraum abzieht. Wenn der Leerraum jedoch nicht inert ist,
beispielsweise beim anfänglichen
Auftanken für
eine taktische Militärmission,
dann wird die Reinigung des Kraftstoffs unter Benutzung einer unter
Druck stehenden NEA-Zuführung
durchgeführt.
Die Arbeitsweise der beiden Systeme wird durch die Ventilanordnung gewählt und
gesteuert.
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Die
vorliegende Erfindung schafft außerdem ein System, welches
einen Stickstoffseparator und ein inertes Gasspeichersystem aufweist,
die im Nutzlastraum des Flugzeugs angeordnet sind oder in einem
anderen Druckbereich des Flugzeugs und die entfernt werden können, wenn
das System nicht mehr benötigt
wird. Das vorliegende System nimmt Luft von der Druckkabine des
Flugzeugs über
den Nutzlastraum oder einen anderen unter Druck stehenden Raum auf
und komprimiert diese unter Benutzung eines getrennten Kompressors,
bevor die Luft dem Separator zugeführt wird. Infolge dieses tragbaren
Systems wird es möglich,
einen normalerweise am Boden angeordneten Separator während des
Fluges in der Höhe
zu benutzen.
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Es
ist zweckmäßig, dass
das System einen Stickstoffseparator und einen inerten Gasspeicher aufweist,
die ihre Luftzuführung
im Flug aus der Druckkabine des Flugzeugs aufnehmen und die tragbar
sind und vom Flugzeug entnommen werden können, wenn sie nicht mehr gebraucht
werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Nachstehend
wird ein Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Kraftstoff-Inertisierungssystems
anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur
zeigt eine schematische Darstellung des Systems.
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ALLGEMEINE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Beim
Auftanken am Boden wird Luft aus dem Leerraum über einen Auslass im Kraftstofftank
und einen Druckausgleichsbehälter
abgezogen und durch Kraftstoff ersetzt. Die im Leerraum verbleibende
Luft wird durch NEA ersetzt. Ein an Bord befindliches Inertgas-Erzeugungssystem
bewirkt dann, dass eine Schicht des inerten Gases, beispielsweise
von mit Stickstoff angereicherter Luft (NEA), in den Kraftstofftanks
verbleibt. Die NEA wird durch vom Triebwerk abgezapfte Luft unter
Benutzung eines Stickstoffseparators (nicht dargestellt) erzeugt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nunmehr
wird auf die Zeichnung Bezug genommen. Das System weist zwei getrennte
Zuführungseinrichtungen 2, 4 auf,
um NEA dem Kraftstoff 6 innerhalb eines Kraftstofftanks 8 zuzuführen. Die erste
Zuführungseinrichtung 2 ist
an eine unter Druck stehende Quelle 12 von NEA angeschlossen
und die NEA strömt
längs einer
ersten Zuführungsleitung 14 nach
dem Kraftstoff 6 innerhalb des Kraftstofftanks 8 über eine
Ventilanordnung, die ein Prioritätsventil 10 enthält. Die
zweite Zuführungseinrichtung 4 führt NEA
vom Leerraum 16 des Kraftstofftanks längs einer zweiten Zuführungsleitung 18 über das
Prioritätsventil 10 nach
dem Kraftstoff 6 innerhalb des Kraftstofftanks 8.
Beide Zuführungseinrichtungen 2 und 4 benutzen
einen Kraftstoffschrubber 26 in Form eines Strahlpumpenmischers,
der die NEA benutzt, um gelösten
Sauerstoff aus dem Kraftstoff nach außen über Bord abzuführen.
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Das
Prioritätsventil 10 besitzt
zwei Betriebsstellungen. In der ersten Betriebsstellung, die in
der Zeichnung dargestellt ist, ist die erste Zuführungsleitung 14 offen,
so dass NEA aus der Druckquelle 12 nach dem Kraftstoff 6 strömen kann,
während
gleichzeitig die zweite Zuführungsleitung 18 abgesperrt
ist, so dass verhindert wird, dass NEA aus dem Leerraum 16 des
Tanks in den Kraftstoff einströmt.
In der zweiten Betriebsstellung ist die erste Leitung 14 abgesperrt
und es wird die Strömung
von unter Druck stehender NEA in den Kraftstoff 6 verhindert,
während
gleichzeitig die zweite Zuführungsleitung 18 geöffnet wird,
so dass NEA aus dem Leerraum 16 des Kraftstofftanks in
den Kraftstoff 6 strömen
kann.
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Eine
denkbare Einrichtung zur Betätigung des
Prioritätsventils 10 wird
im Folgenden beschrieben. Das System ist derart angeordnet, dass
der Druck in der Druckquelle 12 höher ist als der Druck im Leerraum 16.
Wenn der Druck der Druckquelle 12 an das Prioritätsventil 10 angelegt
wird, indem ein Abschaltventil 27 geöffnet wird, das in der ersten
Zuführungsleitung 14 liegt,
dann wird das Prioritätsventil 10 durch
die Druckquelle 12 in die in der Zeichnung dargestellte
Stellung überführt. Wenn
das Abschaltventil 27 geschlossen wird, dann kehrt das
Prioritätsventil 10 in
seine zweite Betriebsstellung zurück.
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Die
Menge des inerten Gases, die dem Kraftstofftank 8 zugeführt werden
muss, hängt
von der Sauerstoffkonzentration im Leerraum 16 des Kraftstofftanks
ab. Ein Sauerstoffsensor 20 ist im Leerraum 16 des
Kraftstofftanks 8 angeordnet, um die Sauerstoffkonzentration
zu messen und um abzuschätzen,
ob das Gas im Leerraum inert ist. Der Sensor 20 ist mit
der ersten Zuführungseinrichtung 2 derart
verbunden, dass die Zuführungsleitung 14 abgeschaltet
wird, wenn die Sauerstoffkonzentration auf einen erforderlichen
Wert vermindert ist.
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Die
NEA wird unter Druck in Druckbehältern gespeichert,
so dass das Volumen des zu speichernden Gases verringert wird. Der
Standardspeicherdruck der NEA beträgt 200 bar, d. h. etwa 3000
psi (Pfund pro Quadratzoll). Der Druck in der NEA wird reguliert
und auf einen Mittelwert reduziert, indem ein Hochdruck-Regelabschaltventil
(nicht dargestellt) benutzt wird.
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Innerhalb
des Kraftstofftanks ist ein Auslass 22 vorgesehen, der
eine NEA-Strömung nach
einem Druckausgleichsbehälter 24 (oder
einem Entlüftungsbehälter) und
von diesem weg ermöglicht.
Im Betrieb des Flugzeugs füllt
NEA den Leerraum 16 im Kraftstofftank 8 und im
Druckausgleichsbehälter 24 auf.
NEA strömt
beim Steigflug aus dem Leerraum 16 aus und tritt in den
Leerraum 16 ein, wenn sich das Flugzeug im Sinkflug befindet,
weil sich der äußere Umgebungsdruck ändert.
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Der
innerhalb des Druckausgleichsbehälters 24 befindliche
Druck wird unter Benutzung eines Niederdruck-Regelabschaltventils
(nicht dargestellt) geregelt, das den Druck auf einem erforderlichen
Wert hält,
und zwar unabhängig
von der Strömungsrate des
Gases nach dem Druckausgleichsbehälter.
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Wenn
der Kraftstoff 6 im Kraftstofftank 8 verbraucht
ist, dann fällt
der Druck innerhalb des Kraftstofftanks ab und es muss NEA dem Tank
zugeführt werden,
um die Druckänderung
zu stabilisieren. Der Druck wird sonst im Leerraum 16 des
Kraftstofftanks 8 mittels eines äußeren Entlüftungsventils und eines inneren
Entlüftungsventils
(beide nicht dargestellt) aufrecht erhalten. Das äußere Entlüftungsventil
wirkt als Überdruckventil,
um NEA aus dem Kraftstofftank 8 auszulassen und um dadurch
den positiven Differenzdruck zwischen dem Kraftstoffsystem und dem äußeren Umgebungsdruck
beim Steigflug des Flugzeugs zu begrenzen. Das innere Entlüftungsventil begrenzt
den negativen Differenzdruck beim Sinkflug des Flugzeugs, indem
Außenluft
in den Leerraum 16 beim Sinkflug infolge der Änderungen
des äußeren Umgebungsdrucks
eintreten kann.
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Es
ist zweckmäßig, eine
positive Druckdifferenz zwischen dem Kraftstofftank 8 und
dem äußeren Umgebungsdruck
während
des Sinkflugs des Flugzeugs aufrecht zu erhalten, da die Differenz
zwischen dem Druck bei Normal Null und dem Druck bei Reiseflug zu
einer Verminderung der Menge von inertem Gas führt, das zugeführt werden
muss.
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Der
Stickstoffseparator und die NEA-Druckbehälter werden im Nutzlastraum
des Flugzeugs gestapelt. Sie können
dann von dem gesamten Kraftstoff-Inertisierungssystem
abgeschaltet und vom Flugzeugsystem entfernt werden, wenn sie nicht
erforderlich sind. Außerdem
wird die Luft, die dem Nutzlastraum oder einem anderen Druckraum
entnommen wird, getrennt unter Benutzung eines Standardkompressors
verdichtet, bevor sie dem Stickstoffseparator zugeführt wird, um
NEA zu erzeugen. Infolge der Entnahme von Luft aus dem Nutzlastraum oder
einem anderen Druckraum statt von außerhalb des Flugzeugs her ist
es möglich,
einen Standardseparator, der normalerweise am Boden stationiert
ist, während
des Fluges in einer großen
Höhe zu
benutzen. Dies ist nicht möglich
bei Systemen, die einen festen Stickstoffseparator und Druckbehälter besitzen,
die Druckluft von den Triebwerken des Flugzeugs benötigen, um
den Stickstoffseparator zu speisen.