СИСТЕМА ГЕНЕРАЦИИ ИНЕРТНОГО ГАЗА И СИСТЕМА ИНЕРТИРОВАНИЯ ДЛЯ ТОПЛИВНОГО БАКА ВОЗДУШНОГО СУДНА, В КОТОРОЙ ПРИМЕНЯЕТСЯ УКАЗАННАЯ СИСТЕМА ГЕНЕРАЦИИ ИНЕРТНОГО ГАЗА
INERT GAS GENERATION SYSTEM AND INERTING SYSTEM FOR AIRCRAFT FUEL TANK, IN WHICH SAID INERT GAS GENERATION SYSTEM IS USED

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области систем генерации инертного газа, в частности применяемым в системах инертирования по меньшей мере для одного топливного бака воздушного судна, такого как самолет, вертолет или т. п.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В области воздухоплавания хорошо известно применение систем инертирования для генерации инертного газа, такого как азот или любой другой инертный газ, такой как диоксид углерода, и для введения указанного инертного газа в топливные баки в целях безопасности для снижения риска взрыва указанных баков.
Традиционная система инертирования известного уровня техники обычно содержит бортовую систему генерации инертного газа (OBIGGS), в которую подается воздух, например отбираемый воздух, отводимый от по меньшей мере одного двигателя. Отбираемый воздух, отводимый от по меньшей мере одного двигателя, сегодня является наиболее широко применяемой моделью. В такой системе отбираемый воздух обычно направляется от одного или нескольких двигателей из отверстия, именуемого каналом «среднего давления», и/или отверстия, именуемого каналом «высокого давления», в зависимости от полетной ситуации. Следует отметить, что применение отбираемого воздуха для кондиционирования воздуха является предпочтительным, поскольку отбираемый воздух имеет относительно высокое давление, а также относительно высокую температуру, так что воздух можно регулировать в широком диапазоне требуемых параметров давлений и температур. Система OBIGGS соединена с топливным баком воздушного судна и выделяет кислород из воздуха.
OBIGGS обычно содержит модуль разделения воздуха, или несколько модулей, расположенных параллельно, содержащих, например, цеолитовые мембраны, через которые нагнетается поток воздуха. Из-за разных коэффициентов массообмена азота и кислорода система разделяет поток воздуха таким образом, что получаются поток воздуха с высоким содержанием азота и поток воздуха с высоким содержанием кислорода. Насыщенная азотом часть воздуха, которую полагают инертным газом, направляется в топливные баки, так что присутствующая в этом месте смесь воздуха и паров керосина вытесняется и выходит из баков. Насыщенная кислородом часть воздуха может быть вновь подана в пассажирский салон после обработки подходящими средствами и/или в камеры сгорания реактивных двигателей для улучшения сгорания. Устройства, требуемые для этого процесса, такие как компрессоры, фильтры и модули воздушного или водяного охлаждения, или им подобные, встроены в систему инертирования.
Когда соотношение топлива и кислорода в пустой части бака меньше предела воспламеняемости, определенного в соответствии с требованиями Федерального управления гражданской авиации (FAA), подробно изложенными в документе AC25.981-2A от 19 сентября 2008 г., озаглавленном «FUEL TANK FLAMMABILITY REDUCTION MEANS» («СРЕДСТВА УМЕНЬШЕНИЯ ПОЖАРООПАСНОСТИ ТОПЛИВНЫХ БАКОВ») и в дополнениях к нему, не может произойти какого-либо самовоспламенения. Согласно вышеприведенному, инертирование топливного бака, в частности, заключается в нагнетании инертного газа для поддержания уровня кислорода, присутствующего в указанном баке, ниже определенного порога, например 12%.
Системы генерации инертного газа известного уровня техники содержат по меньшей мере два модуля разделения воздуха, расположенных параллельно для генерации и доставки насыщенного азотом газа необходимой чистоты, в плане концентрации остаточного кислорода, и с необходимой скоростью потока.
Система инертирования предпочтительно содержит клапан регулирования потока, установленный ниже по потоку относительно модулей разделения воздуха, с целью модулирования характера потока, направляемого к бакам, в соответствии с фазой полета воздушного судна.
Модулирование низкой скорости потока, например, от 0,45 до 0,90 кг/мин, позволяет генерировать инертный газ очень высокого качества, в частности, содержащий приблизительно 3% кислорода. Такой режим слабого потока, как правило, применяют при стабильных фазах полета воздушного судна, например, во время наземной фазы или фазы крейсерского полета, требующих относительно низких скоростей потока инертного газа.
В режиме снижения система инертирования обычно использует режим высокой скорости потока, например, от 0,68 до 1,36 кг/мин, при котором скорость потока инертного газа, подаваемого в баки, высока, но качество и уровни чистоты ниже, в частности, приблизительно 13% кислорода.
Основной недостаток систем генерации инертного газа известного уровня техники, - это их размер. Фактически расположение модулей разделения воздуха приводит к тому, что система генерации имеет слишком большой размер, например, в плане количества модулей и фильтрующих компонентов, относительно реальной потребности фазы полета, что, в свою очередь, приводит к излишнему потреблению керосина и увеличению веса воздушного судна.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, одной из целей настоящего изобретения является устранение этих недостатков путем предоставления системы генерации инертного газа, позволяющей генерировать инертный газ высокого качества, в частности, в отношении чистоты и низкого содержания кислорода.
Еще одна цель настоящего изобретения заключается в предоставлении системы генерации инертного газа, которая может быть настроена в соответствии с потребностями и фазой полета воздушного судна.
С этой целью и согласно настоящему изобретению была разработана система генерации инертного газа из потока воздуха, в частности, для системы инертирования для по меньшей мере одного топливного бака воздушного судна, отличающаяся тем, что она содержит воздушный контур, содержащий впускной канал для воздуха, выпускной канал для инертного газа и первый и второй модули разделения воздуха, расположенные последовательно в указанном воздушном контуре для сокращения содержания кислорода в воздухе и генерации насыщенного азотом инертного газа.
Модули разделения воздуха расположены последовательно, так что они позволяют генерировать инертный газ очень высокой чистоты, т. e., с очень низким содержанием кислорода, в частности приблизительно 3%. Кроме того, могут быть разработаны модули разделения меньших размеров для достижения производительности, подобной производительности системы с модулями разделения большего размера и расположенных параллельно. Таким образом облегчается интегрирование системы генерации инертного газа в систему инертирования воздушного судна.
В особенно предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения воздушный контур содержит направляющие устройства для направления части воздушного потока выше по потоку относительно первого модуля непосредственно во второй модуль и направляющие устройства для направления всего воздушного потока ниже по потоку относительно первого модуля непосредственно в выпускной канал для инертного газа.
Следовательно можно изменять расположение модулей разделения воздуха с последовательного на параллельное для соответствия фазе полета и существующим требованиям к количеству и качеству инертного газа.
Настоящее изобретение позволяет модулировать поток инертного газа альтернативно обычно используемой модуляции сильного потока/слабого потока, посредством способа, применяющего последовательно или параллельно соединенные модули разделения воздуха.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет уменьшить размер фильтрующего оборудования, такого как озоновый фильтр и пылепоглощающий фильтр, и использовать модули разделения воздуха при относительно постоянной скорости потока, что в частности имеет преимущества в отношении терморегуляции системы. Система подготовки воздуха системы инертирования также может быть уменьшена в размерах.
Особый интерес для настоящего изобретения представляют крупные системы инертирования, содержащие более двух модулей разделения воздуха.
В конкретном варианте осуществления система генерации содержит первый клапан и второй клапан, расположенные в воздушном контуре между первым модулем и вторым модулем, при этом первый клапан соединен с выпускным каналом для газа первым перепускным контуром, а второй клапан соединен с воздушным контуром выше по потоку относительно первого модуля вторым перепускным контуром. Применяемые клапаны могут быть клапанами регулирования расхода или клапанами регулирования давления.
Модули разделения воздуха могут быть любого типа. Первый и второй модули разделения воздуха предпочтительно содержат цеолитовые мембраны с размерами, которые могут отличаться от модуля к модулю.
Настоящее изобретение также относится к системе инертирования для по меньшей мере одного топливного бака воздушного судна. Как известно из существующего уровня техники, система содержит по меньшей мере одну систему генерации инертного газа, снабжаемую отбираемым воздухом, отводимым от по меньшей мере одного двигателя, и/или воздухом из пассажирского салона, и/или воздухом из пространства снаружи воздушного судна, через систему подготовки воздуха, использующую компрессор, и распределительное средство для подачи инертного газа в топливный бак(и), соединенное с системой генерации инертного газа.
Согласно настоящему изобретению система инертирования отличается тем, что система генерации инертного газа соответствует вышеуказанным признакам.
Таким образом, когда баки воздушного судна требуют высокой скорости потока инертного газа, в частности во время фазы снижения воздушного судна, настоящее изобретение позволяет установку модулей разделения воздуха в последовательное расположение, так что инертный газ имеет более высокое качество.
Напротив, когда бакам требуется низкая скорость потока инертного газа, инертный газ с низкой скоростью потока уже имеет более высокое качество, так что модули разделения воздуха могут использоваться по необходимости последовательно или параллельно.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Дополнительные преимущества и признаки будут более понятны из следующего описания, приведенного посредством неограничивающего примера системы генерации инертного газа согласно настоящему изобретению, со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых:
- на фиг. 1 представлен схематический вид системы генерации инертного газа согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 2 представлен схематический вид системы инертирования согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 3 представлен схематический вид, подобный виду на фиг. 1, показывающий последовательное расположение модулей разделения воздуха;
- на фиг. 4 представлен схематический вид, подобный виду на фиг. 1, показывающий параллельное расположение модулей разделения воздуха.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно фиг. 1, настоящее изобретение относится к системе (1) генерации инертного газа, содержащей воздушный контур (2) для сокращения содержания кислорода с целью генерации насыщенного азотом инертного газа.
Согласно фиг. 2, система (1) генерации в частности предназначена для использования в системе (11) инертирования для по меньшей мере одного топливного бака (12) воздушного судна. С этой целью система (1) генерации инертного газа содержит впускной канал (3) для воздуха, снабжаемый отбираемым воздухом, отводимым по меньшей мере от одного двигателя и/или воздухом из пассажирского салона, и/или воздухом из пространства снаружи воздушного судна через систему (14) подготовки воздуха, использующую компрессор, и выпускной канал (4) для инертного газа, соединенный с распределительным средством (13) для подачи инертного газа в топливный бак(и) (12). Система (1) генерации также содержит выпускной канал (15) для насыщенного кислородом газа.
Система (11) инертирования позволяет генерировать инертный газ и подавать в указанный баки(и) (12) воздушного судна в целях безопасности для снижения риска взрыва указанных баков. Нагнетаемый инертный газ предназначен для придания топливному баку(-ам) (12) инертности, т. e. позволяет снижать уровень кислорода, присутствующего внутри указанного бака(-ов), и, в частности, поддерживать этот уровень ниже определенного порогового значения, предпочтительно ниже 12%.
Согласно фиг 1, система (1) генерации инертного газа содержит по меньшей мере два модуля (5, 6) разделения воздуха, содержащих, например, цеолитовые мембраны, через которые нагнетается воздух, так чтобы получать инертный газ с высоким содержанием азота и инертный газ с высоким содержанием кислорода.
Согласно настоящему изобретению воздушный контур (2) системы (1) генерации инертного газа позволяет соединить вместе два модуля (5, 6) разделения воздуха и содержит приспособления для выборочного направления, выше по потоку относительно первого модуля (5), части воздушного потока непосредственно к впускному отверстию второго модуля (6) и приспособления для выборочного направления, ниже по потоку относительно первого модуля (5), всего воздушного потока непосредственно к выпускному каналу (4) для инертного газа.
С этой целью воздушный контур (2) содержит два клапана (7, 8), расположенных между первым и вторым модулями (5, 6) разделения воздуха. Первый клапан (7) соединен непосредственно с выпускным каналом (4) для газа через первый перепускной контур (9), а второй клапан (8) соединен с воздушным контуром (2) выше по потоку относительно первого модуля (5) разделения воздуха через второй перепускной контур (10).
Таким образом, настоящее изобретение позволяет изменять расположение модулей (5, 6) разделения воздуха с последовательного на параллельное.
Когда топливные баки воздушного судна требуют высокой скорости потока инертного газа, в частности во время нестабильной фазы полета воздушного судна, такой как фаза снижения, расположение модулей (5, 6) разделения воздуха изменяют на последовательное путем активации клапанов (7, 8) для получения высокой скорости потока инертного газа, при этом обеспечивая высокое качество указанного инертного газа и низкое содержание в нем кислорода, приблизительно 3%.
С этой целью и со ссылкой на фиг. 3, клапаны (7, 8) переключают в последовательное регулировочное положение, при котором воздушный поток, циркулирующий внутри воздушного контура (2), проходит через первый модуль (5) разделения воздуха, проходит через первый и второй клапаны (7, 8), проходит через второй модуль (6) разделения воздуха и выходит через выпускной канал (4) для инертного газа для распределения и нагнетания в баки.
Последовательное расположение модулей (5, 6) разделения воздуха также возможно во время крейсерской фазы полета воздушного судна для предоставления возможности оптимизации размеров фильтрующих компонентов системы (1) генерации инертного газа.
Альтернативно, когда бакам требуется низкая скорость потока инертного газа, и в зависимости от потребностей или фазы полета, модули (5, 6) разделения воздуха могут быть приведены в параллельное расположение посредством активации двух клапанов (7, 8).
С этой целью и со ссылкой на фиг. 4, клапаны (7, 8) переключают в параллельное регулировочное положение, при котором из впускного канала (3) для воздуха:
-  первая часть воздушного потока, циркулирующего в воздушном контуре (2), проходит через первый модуль (5) разделения воздуха к первому клапану (7), который затем направляет первую часть воздушного потока в первом перепускном контуре (9) и непосредственно в выпускной канал (4) для инертного газа без прохождения через второй модуль (6) разделения;
-  вторая часть воздушного потока направляется вторым клапаном (8) во втором перепускном контуре (10) и непосредственно на впускное отверстие второго модуля (6) разделения, без прохождения через первый модуль (5) разделения, и проходит через указанный второй модуль (6) в выпускной канал (4) для инертного газа.
Согласно настоящему изобретению инертные газы одинаковой чистоты могут быть получены с разными скоростями потока в зависимости от последовательного или параллельного расположения модулей (5, 6) разделения воздуха. Это особенно предпочтительно, когда требуется генерация инертного газа неизменных качества и чистоты и с разными скоростями потока.
Изобретение особенно предпочтительно, когда применяемые клапаны (7, 8) являются клапанами регулирования давления или клапанами регулирования расхода.
Конечно, без выхода за рамки объема настоящего изобретения возможны и другие варианты осуществления с системой (1) генерации, содержащей более двух модулей (5, 6) разделения воздуха для генерации инертного газа с частотой, соответствующей требованиям, в частности, например, в контексте приложений замкнутого контура управления. Ключевыми аспектами настоящего изобретения являются предоставление системы (1) генерации инертного газа с модулями (5, 6) разделения воздуха, расположенными последовательно, и возможность предпочтительно переводить, когда необходимо, указанные модули (5, 6) разделения воздуха в параллельное расположение. Альтернативно, с более чем двумя модулями (5, 6) разделения воздуха, возможны другие расположения: с последовательным и параллельным расположением модулей (5, 6) разделения воздуха, и расположение только с последовательным расположением модулей (5, 6) разделения воздуха. Дополнительно, для лучшего соответствия требованиям к количеству и качеству инертного газа, размер цеолитовых мембран первого модуля (5) может отличаться от размера таковых у второго модуля (6).
Система (1) генерации инертного газа согласно настоящему изобретению также может быть использована на выпускном канале (15) системы (1) генерации для извлечения остаточного азота из указанного насыщенного кислородом газа и улучшения продуктивности указанной системы.
Аналогично, поскольку система (1) генерации инертного газа также генерирует насыщенный кислородом газ, настоящее изобретение может применяться для генерирования насыщенного кислородом газа посредством модулей разделения воздуха, выборочно расположенных последовательно или параллельно.