JP2019069770A - 機内不活性ガス発生システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料タンクおよび航空機のその他の領域の不活性化を促進するために航空機内で不活性ガスを発生するための機内不活性ガス発生システムを提供する。【解決手段】航空機用の機内不活性ガス発生システムは、低圧エンジン抽気またはラム空気などの比較的低い圧力源から空気を受け取り、この空気を容積型圧縮機（４０）へ送り、空気分離モジュール（４８）への供給のために適切になるように空気の圧力を高める。容積型圧縮機（４０）は、内部冷却を備えた高圧力比一段過給機を含む。【選択図】図６

Description

本発明は、燃料タンクおよび航空機のその他の領域の不活性化を促進するために航空機内で不活性ガスを発生するための機内不活性ガス発生システムに関する。

本明細書では、広く受け入れられた用語は、酸素が欠乏したまたは“高窒素濃度雰囲気”（ＮＥＡ）の発生を意味する“不活性ガス発生”という用語と共に用いられる。近年、航空機翼の製造における複合材の使用に向けた動きは、燃料タンク内の温度が、複合材のより低い熱伝導により、慣用の材料の翼よりも著しく高くなることを意味した。すなわち、より高い温度に曝されることにより、複合材翼における航空機燃料タンクの有効な不活性化のより一層の必要性が存在する。高窒素濃度空気部分（ＮＥＡ）および高酸素濃度空気部分（ＯＷＡ）への入口空気の供給の分離を許容する１つ以上のフィルタまたは“空気分離モジュール”（ＡＳＭ）を使用することが公知である。空気分離モジュールを効率的に運転するために、空気分離モジュールには、比較的高い圧力（通常は４０ｐｓｉｇ（２．７６×１０⁵Ｐａｇ）以上）で吸気が供給される必要がある。より低い圧力で作動することが可能であるが、これは、より多くの空気分離モジュールが必要とされ、その結果、重量および複雑さが増大することを意味し、これは望ましくない。例えば、ＡＳＭに供給される空気が１５ｐｓｉｇであるとすると、それぞれが約２７ｋｇの重量である１０個のＡＳＭが必要とされる。しかしながら、吸気が５６ｐｓｉｇでしかないとすると、所要のＮＥＡ能力を提供するために２つのＡＳＭだけが必要とされる。過去には、空気分離モジュールには、主航空機発電プラントからの高圧抽気が供給されていた。これは、圧縮機から抽出され、冷却され、ろ過され、次いで、１つまたは複数のＡＳＭに供給されていた。このシステムは十分に機能するが、航空機の燃料消費率（ＳＦＣ）を減じるために航空機製造者に対する要求が高まっている。圧縮機から高圧空気を抽出することはＳＦＣに悪影響を与えることが知られており、したがって、現在では、エンジン性能を最適化することができるように高圧抽気の使用を停止する傾向がある。これは、空気分離モジュールへの供給のための代替的な流体源が、見つけられる必要があり、上記の理由から高圧である必要がある。

米国特許出願公開第２００６／０１１７９５６号明細書には、空気分離モジュールに圧縮空気を提供するために直列に配置された２つの圧縮機または段を使用する機内不活性ガス発生システムが記載されている。圧縮機ロータブレードの設計制限によって課せられる厳しい制限に対処しながら、空気分離モジュールに高圧を提供するために、米国特許出願公開第２００６／０１１７９５６号明細書は、２つの遠心圧縮機が直列に運転されるシステムを提供している。第２の段からの圧縮空気は、空気分離モジュールへ通過させられるが、第２の圧縮機からの流れが増大されることを可能にするために、第２段圧縮機と空気分離モジュールとの間にはベントが設けられており、その結果、第２の圧縮機は、同じ圧縮機ロータブレード設計を使用しながら、より高い出力圧を有する。これは、出力流れのより広い作動範囲を備えた遠心圧縮機を提供するが、これは、運転効率が低流量では極めて低いことを意味する。航空機は、その運転の大部分の間、巡航で運転するので、これは、大部分の時間にわたって、遠心圧縮機配列が、その最適な運転効率よりもはるかに低いところで運転していることを意味する。すなわち、遠心圧縮機の固有の特性は、航空機の上昇、巡航および降下のサイクルの間に要求される流量および圧力におけるオペレーティングレジームおよび変化に十分に適応されておらず、問題を部分的にしか解決しない、上に示したような不必要に複雑なソリューションを結果的に生じる。上述のように、ＡＳＭは、４０ｐｓｉｇ（２．７６×１０⁵Ｐａｇ）よりも高い圧力で有効に作動する。より低い圧力は、任意のデューティのためにより大きなＡＳＭまたは複数のＡＳＭ（したがって重量の増大）を必要とするのに対し、より高い圧力は、ＡＳＭの最大作動圧力を超過する。不活性化システムのための流れ要求は、飛行段階に応じて変化する。降下は、最大のＮＥＡ流量を必要とする。なぜならば、タンクと周囲圧力とを平衡させるために、不活性化システムは、燃料タンクを再加圧することを要求されるからである。巡航は、最少流量を必要とする。なぜならば、ＮＥＡ流量は、燃料の燃焼によって生ぜしめられたアレージ体積の増大を補償することのみを要求されるからである。最大降下流れと、巡航流れとの比は、通常、航空機タイプ、巡航高度および降下率に応じて、６：１である。これは、サージ限界と、ディフューザ“チョーキング”限界とによって区切られた極めて狭い流れ範囲を有する典型的な遠心圧縮機特性と十分に適合しない。遠心圧縮機では、流れは、速度を高めることによって増大させることができるが、発生される圧力は、速度の二乗で増大し、要求されるパワーは、速度の三乗で増大する。付加的な圧力は、ＡＳＭに対する損傷を回避するために調整されなければならない。これは、不活性化システムによって要求される流れ範囲にわたって極めて非効率にする。

対照的に、われわれは、容積型圧縮機の特性は、流れにおける大きな変化を提供するのに極めて適していることを発見した。なぜならば、容積型圧縮機は、ＡＳＭによって要求される圧力を供給するために十分な圧力において、ＡＳＭ寿命を短縮する恐れのある、より高い流量における実質的な圧力増大なしに、速度にほぼ比例した流量を提供するからである。したがって、われわれは、遠心圧縮機をベースとするシステムが遭遇した問題のうちの幾つかを軽減することが意図された機内不活性ガス発生システムを設計した。

したがって、１つの態様において、本発明は、低圧空気源を有する航空機において使用するための機内不活性ガス発生システムであって、前記ガス発生システムは、前記低圧空気の一部を受け取るための入口と、空気分離モジュールと流れ連通した出口とを有する容積型圧縮機を有し、容積型圧縮機は、さらに、前記圧縮機によって供給された圧縮空気を冷却するための一体型冷却手段を有する、機内不活性ガス発生システムを提供する。

好適には、容積型圧縮機は、使用時に、実質的に一定かつ連続的な流れを提供する回転式装置である。

好適には、冷却手段は、圧縮機の内部に配置されている。好適には、圧縮機の出力の一部は、圧縮機の入口へ送られる。

本明細書で用いられる“低圧空気”という用語は、空気分離モジュールによって要求される入口圧力よりも低い、概して４０ｐｓｉｇ未満の圧力、通常は、２０ｐｓｉｇ〜３０ｐｓｉｇの範囲の空気を意味する。１つの方式では、低圧空気は、低圧エンジン抽気であってよい。別の方式では、低圧空気は、ラム空気であってよい。

１つの配列において、圧縮機を駆動するために動力の少なくとも一部を提供するために、ガス発生システムは、キャビン空気の一部を受け取りかつ膨張させるためのタービンを有してよい。タービンは、直接的な機械的駆動を提供するために、前記容積型圧縮機に駆動可能に接続されていてよい。その代わりに、またはそれに加えて、タービンは、発電機に駆動可能に接続されていてよい。

モータ駆動式構成では、電気モータは、前記容積型圧縮機に駆動可能に接続されていてよく、容積型圧縮機は、便利には、前記発電機または発電機に関連したエネルギ貯蔵装置から電気エネルギを受け取る。さらに、前記電気モータは、航空機電源から電気エネルギを受け取るように接続可能であってよい。モータは、例えば上記のようなタービンからの軸動力によってバランスが提供されながら、必要な動力の全て、またはその一部を提供してよい。

動力制御装置は、便利には、前記電気モータに電気エネルギを制御可能に供給するために、前記発電機（または発電機に関連した電気的貯蔵装置）からの電気エネルギ、および航空機電源からの電気エネルギを、選択的に受け取るために提供されてよい。

不活性ガス発生システムは、流路において、前記容積型圧縮機と、前記空気分離モジュールとの間に熱交換器を有してよく、この熱交換器は、流体のための加熱および冷却パスを有しており、前記容積型圧縮機からの空気は、前記冷却パスに沿って送られ、これにより、前記空気分離モジュールに供給される空気の温度を低下させる。熱交換器は、ラム空気ダクトから比較的低温のラム空気を受け取ってもよい。システムは、前記熱交換器の加熱パスにキャビン空気を供給するためのダクトと、前記加熱された空気を熱交換器の加熱パスから前記タービンの入力部へ供給するためのダクトとを有してよい。この場合、比較的低温のラム空気またはキャビン空気を前記熱交換器に選択的に供給するために、弁が設けられていてよい。

別の態様において、本発明は、低圧空気源を有する航空機において使用するための機内不活性ガス発生システムであって、前記不活性ガス発生システムは、低圧空気の一部を受け取るための入口と、空気分離モジュールと流れ連通した出口とを有する圧縮機と、圧縮機を駆動するために要求されるエネルギの少なくともある割合を受け取りかつそこから抜き出すためのタービンへの低圧空気の別の部分と、を有する、機内不活性ガス発生システムを提供する。低圧空気は、航空機発電プラントからのラム空気または低圧抽気であってよい。

さらに別の態様において、本発明は、低圧空気源（例えば、ラム空気または低圧エンジン抽気）を有する航空機において機内不活性ガス発生システムを操作する方法であって、一体型冷却手段を有する容積型圧縮機に前記低圧空気の一部を供給するステップと、
圧縮および冷却された空気を前記容積型圧縮機から空気分離モジュールへ供給するステップと、を含む方法を提供する。

本発明は、上に示したような機内不活性ガス発生システムを有する航空機にも拡張される。

発明は上に説明されたが、発明は、単独でまたは他のものと共同で、ここに開示された特徴のいずれかのあらゆる本発明による組合せまたは部分的組合せまで拡張する。

例としてのみ、発明の特定の実施の形態をここで添付の図面を参照して説明する。

本発明による機内不活性ガス発生システムの第１の実施の形態の構成図である。 本発明による機内不活性ガス発生システムの第２の実施の形態の構成図である。 本発明による機内不活性ガス発生システムの第３の実施の形態の構成図である。 本発明による機内不活性ガス発生システムの第４の実施の形態の構成図である。 本発明による機内不活性ガス発生システムの第４の実施の形態の構成図である。 内部冷却装置を備えた高圧過給機の使用を含む、本発明による機内不活性ガス発生システムの第５の実施の形態の概略図である。 図６の第５の実施の形態のより詳細な図である。 本発明による機内不活性ガス発生システムの第６の実施の形態の構成図である。

以下で説明される実施の形態は、航空機の燃料タンクを不活性化するために、空気分離モジュールへ空気を適切な圧力および流量で供給するために、機械的および／または電気的に駆動される変速容積型ブースト圧縮機を用いる。エネルギ回収タービンは、圧縮機およびタービンのためにキャビン空気供給を用いることにより、電力ドレインを減じるために、圧縮機と組み合わされている。

複数の実施の形態は、推進エンジンからの動力を必要としかつエンジン燃料消費率を増大させる航空機環境制御システム（ＥＣＳ）によって提供される乗員キャビン空気を利用する。キャビンを循環した後、空気は、次いで、機外ベント弁を通じて、廃棄物として大気へベントされる。燃料タンク不活性化目的のためにこの空気を使用することは、燃料消費率（ＳＦＣ）の付加的な増大を招来しない。なぜならば、これは、ＥＣＳによって補償されるからである。キャビン圧力は、通常、巡航高度において１１または１２ｐｓｉｇである。この圧力は、空気分離モジュール（ＡＳＭ）にとっては低すぎる。空気分離モジュールは、空気を高窒素濃度空気（ＮＥＡ）および高酸素濃度空気（ＯＥＡ）に分離し、上述のように、通常、４０ｐｓｉｇを超える圧力で作動する。ＡＳＭからＯＥＡは廃棄物として機外へベントされ、ＮＥＡは、不活性なアレージ雰囲気を提供するために、燃料タンクへ送られる。以下の実施の形態は、変速容積型圧縮機に動力を提供するために、“自由”キャビン空気を使用することによって、巡航段階の間、動力を発生するためにタービンを使用する。

図１に示された第１の実施の形態では、キャビン空気（通常、１１ｐｓｉｇ）（０．７６×１０⁵Ｐａ）がターボ圧縮機モジュール１０に供給され、キャビン空気の一部がエネルギ回収タービン１２へ供給され、タービン１２の出口は機外へベントされる。タービンの出力軸１４は、直接的に、またはギヤボックスまたはモータ１６を介して、圧縮機２０の入力軸１８に結合されている。圧縮機から供給された圧縮されたキャビン空気部分は、熱交換器２２の冷却パス、次いで、空気分離モジュール２４へ送られる。次いで、空気分離モジュール２４のＮＥＡは、不活性化のために航空機燃料タンクへ供給される。ＯＥＡは機外へベントされる。熱交換器２２は、比較的低温のラム空気を受け取り、このラム空気は、熱交換器の加熱パスに沿って通過し、次いで、機外へベントされる。圧縮機２０は、２〜４の圧力比を有するように設計された容積型圧縮機またはポンプである。内燃機関用の過給機として使用されるものと同様のあらゆる適切な形式の容積型圧縮機またはポンプが用いられてよく、この容積型圧縮機またはポンプは、通常、内部圧力発生を有さないタイプの修正されたルーツタイプ容積型ポンプに基づいてよい。容積型圧縮機は、一段または多段装置であってよい。適切な装置の一例は、Eaton Corporationから市販されているツイン・ボーテックス・システム（ＴＶＳ）ルーツ型過給機である。この実施の形態では、容積型圧縮機の使用は、遠心圧縮機において固有である出力圧の実質的な増大なしに、降下のために要求される高い流量を提供することができる。さらに、幾つかの実施の形態では、圧縮機のための動力は、キャビン環境制御システムによっていずれにしても排出されるキャビン空気を排出することからの“自由”エネルギによって少なくとも部分的に供給されてよい。

図２を参照すると、第２の実施の形態は、第１の実施の形態とほぼ同様であり、同じ参照符号が使用される。この場合、エネルギ回収タービン１２の出力ドライブは、発電機２６へ供給され、この発電機２６は、電力を制御装置２８に供給し、制御装置２８は、航空機電源から電力を受け取ることもできる。制御装置２８は、モータ３０に電力を供給し、モータ３０は、容積型圧縮機２０の駆動軸１８を駆動する。電力制御装置は、タービン発電機２６によって発生された電力を、航空機電源からの電力と組み合わせ、調整し、巡航および降下の要求のために必要に応じて圧縮機の速度を制御する。

ここで図３を参照すると、第３の実施の形態は、概して、複数の点において第２の実施の形態とほぼ同様であり、同じ参照符号が使用される。前述のように、キャビン空気は、エネルギ回収タービン１２を駆動するために使用され、エネルギ回収タービン１２は発電機２６を駆動し、発電機２６は、制御装置２８に電力を供給する。キャビン空気の別の部分は、容積型圧縮機２０に供給される。しかしながら、第３の実施の形態では、タービンに供給されるキャビン空気の部分は、まず、ラム空気の代わりに、熱交換器２２を通過させられる。これは、エアセパレータモジュール２４に供給される部分を冷却しながら、温度、ひいてはタービンへ供給されるキャビン空気部分のエンタルピを高め、任意のタービン出口温度のための電力抽出を高める。タービンへ供給されるキャビン空気の入口温度の上昇は、タービンの凍結を軽減することもできる。航空機が降下するとき、キャビンと大気との圧力比は、高度が低下するにしたがって低下する。これは、タービンパワーの低下を生じ、制御装置２８を介して、圧縮機２０は、航空機電源からより多くの電力を受け取る。地上では、キャビンと大気との差圧はゼロであるので、圧縮機によって要求される全ての電力は、航空機電源によって供給されなければならない。弁３２が熱交換器の上流に提供されており、これにより、降下中、および地上で、加熱パスのための冷却空気をキャビン空気からラム空気へ切り替えるために弁３２が作動させられてよい。これに代えて、キャビン差圧が所要の冷却流を提供するためには不十分である場合に熱交換器へのキャビン空気部分の流量を増大させるために、システムにファン（図示せず）が組み込まれてもよい。

ここで説明された様々な実施の形態の重要な利点は、それらが巡航高度においてＳＦＣを減じるということであり、巡航高度では航空機経済が最も重要である。降下は、電力消費がより重要でない比較的短い期間であり、あらゆる場合に、十分な電力が利用可能であってよい。なぜならば、大きな電気的負荷（例えばギャラリーオーブン）は降下段階では必要なく、したがって、圧縮機を駆動するための電力の使用は、航空機発電機のサイジングに制約を課さない。

ここで図４を参照すると、本発明による別の実施の形態が概略的な形式で示されている。この実施の形態では、キャビン排気は、スクリーニングの後、多段容積型圧縮機配列へ送られる。多段容積型圧縮機配列は、第１段容積型圧縮機４０を含み、この第１段容積型圧縮機４０は、キャビン空気の一部を受け取り、これを圧縮した後、中間冷却器４２を介して、第２段容積型圧縮機４４へ送る。それぞれの容積型圧縮機における典型的な圧力比は、キャビン空気の場合に１：４〜１：６である。次いで、第２段圧縮機４４からの圧縮されたキャビン空気は、後冷却器４６を介して、空気分離モジュール４８へ送られる。ＮＥＡ部分は、流れ制御弁５０を介して燃料タンク５２へ送られる。

ここで図５を参照すると、図４の配列のより詳細な配列が示されており、同じ構成部材は同じ参照符号によって示されている。キャビン排気は、スクリーニングモジュール５４および供給隔離弁５６を介して、容積型圧縮機４０へ送られ、容積型圧縮機４０は、前述のように、一段または多段容積型圧縮機を含んでいてよい。圧縮機は、モータ５８によって駆動されるものとして示されているが、少なくとも部分的にまたは完全に、たとえば膨張タービン（図示せず）から供給される軸動力によって駆動されてもよい。容積型圧縮機４０から、圧縮されたキャビン空気は、供給逆止弁６０を介して、熱交換器４６内へ送られ、熱交換器４６の冷却パスに沿って通過する。温度センサ６２は、熱交換器４６の出口における空気の温度を監視し、その後、空気は、粒子フィルタ６４、オゾンコンバータ６６、次いで空気分離モジュール４８を通過する。空気分離モジュール４８の出口には、流れ制御弁６８が設けられており、流れ制御弁６８は、燃料タンク５２内へのＮＥＡ部分の流れを制御する。酸素含有量、圧力および流量は、それぞれのセンサ７０，７２，７４によって検出される。

航空機が地上にある場合または低速飛行などの幾つかの状況では、ラム空気圧力は、熱交換器を通る流れを駆動するためには不十分であることがあり、このような状況では、エゼクタが使用されてよい。すなわち、圧縮機４０からの空気の一部が、供給逆止弁６０と熱交換器４６との間の経路から取り出されてよい。取り出された流れは、エゼクタ７６へ送られ、このエゼクタ７６は、制御弁７８を介して熱交換器４６を通るラム空気の冷却流れを引き出すために作動し、次いで、ラムエゼクタ制御弁８０を介して流れを機外へ排出する。これに代えて、熱交換器４６を通るラム空気流を引き出すために、ファンが設けられていてもよい。

ここで、図６から図８までに示された実施の形態を参照すると、これらの配列において、内部冷却装置を備えた高圧過給機が設けられており、これにより、一段圧縮機または過給機が使用されているが、それによって供給される圧縮空気の温度は、ＡＳＭへの最大許容入口温度を超えることはない。現在の技術により、典型的な最大入口温度は、７７℃の領域であるが、この数値は、ＡＳＭ技術が発展するにしたがって上昇し得る。以下の実施の形態では、同じ構成部材は同じ参照符号で示されており、改めて詳細に説明しない。

図６を参照すると、スクリーニングされたキャビン排気、ラム空気または低圧抽気のうちの１つ以上の形式の低圧空気は、一段圧縮機４０へ供給される。一段圧縮機４０は、内部冷却配列を有し、この内部冷却配列は、キャビン排気、ラム空気またはその他の利用できる流体によって冷却される熱交換器を有し、圧縮空気を、ＡＳＭ４８の最大入口温度よりも低い温度で提供する。ＡＳＭからのＮＥＡ部分は、流れ制御弁５０を通って燃料タンク５２へ送られる。

ここで図７を参照すると、圧縮機４０は前述のようにモータ５８によって駆動される。燃料タンクにおける不活性ガス濃度が高く、不活性化システムがアイドリングしているときには、圧縮機４０からの圧縮空気出力は、逸らされ、他の用途に利用される。他の用途は、機内ウォータコンパートメントの加圧、スラストリバーサの作動などの空圧的用途、およびエンジン始動のための高圧空気の提供を含むが、これらに限定されない。

ここで図８の実施の形態を参照すると、この実施の形態は、図７の実施の形態とほぼ同じであるが、流れを冷却するために、冷却された空気を圧縮機４０からその入口へ再びリサイクルするフィードバック経路を有している。この方式では、低温ガス再循環は、デリバリ流を取り出し、冷却し、次いで、圧縮の熱を減じるためにデリバリ圧力で装置デリバリ内へ噴射することを含む。

Claims (7)

1. 低圧空気の機内源を有する航空機において使用するための機内不活性ガス発生システムであって、前記ガス発生システムは、前記低圧空気の一部を受け取るための入口と、空気分離モジュール（２４）と流れ連通した出口とを有する容積型圧縮機（２０）を有し、該容積型圧縮機は、さらに、前記圧縮機によって供給された圧縮空気を冷却するための一体型冷却手段を有することを特徴とする、低圧空気の機内源を有する航空機において使用するための機内不活性ガス発生システム。
2. 前記容積型圧縮機は、一段圧縮機である、請求項１記載の機内不活性ガス発生システム。
3. 前記一体型冷却手段は、キャビン排気、ラム空気またはその他の利用できる流体によって冷却される熱交換器を含む、請求項１または２記載の機内不活性ガス発生システム。
4. 前記冷却手段は、前記圧縮機の内部に提供されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の機内不活性ガス発生システム。
5. 前記圧縮機からの冷却された出力の一部は、前記圧縮機の入口へ送られる、請求項１から４までのいずれか１項記載の機内不活性ガス発生システム。
6. 前記空気分離モジュールからの出力は、１つ以上の他の航空機構成部分へ動力および／または圧力を供給するように方向付けられる、請求項１から５までのいずれか１項記載の機内不活性ガス発生システム。
7. 低圧空気源を有する航空機において機内不活性ガス発生システムを操作する方法であって、
   一体型冷却手段を有する容積型圧縮機（２０）に前記低圧空気の一部を供給するステップと、
   圧縮および冷却された空気を前記容積型圧縮機（２０）から空気分離モジュール（２４）へ供給するステップと、を含むことを特徴とする、低圧空気源を有する航空機において機内不活性ガス発生システムを操作する方法。

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