СИСТЕМА И СПОСОБ АДАПТАЦИИ РЕЖИМА ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ТРАНСПОРТИРОВКИ МАТЕРИАЛА
SYSTEM AND METHOD FOR ADAPTATION OF MATERIAL PNEUMATIC TRANSPORTATION MODE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системам и способам адаптации режима транспортировки материала, к средствам передвижения и к применению на летательном аппарате системы адаптации режима транспортировки материала.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Термин "вакуумные системы" относится к специальным пневматическим транспортным системам. Обычно в таких системах транспортировка материала осуществляется за счет разности давлений, то есть материал, который должен транспортироваться, захватывается потоком текучей среды, который возникает в результате разности давлений, причем в качестве транспортной среды, как правило, используется воздух.
В частности, в летательных аппаратах вакуумные системы используются для транспортировки отходов из кабины, например из туалетов или из кухонь, в центральный резервуар-сборник. В предлагаемой в изобретении системе материал транспортируется в резервуар-сборник отходов по сети трубопроводов. Отрицательное давление в резервуаре-сборнике по отношению к давлению в кабине обеспечивает необходимую разницу давлений.
В летательных аппаратах с герметизированными кабинами для создания отрицательного давления, необходимого для работы пневматической транспортной системы, используется непосредственно разница между давлением в кабине и давлением окружающей среды. Если же имеющаяся разница давлений недостаточна, например, на стоянке или на низких высотах, то необходимая разница давлений создается с помощью компрессора.
Использование пневматической транспортной системы для туалетов летательных аппаратов часто сопровождается высоким уровнем шума. Этот шум замечают даже пассажиры в кабине, и он создает для них некоторый дискомфорт.
Обычные меры по уменьшению уровня шума в исходной точке поступления транспортируемого материала заключаются в закрытии транспортной системы перед выполнением спуска, так что шум может быть подавлен. Кроме того, в туалетах вывешиваются таблички с указаниями для пассажиров в отношении мер для уменьшения уровня шума, например, путем закрытия крышки унитаза. До настоящего времени кинетическая энергия транспортируемого материала уменьшалась на входе в резервуар-сборник с помощью предохранительных устройств, предотвращающих повреждения и износ.
Однако, пока вышеуказанные меры по уменьшению шума недостаточно эффективны, и существенного снижения дискомфорта, возникающего у пассажиров, не происходит.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Имеется потребность в снижении уровня шума, создаваемого в пневматических системах, используемых для транспортировки материалов.
В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предлагается система адаптации режима транспортировки материала. Система содержит по меньшей мере один первый резервуар, который может быть подсоединен к источнику первого давления; по меньшей мере один второй резервуар, который может быть подсоединен к источнику второго давления; и соединительную линию для транспортировки материала из первого резервуара (или из первых резервуаров) во второй резервуар (или во вторые резервуары). Кроме того, система содержит редуктор давления, с помощью которого может регулироваться разница между давлением в первом резервуаре (или в первых резервуарах) и давлением во втором резервуаре (или во вторых резервуарах).
В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается способ адаптации режима транспортировки материала. В этом способе по меньшей мере один первый резервуар подсоединяют к источнику первого давления, по меньшей мере один второй резервуар подсоединяют к источнику второго давления, и материал транспортируют из первого резервуара (или из первых резервуаров) во второй резервуар (или во вторые резервуары). Кроме того, система содержит редуктор давления, с помощью которого может регулироваться разница между давлением в первом резервуаре (или в первых резервуарах) и давлением во втором резервуаре (или во вторых резервуарах).
В соответствии с еще одним аспектом изобретения предлагается средство передвижения с вышеописанной системой.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения вышеописанная система адаптации режима транспортировки материала применяется на летательном аппарате.
При использовании настоящего изобретения уровень шума при транспортировке материала может быть уменьшен до такого уровня, что пользователи, например пассажиры летательного аппарата, практически его не почувствуют. С помощью системы и способа в соответствии с изобретением, уменьшение уровня шума, в частности на летательном аппарате, осуществляется эффективно с экономической точки зрения, и при этом вес увеличивается незначительно. Кроме того, благодаря адаптации разницы давлений и, соответственно, скорости транспортировки, за счет замедления текучей среды кинетическая энергия транспортируемого материала оказывает меньшее неблагоприятное воздействие на части системы. Особой задачей является обеспечение минимального веса летательного аппарата.
Для этого в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения в пневматической транспортной системе используется редуктор давления, с помощью которого заданным образом может регулироваться разница давлений в двух резервуарах, в частности она может быть уменьшена, при этом характеристики транспортировки могут быть изменены заданным образом, в частности скорость транспортировки может быть уменьшена, в результате чего уровень шума также уменьшается.
Скорость воздуха в исходной точке поступления транспортируемого материала в значительной степени зависит от положения приемного резервуара в трубопроводной системе и от давления в резервуаре-сборнике. В то же время эта скорость воздуха определяет уровень возникающего шума. Путем уменьшения разницы давлений уровень возникающего шума может быть существенно снижен.
Большая разница между давлением в кабине и давлением окружающей среды на крейсерской высоте, которая может приводить к тому, что текучая среда в известных системах перемещается с большой скоростью, может быть уменьшена таким образом, что уровень шума, возникающего в исходной точке поступления транспортируемого материала, существенно снижается.
Благодаря уменьшению скорости движения текучей среды можно эффективно предотвратить ускоренный износ частей системы, в частности стенок приемного резервуара, поскольку кинетическая энергия транспортируемого материала, ударяющегося в стенки резервуара, соответственно снижается.
Можно добиться того, что уровень шума, возникающего в исходной точке поступления транспортируемого материала, и кинетическая энергия материала снижаются путем изменения и адаптации разницы давлений в системе транспортировки.
Еще в одном варианте осуществления изобретения редуктор давления содержит по меньшей мере один вентиляционный элемент между первым резервуаром и источником второго давления. В результате обеспечивается возможность поддерживать постоянную величину разницы давлений или компенсировать избыточную разницу давлений таким образом, чтобы давление во втором резервуаре повышалось. Такой вентиляционный элемент может быть регулируемым или нерегулируемым. Кроме того, вентиляционный элемент может содержать устройства уменьшения уровня шума, например звукопоглощающие устройства, обеспечивающие снижение уровня шума в кабине в исходной точке поступления транспортируемого материала. Вентиляционный элемент может быть установлен между вторым резервуаром и источником второго давления и может управляться таким образом, что транспортируемый материал может быть возвращен со стороны источника второго давления обратно во второй резервуар.
Еще в одном варианте осуществления редуктор давления содержит между первым резервуаром и источником второго давления по меньшей мере один дросселирующий элемент, который может быть регулируемым или нерегулируемым. Дросселирующий элемент может регулировать, а именно уменьшать, скорость потока текучей среды, и может быть установлен между вентиляционным элементом и источником второго давления для уменьшения скорости потока в этой точке. В альтернативном варианте дросселирующий элемент может быть установлен между вторым резервуаром и источником второго давления для уменьшения скорости, с которой поток текучей среды выходит в окружающее пространство.
Еще в одном варианте предлагаемая в изобретении система содержит компрессор между источником второго давления и вторым резервуаром для обеспечения отрицательного давления во втором резервуаре, так что в случае высокого уровня второго давления все-таки обеспечивается разница давлений между первым и вторым резервуарами за счет того, что давление во втором резервуаре может быть уменьшено. Дополнительно к компрессору в параллельной ветви может устанавливаться регулируемый или нерегулируемый дросселирующий элемент таким образом, чтобы не влиять на работу компрессора в результате уменьшения разницы давлений, то есть без создания эффекта дросселирования.
Еще в одном варианте осуществления изобретения в соединительной линии между источником второго давления и вторым резервуаром устанавливается обратный или запорный клапан для предотвращения перетекания текучей среды из источника второго давления во второй резервуар. Обратный клапан также может устанавливаться параллельно компрессору и, кроме того, он может содержать встроенное дросселирующее устройство.
Еще в одном варианте осуществления изобретения между вторым резервуаром и источником давления устанавливается сепаратор для отделения транспортируемого материала от текучей среды. Еще в одном иллюстративном варианте осуществления изобретения первый резервуар подсоединяется к соединительной линии с помощью управляющего клапана, срабатывание которого приводит к началу транспортировки материала или к прекращению такой транспортировки.
Еще в одном варианте осуществления изобретения используются устройства уменьшения уровня шума, в частности они устанавливаются на первом резервуаре.
Еще в одном варианте осуществления изобретения во втором резервуаре устанавливается входное предохранительное устройство для уменьшения кинетической энергии транспортируемого материала при его поступлении во второй резервуар.
Еще в одном варианте осуществления изобретения редуктор давления содержит между вторым резервуаром и источником второго давления по меньшей мере один элемент, в котором совмещаются функции дросселирования и вентиляции.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения в аварийной ситуации вентиляционные устройства закрываются по существу без использования дополнительной энергии, и/или дросселирующие элементы открываются также по существу без использования дополнительной энергии.
В соответствии с еще одним вариантом предлагаемого в изобретении способа для управления вентиляционным устройством и/или дросселирующим элементом в качестве управляющего параметра используется разница давлений в первом и втором резервуарах. Управляющий параметр для управления вентиляционным устройством и/или дросселирующим элементом может задаваться в зависимости от взаимного расположения первых резервуаров и/или вторых резервуаров.
В соответствии с еще одним вариантом способа компрессор и вентиляционный элемент могут изменять и задавать давление со сдвигом во времени до начала транспортировки материала и после ее окончания.
В соответствии с одним из вариантов способа для управления и регулирования вентиляционного элемента и/или дросселирующих элементов может использоваться информация, получаемая от датчиков: например давление в кабине, давление окружающей среды, давление во втором резервуаре и уровень его заполнения, высота полета или температура. Такая информация также дает возможность проведения диагностики вакуумной системы. Например, при выполнении операции удаления отходов, в которой используется только воздух, путем измерения возникающего градиента давления, можно осуществлять сравнение требуемых значений разницы давлений с фактическими значениями, и, таким образом, могут быть быстро и надежно обнаружены любые нарушения в работе системы.
Описанная система и способ обеспечивают эффективное снижение уровня шума, связанного с транспортировкой материала, так что уровень комфорта (например, пассажиров) существенно повышается. Кинетическая энергия может оптимальным образом поддерживаться путем регулирования разницы давлений, в результате чего можно предотвратить или снизить износ системы и уровень шума, возникающего при ее работе. Кроме того, такая система имеет очень малый вес и экономична в производстве.
В соответствии с изобретением средствами перемещения могут быть, например, летательный аппарат, железнодорожный вагон, грузовик, пассажирское автотранспортное средство, жилой автоприцеп, катер, судно или дирижабль.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже описываются более подробно несколько вариантов осуществления изобретения в целях его пояснения и обеспечения лучшего понимания, при этом делаются ссылки на следующие чертежи:
фигура 1 - схематический вид вакуумной системы в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления изобретения;
фигура 2 - схематический вид вакуумной системы в соответствии с другим иллюстративным вариантом осуществления изобретения с вариантами регулирования скорости сквозного потока;
фигура 3 - график, демонстрирующий влияние вентиляции и дросселирования на скорость транспортирования и на уровень шума в исходной точке поступления транспортируемого материала в зависимости от объема воздуха в резервуаре.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фигуре 1 приведена схема вакуумной системы летательного аппарата с герметизированной кабиной.
Как показано на фигуре 1, первые резервуары 3, предназначенные для приема материала 2, который должен транспортироваться, подсоединены через управляющие клапаны 4 к соединительной линии 5, ведущей ко второму (центральному) резервуару 7. На входе во второй резервуар 7 имеется специальное входное предохранительное устройство 6, которое среди прочего предназначено для снижения кинетической энергии транспортируемого материала 2 с целью предохранения второго резервуара 7. С помощью другой соединительной линии И резервуар-сборник 7 соединяется через сепаратор 10, который содержит резервуар для возврата транспортируемого материала, и через компрессор 12 с источником 14 второго давления, в качестве которого используется среда, окружающая летательный аппарат. Параллельно компрессору 12 установлен обратный клапан 13.
Если разница давлений между источником первого давления (давление в исходной точке 3 поступления материала, который необходимо транспортировать, например давление в кабине) и источником второго давления, а именно разница между давлением в кабине и давлением окружающей среды 14, недостаточна, то система работает с использованием компрессора 12 (рабочий режим I). При таком устройстве компрессор 12 включается самое позднее в тот момент, когда требуется выполнить операцию удаления отходов. В течение нескольких секунд перед открытием управляющего клапана 4 во втором резервуаре 7 уже создается отрицательное давление. Таким образом, как только открывается клапан 4 удаления отходов, начинается транспортировка материала 2 в резервуар-сборник. Компрессор 12 продолжает работать по меньшей мере до тех пор, пока управляющий клапан 4 не закроется снова, и, таким образом, в резервуаре 7 поддерживается отрицательное давление для обеспечения непрерывной транспортировки материала. Сепаратор 10 предотвращает вынос материала 2 из резервуара-сборника 7 и, таким образом, защищает компрессор 12 и окружающую среду 14 от загрязнения. В этом рабочем режиме обратный клапан 13 остается закрытым.
В альтернативном рабочем режиме II с достаточной разницей между давлением в кабине 1 и давлением окружающей среды 14 компрессор 12 остается выключенным. Когда управляющие клапаны 4 закрыты, в резервуаре 7 устанавливается низкое давление окружающей среды 14 за бортом летательного аппарата. Если клапаны 4 удаления отходов открыты, то в резервуаре 7 поддерживается отрицательное давление, так что воздух протекает через обратный клапан 13.
Таким образом, компрессоры 12 большей частью предназначены для обеспечения необходимого режима транспортировки, когда летательный аппарат находится на земле. Обратный клапан может быть полностью открыт уже при самой небольшой разнице давлений, и воздушный поток проходит через него с минимальным падением давления. Далее по потоку за сепаратором 10 устанавливается нерегулируемое дросселирующее устройство 15 для обеспечения простой адаптации режима транспортировки. Однако, вообще говоря, такое положение дросселирующего устройства не может считаться оптимальным для всех применений, поскольку часть разницы давления, созданной с большими затратами, теряется при работе компрессора 12.
На фигуре 2 показана схема другой системы уменьшения шума в исходных точках поступления материала 2, который должен транспортироваться, в которой осуществляется ограничение действующей разницы давлений до величины, которая необходима для выполнения операции удаления отходов, предпочтительно в рабочем режиме II.
Для надежной работы такая конструкция должна обеспечивать необходимые характеристики без использования компрессора. При этом обеспечиваются достаточные возможности по снижению шума на крейсерской высоте полета, на которой обычно возникает достаточная разница давлений. Это справедливо в большинстве случаев для большей части вакуумных систем, используемых на летательных аппаратах.
Существенно, что объем воздуха 9 в резервуаре-сборнике 7 таков, что при выполнении операции удаления отходов во втором контейнере 7 возникает неустановившийся градиент давления. Таким образом, большую часть времени давление в резервуаре-сборнике 7 повышается до тех пор, пока не будет достигнуто устойчивое состояние. Это повышение давления определяется падением давления между объемом 9 и окружающей средой 14 в установившемся режиме. Разница между давлением в кабине 1 и давлением в резервуаре-сборнике 7 приводит к возникновению соответствующего временного градиента входной скорости воздушного потока и, соответственно, уровня шума, возникающего в первом резервуаре 3.
Для того чтобы ограничить уровень возникающего шума, необходимо обеспечить практически постоянную разницу давлений между кабиной 1 и резервуаром-сборником 7. Вообще говоря, дополнительные вентиляционные клапаны 16a-16d (см. фигуру 2) могут выполнять эту задачу до начала операции удаления отходов, в процессе ее выполнения и после выполнения этой операции. Однако это может быть связано с высокими скоростями или большими объемными расходами между соединительными линиями 5 или 11 или резервуаром 7 и вентиляционными клапанами 16a-16d. Это может быть компенсировано за счет использования регулируемого дроссельного клапана 17а или 17а, расположенного ниже по потоку за вентиляционными клапанами 16a-16d. Если дроссельный клапан 15, 17 используется автономно, то его действие ограничивается продолжительностью выполнения операции удаления отходов.
Чем больше объем воздуха 9 в резервуаре, тем сильнее влияет начальное давление в резервуаре на процесс удаления отходов. В этом случае стационарный режим устанавливается в течение сравнительно продолжительного времени после открытия клапана 4 (см. фигуру 3). Таким образом, в данном случае вентиляция имеет решающее значение.
В тех случаях, когда используется резервуар 7 небольших размеров, объем воздуха 9 имеет малую величину. Таким образом, можно отказаться от вентиляционных клапанов 16a-16d. В случае небольшого количества приемных резервуаров 3, установленных примерно на одинаковых расстояниях от резервуара 7, также можно использовать нерегулируемый дросселирующий элемент, например, в позиции 15b. В этом положении дросселирующего элемента снижение давления не оказывает влияния на работу компрессора 12. Снижение характеристик транспортировки материала 2 на малых высотах полета, то есть при малых разницах давлений, без использования компрессора 12 также может быть скомпенсировано увеличением времени работы компрессора, если такая необходимость возникает. Кроме того, использование системы в этой пограничной области не представляет типичного случая применения.
В принципе, управляющий клапан 16 может быть установлен в позициях 16а-16d. Сразу же после запроса на выполнение операции удаления отходов указанный управляющий клапан 16 устанавливает в резервуаре необходимое давление перед тем, как будет открыт клапан 4 удаления отходов. Эту процедуру можно рассматривать как противоположность стадии откачивания воздуха при работе компрессора 12. Затем, например, дроссельный клапан в позиции 17а или 17b поддерживает постоянное давление в резервуаре при выполнении операции удаления отходов.
Так как падение давления между кабиной 1 и объемом 9 зависит от длины соединительной линии 5 и градиента давления в ней, то разница давлений, которую необходимо устанавливать, зависит от места расположения первого резервуара 3. Таким образом, различные режимы транспортировки для приемных резервуаров 3, находящихся на разных расстояниях от резервуара-сборника 7, что является типичным случаем, могут быть приведены к одинаковым режимам.
В случае неисправности вентиляционный клапан 16 должен быть полностью закрыт, в то время как регулируемый дроссельный клапан 17 должен быть полностью открыт, причем их срабатывание осуществляется без потребления вспомогательной энергии. Таким образом, система остается работоспособной.
Также представляет интерес сочетание функций вентиляции и дросселирования элемента в позициях 16d и 17а.
Что касается возможности управления, то в системах летательного аппарата уже имеется доступ к необходимой информации, такой как, например, давление в кабине, давление окружающей среды и уровень заполнения резервуара-сборника (для определения объема воздуха в резервуаре). Кроме того, определение уровня заполнения, основанное на измерениях двух датчиков абсолютного давления, непосредственно обеспечивает информацию о давлении в резервуаре 7. Таким образом, использование дополнительных датчиков может быть минимизировано за счет использования необходимых соединений в системе.
На основании величин отклонений регулируемого параметра для операции удаления отходов, в которой используется только воздух, можно получить информацию о возможном засорении трубопроводов на участках 1-9 и 9-14. Функция диагностики может быть также реализована и в известных вакуумных системах.