飞机膜制氮油箱惰化与座舱环境控制的耦合系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种飞机膜制氮油箱惰化与座舱环境控制的耦合系统，属于航空系统技术领域，本发明专利技术的系统为将飞行器燃油箱中空纤维膜制氮惰化系统与座舱环境控制系统耦合，即将惰化系统中高氧浓度的排气通过引射泵引射与环控系统中涡轮冷却器出口的低温气体混合，然后送至座舱，调节座舱内的温度、压力、氧气浓度及空气洁净度，保障司乘人员健康与生理需要。本发明专利技术有效减少了座舱环控系统的发动机引气量，降低了燃油代偿损失；增加座舱氧浓度水平，有利于提升座舱压力高度、减轻座舱结构重量；降低了膜制氮装置排气压力，增加分离膜内外压差，提高膜装置分离效率。

The coupling system and method of inerting and cockpit environment control of aircraft membrane nitrogen tank

【技术实现步骤摘要】
飞机膜制氮油箱惰化与座舱环境控制的耦合系统及方法
本专利技术属于航空系统
，涉及飞行器燃油箱惰化系统与环控系统耦合，特别涉及一种飞机座舱弥散式供氧系统，具体是一种飞机膜制氮油箱惰化与座舱环境控制的耦合系统及方法。
技术介绍
近50年来，全球范围内运输类飞机燃油箱爆炸事故共发生18起，总计542人遇难，已成为民用航空安全的主要威胁之一。1996年波音747飞机TWA800中央翼油箱的可燃蒸汽被点燃导致爆炸，全机人员丧生，促使美国联邦航空管理局颁发了一系列修正案、咨询通报和适航规章，强制要求采取有效措施降低点火源和可燃蒸汽浓度，以减少运输类飞机燃油箱可燃性，增加燃油箱安全。我国民用航空局也制定了类似的航空规章。美国联邦航空管理局及美国国家运输安全部均认为燃油箱惰化是一种可行的降低油箱燃爆风险的技术措施，其中，中空纤维膜制取富氮气体的机载制氮惰化技术是目前最经济、实用的飞机油箱燃爆抑制技术，在波音和空客的各种型号飞机以及我国国产机型中均有应用。其原理是把来自发动机引气，经过温度调节、压力调节、去除臭氧、水分、杂质等污染物后，通入由中空纤维膜构成的空气分离装置内分离成富氧气体和富氮气体，富氮气体充入燃油箱进行洗涤或冲洗惰化，富氧气体作为废气给予排出。另外，为保障飞机在飞行时，司乘人员的生命健康与设备的正常使用，部分飞机通过设置空气循环制冷系统来调节座舱的温度、压力、氧浓度及空气洁净度，其原理是，来自飞机发动机引气，经过温度调节、压力调节、去除臭氧、水分、杂质等污染物后，进入涡轮冷却器膨胀降温，低温清洁空气进入座舱。但是，无论是惰化系统，还是空气循环系统，均需提供发动机引气，降低了飞行的可用功率。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中所涉及到的缺陷，提供了一种飞机膜制氮油箱惰化与座舱环境控制的耦合系统，即将惰化系统中高氧浓度的排气与环控系统涡轮冷却器出口气体混合后，再送至座舱，实现调温、调压和弥散式供氧一体化，以确保司乘人员的生理需要。本专利技术是这样实现的：一种飞机膜制氮油箱惰化与座舱环境控制的耦合系统，所述的耦合系统包括发动机引气，所述的发动机引气后分别设置两个股流通道，所述的发动机引气的其一股流通道后连接气体调节装置，气体调节装置后连接空气分离模块，空气分离模块包含气体入口、富氮气体出口、富氧气体出口，所述的发动机引气通过气体调节装置调节后通过气体入口进入空气分离模块；所述的空气分离模块的富氮气体出口分别并联连接第二电动压力调节阀、第二手动压力调节阀，所述的第二电动压力调节阀、第二手动压力调节阀的出口后依次连接第二流量传感器、第一氧浓度传感器、第二温度传感器、第二压力传感器、第一阻火器、油箱、第二阻火器，第二阻火器的出口端将废气排至机外；油箱上方分别设置有碳氢化合物浓度传感器、第二氧气浓度传感器、第三温度传感器；所述的空气分离模块的富氧气体出口依次连接引射泵、第三氧气浓度传感器、第四温度传感器、第三压力传感器、第三流量传感器、第三控制阀、混合阀；所述的发动机引气的其二股流通道后通过第四控制阀依次连接初级换热器、压气机、次级换热器、涡轮、第四氧气浓度传感器、第五温度传感器、第四压力传感器、第四流量传感器、第五控制阀；所述的第五控制阀连接至混合阀的另一入口，上述的系统形成耦合系统。进一步，所述的气体调节装置与发动机引气的其一股流出口连接，气体调节装置依次为第一控制阀、过滤器、干燥机、加热器、湿度调节器、臭氧转换器、第二控制阀，以及第二控制阀出口并联连接的第一电动压力调节阀、第一手动压力调节阀；以及所述的第一电动压力调节阀、第一手动压力调节阀出口后依次连接的第一压力传感器、第一温度传感器、第一流量传感器、湿度传感器、臭氧浓度传感器、颗粒度检测仪。进一步，所述的耦合系统通过自动控制器控制，所述的自动控制器包括一个电流输入端和一个电流输出端；所述的自动控制器电流输出端并联连接第一控制阀、加热器、湿度调节器、臭氧转换器、第二控制阀、第一电动压力调节阀、第二电动压力调节阀、引射泵、第三控制阀、第四控制阀、第五控制阀。进一步，所述的自动控制器电流输入端并联连接第一压力传感器、第一温度传感器、第一流量传感器、湿度传感器、臭氧浓度传感器、颗粒度检测仪、第二流量传感器、第一氧浓度传感器、第二温度传感器、第二压力传感器、碳氢化合物浓度传感器、第二氧气浓度传感器、第三温度传感器、第三氧气浓度传感器、第四温度传感器、第三压力传感器、第三流量传感器、第四氧气浓度传感器、第五温度传感器、第四压力传感器、第四流量传感器。进一步，所述的初级换热器包含冷侧通道、热侧通道；所述的次级换热器包含冷侧通道、热侧通道；所述的第四控制阀通过管道依次连接有初级换热器热侧通道、压气机、次级换热器热侧通道、涡轮、第四氧气浓度传感器、第五温度传感器、第四压力传感器、第四流量传感器、第五控制阀、混合阀；所述的初级换热器的冷侧通道、次级换热器的冷侧通道相通，通过将初级换热器的冷侧通道、次级换热器的冷侧通道冲压空气排出机外。本专利技术还公开了一种飞机膜制氮油箱惰化与座舱环境控制的耦合系统的工作方法，其特征在于，所述的方法为：当油箱不处于惰化状态时，开启中空纤维膜制取富氮气体的机载制氮惰化系统，此时第一控制阀、加热器、湿度调节器、臭氧转换器、第二控制阀、第一电动压力调节阀、第二电动压力调节阀、引射泵、第三控制阀、第四控制阀、第五控制阀打开；发动机引气其一股流经第一控制阀后进入系统，先在过滤器、干燥机中进行过滤、干燥处理，然后分别在加热器、湿度调节器中进行调温、调湿，在臭氧转换器中将臭氧除去，流过第二控制阀，在第一电动压力调节阀或第一手动压力调节阀中进行压力调节；所述第一压力传感器、第一温度传感器、第一流量传感器、湿度传感器、臭氧浓度传感器、颗粒度检测仪分别测得分离膜前气体的压力、温度、流量、湿度、臭氧浓度、颗粒度等参数并将信号传输到所述自动控制器，自动控制器分别输出反馈信号给加热器、湿度调节器、臭氧转换器、第二控制阀、第一电动压力调节阀；调节后的气体进入空气分离模块，产生富氮气体及富氧气体；所述富氮气体在第二电动压力调节阀或第二手动压力调节阀中进行压力调节，依次流过第二流量传感器、第一氧浓度传感器、第二温度传感器、第二压力传感器、第一阻火器后，流入油箱进行冲洗惰化，油箱中多余气体流经第二阻火器后排至机外；发动机引气其二股流经第四控制阀后，首先在初级换热器热侧通道中被冲压空气冷却，然后进入用涡轮驱动的压气机中升压，在次级换热器中被冲压空气再次冷却后流入涡轮进行膨胀降温；低温低压的气体依次流经第四氧气浓度传感器、第五温度传感器、第四压力传感器、第四流量传感器、第五控制阀、混合阀其一入口；空气分离模块产生的富氧气体在引射泵抽吸作用下，依次流过第三氧气浓度传感器、第四温度传感器、第三压力传感器、第三流量传感器、第三控制阀，与来自环控系统的低温空气在混合阀中混合，然后送至座舱供司乘人员呼吸使用；第三氧气浓度传感器、第四温度传感器、第三压力传感器、第三流量传感器、第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种飞机膜制氮油箱惰化与座舱环境控制的耦合系统，其特征在于，所述的耦合系统包括发动机引气，所述的发动机引气后分别设置两个股流通道，所述的发动机引气的其一股流通道后连接气体调节装置，气体调节装置后连接空气分离模块（16），空气分离模块（16）包含气体入口、富氮气体出口、富氧气体出口，所述的发动机引气通过气体调节装置调节后通过气体入口进入空气分离模块（16）；/n所述的空气分离模块（16）的富氮气体出口分别并联连接第二电动压力调节阀（17）、第二手动压力调节阀（18），所述的第二电动压力调节阀（17）、第二手动压力调节阀（18）的出口后依次连接第二流量传感器（19）、第一氧浓度传感器（20）、第二温度传感器（21）、第二压力传感器（22）、第一阻火器（23）、油箱（24）、第二阻火器（25），第二阻火器（25）的出口端将废气排至机外；油箱（24）上方分别设置有碳氢化合物浓度传感器（26）、第二氧气浓度传感器（27）、第三温度传感器（28）；/n所述的空气分离模块（16）的富氧气体出口依次连接引射泵（29）、第三氧气浓度传感器（30）、第四温度传感器（31）、第三压力传感器（32）、第三流量传感器（33）、第三控制阀（34）、混合阀（35）；/n所述的发动机引气的其二股流通道后通过第四控制阀（36）依次连接初级换热器（37）、压气机（38）、次级换热器（39）、涡轮（40）、第四氧气浓度传感器（41）、第五温度传感器（42）、第四压力传感器（43）、第四流量传感器（44）、第五控制阀（45）；所述的第五控制阀（45）连接至混合阀（35）的另一入口，上述的系统形成耦合系统。/n...

【技术特征摘要】
1.一种飞机膜制氮油箱惰化与座舱环境控制的耦合系统，其特征在于，所述的耦合系统包括发动机引气，所述的发动机引气后分别设置两个股流通道，所述的发动机引气的其一股流通道后连接气体调节装置，气体调节装置后连接空气分离模块（16），空气分离模块（16）包含气体入口、富氮气体出口、富氧气体出口，所述的发动机引气通过气体调节装置调节后通过气体入口进入空气分离模块（16）；
所述的空气分离模块（16）的富氮气体出口分别并联连接第二电动压力调节阀（17）、第二手动压力调节阀（18），所述的第二电动压力调节阀（17）、第二手动压力调节阀（18）的出口后依次连接第二流量传感器（19）、第一氧浓度传感器（20）、第二温度传感器（21）、第二压力传感器（22）、第一阻火器（23）、油箱（24）、第二阻火器（25），第二阻火器（25）的出口端将废气排至机外；油箱（24）上方分别设置有碳氢化合物浓度传感器（26）、第二氧气浓度传感器（27）、第三温度传感器（28）；
所述的空气分离模块（16）的富氧气体出口依次连接引射泵（29）、第三氧气浓度传感器（30）、第四温度传感器（31）、第三压力传感器（32）、第三流量传感器（33）、第三控制阀（34）、混合阀（35）；
所述的发动机引气的其二股流通道后通过第四控制阀（36）依次连接初级换热器（37）、压气机（38）、次级换热器（39）、涡轮（40）、第四氧气浓度传感器（41）、第五温度传感器（42）、第四压力传感器（43）、第四流量传感器（44）、第五控制阀（45）；所述的第五控制阀（45）连接至混合阀（35）的另一入口，上述的系统形成耦合系统。


2.根据权利要求1所述的一种飞机膜制氮油箱惰化与座舱环境控制的耦合系统，其特征在于，所述的气体调节装置与发动机引气的其一股流出口连接，气体调节装置依次为第一控制阀（1）、过滤器（2）、干燥机（3）、加热器（4）、湿度调节器（5）、臭氧转换器（6）、第二控制阀（7），以及第二控制阀（7）出口并联连接的第一电动压力调节阀（8）、第一手动压力调节阀（9）；以及所述的第一电动压力调节阀（8）、第一手动压力调节阀（9）出口后依次连接的第一压力传感器（10）、第一温度传感器（11）、第一流量传感器（12）、湿度传感器（13）、臭氧浓度传感器（14）、颗粒度检测仪（15）。


3.根据权利要求2所述的一种飞机膜制氮油箱惰化与座舱环境控制的耦合系统，其特征在于，所述的耦合系统通过自动控制器（46）控制，所述的自动控制器（46）包括一个电流输入端和一个电流输出端；
所述的自动控制器（46）电流输出端并联连接第一控制阀（1）、加热器（4）、湿度调节器（5）、臭氧转换器（6）、第二控制阀（7）、第一电动压力调节阀（8）、第二电动压力调节阀（17）、引射泵（29）、第三控制阀（34）、第四控制阀（36）、第五控制阀（45）。


4.根据权利要求3所述的一种飞机膜制氮油箱惰化与座舱环境控制的耦合系统，其特征在于，所述的自动控制器（46）电流输入端并联连接第一压力传感器（10）、第一温度传感器（11）、第一流量传感器（12）、湿度传感器（13）、臭氧浓度传感器（14）、颗粒度检测仪（15）、第二流量传感器（19）、第一氧浓度传感器（20）、第二温度传感器（21）、第二压力传感器（22）、碳氢化合物浓度传感器（26）、第二氧气浓度传感器（27）、第三温度传感器（28）、第三氧气浓度传感器（30）、第四温度传感器（31）、第三压力传感器（32）、第三流量传感器（33）、第四氧气浓度传感器（41）、第五温度传感器（42）、第四压力传感器（43）、第四流量...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘卫华，彭孝天，张瑞华，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32