БОРТОВАЯ СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ИНЕРТНОГО ГАЗА
ON-BOARD INERT GAS GENERATION SYSTEM

Настоящее изобретение относится к устройству и способу формирования инертного газа на борту летательного аппарата, способствующему инертированию топливных баков и других областей на борту летательного аппарата.
В настоящем описании применяется общепринятая терминология, в которой термин «формирование инертного газа» означает формирование атмосферы, обедненной кислородом или «атмосферы, обогащенной азотом» (АОА). Хорошо известно применение одного или более фильтров или «воздухоразделительных модулей» (ВРМ), которые разделяют подачу поступающего воздуха на часть, обогащенную азотом (АОА) и часть, обогащенную кислородом (АОК).
Известные системы инертирования топливных баков, которые содержат центробежные компрессоры для наддува атмосферы в салоне, обычно требуют наличия теплообменников, работающих после сжатия, чтобы снизить температуру сжатого воздуха до 71°С (160°F) для его подачи на воздухоразделительный модуль. Эта схема требует применения системы охлаждения набегающим потоком воздуха, содержащей воздухозаборник NACA, систему труб, вентилятор, клапан регулирования температуры, теплообменник и выпуск для сброса охлаждающего воздуха. Архитектура типичной системы инертирования топливных баков, в которой в качестве источника воздуха используется воздух из салона, показана на фиг. 1 сопровождающих чертежей. На фиг. 1 показан двухступенчатый компрессор, содержащий два компрессора с промежуточным охладителем, и теплообменник после сжатия, который охлаждает воздух, подаваемый в воздухоразделительный модуль, до температуры ниже около 71°С. И промежуточный охладитель, и теплообменник обычно требуют контура охлаждения с набегающим потоком воздуха, который содержит воздухозаборник NACA, трубы, датчик температуры и выпуск для сброса охлаждающего воздуха. Вес оборудования и объем, необходимый для его размещения, наряду с многочисленными отверстиями в корпусе налагают жесткие ограничения на конструктора летательного аппарата. Кроме того, эти факторы, указанные выше, препятствуют установке такого оборудования на существующие летательные аппараты.
Технология ВРМ появилась в результате перепроектирования путей потоков поступающего воздуха и фракции АОА и применения выдерживающих высокую температуру волокон и смол для компонентов, составляющих воздухоразделительный модуль, поэтому появились воздухоразделительные модули, способные фильтровать воздух с температурой на входе до около 150°С (300°F).
Авторы изобретения обнаружили, что можно создать существенно более простую систему для формирования инертного газа, которая принимает воздух из салона, сжимает его одноступенчатым компрессором и затем подает на ВРМ без необходимости второй ступени компрессора, промежуточного охладителя и теплообменника после сжатия и их соответствующих контуров охлаждения, которые применяются в известных установках. Таким образом, система работает при более высокой температуре, но при более низком давлении, чем системы, которые использовались ранее. Более высокая рабочая температура повышает производительность воздухоразделительного модуля, что компенсирует пониженное давление таким образом, что существующая производительность разделения воздуха сохраняется.
Соответственно, согласно одному аспекту настоящее изобретение предусматривает бортовую систему формирования инертного газа для летательного аппарата, содержащую компрессор, выполненный с возможностью приема отработанного воздуха из салона и подачи его в воздухоразделительный модуль для разделения воздуха на фракцию, обогащенную азотом, и фракцию, обогащенную кислородом, при этом сжатый воздух поступает из компрессора в воздухоразделительный модуль непосредственно, без активного охлаждения.
Термин «без активного охлаждения» используется в значении, что поток после компрессора на воздухоразделительный модуль не проходит через теплообменник, требующий наличия второго, охлаждающего потока от внешнего источника. Однако это не исключает возможности охлаждения самого компрессора, например, с помощью охлаждающих ребер, внешнего пропускания охлаждающей текучей среды, например еще одной части воздуха из салона, или сочетания этих средств.
В такой конструкции компрессор второй ступени, промежуточный охладитель и теплообменник, установленный после второй ступени, больше не нужны. Это значит, что система формирования инертного газа не требует набегающего потока воздуха, поступающего на промежуточный охладитель или охладитель, установленный после компрессора, поэтому необходимость в многочисленных проходах сквозь корпус, соответствующих впусках и выпусках, и трубопроводах отпадает и конструкция становится пригодной для установки на существующие летательные аппараты.
Компрессор может приводиться в действие любым подходящим двигателем, например электродвигателем, питание на который подается от электрической системы летательного аппарата, или посредством турбины или приводного вала.
Предпочтительно компрессор работает с коэффициентом сжатия в диапазоне 1,5-3,5 и в идеальном случае около 2,5, чтобы температура на выпуске не превышала максимальную рабочую температуру воздухоразделительного модуля.
Предпочтительно при эксплуатации компрессор подает сжатый воздух на ВРМ при температуре более 80°С и до 150°С (300°F).
Один вариант может содержать контроллер, реагирующий на изменение температуры отработанного воздуха салона для регулирования по меньшей мере одного из рабочей частоты вращения и коэффициента сжатия компрессора для поддержания заданной температуры сжатого воздуха, подаваемого на воздухоразделительный модуль. Этот вариант может содержать датчик температуры для отслеживания температуры отработанного воздуха из салона и контроллер, реагирующий на данные датчика температуры для управления по меньшей мере одним из рабочей частоты вращения и/или коэффициента сжатия компрессора для поддержания заданной температуры сжатого воздуха, подаваемого от компрессора на воздухоразделительный модуль.
Бортовая система формирования инертного газа может включать в себя средство для охлаждения фракции обогащенного азотом воздуха; это средство может содержать теплообменник, охлаждаемый подходящим хладоносителем, который может содержать, например, авиационное топливо или воздух из салона.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение предусматривает бортовую систему формирования инертного газа для применения на борту летательного аппарата, содержащую компрессор, выполненный с возможностью приема отработанного воздуха из салона и подачи сжатого воздуха на воздухоразделительный модуль, и контроллер, реагирующий на температуру отработанного воздуха из салона для регулирования по меньшей мере одного из рабочей частоты вращения и коэффициента сжатия компрессора для поддержания заданной температуры сжатого воздуха, подаваемого на воздухоразделительный модуль.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение предусматривает способ формирования инертного газа на борту, который содержит этапы, на которых подают воздух из салона на одноступенчатый компрессор, пропускают сжатый воздух от компрессора на воздухоразделительный модуль, и получают из воздухоразделительного модуля обогащенную азотом фракцию упомянутого сжатого воздуха без активного охлаждения сжатого воздуха между компрессором и воздухоразделительным модулем.
Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение предлагает способ для бортовой системы формирования инертного газа на борту летательного аппарата, который содержит этапы, на которых подают на компрессор отработанный воздух из салона, подают сжатый воздух от компрессора на воздухоразделительный модуль, и управляют компрессором для поддержания заданной температуры сжатого воздуха, подаваемого на воздухоразделительный модуль.
Вышеописанное изобретение распространяется на любой признак или сочетание признаков, указанных в нижеследующем описании или формуле изобретения.
Далее следует описание примера настоящего изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 - блок-схема конструкции системы инертирования топливного бака летательного аппарата из уровня техники, и
Фиг. 2 - блок-схема системы инертирования топливного бака летательного аппарата по настоящему изобретению.
Как показано на фиг. 2, профильтрованный отработанный воздух из салона подается из салона летательного аппарата на одноступенчатый компрессор 10. Температура воздуха, поступающего из салона в этот одноступенчатый компрессор, обычно составляет до 24°С и компрессор может работать при коэффициенте сжатия 2,5 с изоэнтропической эффективностью 70%. Температура сжатого воздуха, который этот одноступенчатый компрессор подает в воздухоразделительный модуль (ВРМ) 12 составляет до 150°С. Фракция обогащенного азотом воздуха из ВРМ 12 поступает через регулирующий клапан 14 в топливный бак 16 летательного аппарата. Если нужно, фракция обогащенного азотом воздуха из воздухоразделительного модуля может охлаждаться соответствующим средством, схематически обозначенным позицией 18. Например, она может охлаждаться авиационным топливом с помощью подходящего теплообменника. Теплота, перенесенная из обогащенного азотом воздуха в авиационное топливо, может быть с пользой использована для предварительного подогрева топлива на выходе из бака при движении к двигателю летательного аппарата. Это может улучшить характеристики двигателя и, кроме того, выполнять противообледенительную функцию.
В другой конструкции обогащенный азотом воздух можно охлаждать подходящим теплообменником, расположенным вне топливного бака, с соответствующим хладоносителем, например воздухом из салона.
Компрессор 10 также может содержать внутреннюю систему охлаждения, схематически показанную позицией 8.
На впуске компрессора установлен датчик 20 температуры, передающий сигнал температуры на контроллер 22, который регулирует частоту вращения двигателя 24, приводящего в действие компрессор, для поддержания температуры текучей среды, выходящей из компрессора, на постоянном уровне, обычно 150°С. При работе, если температура воздуха из салона, поступающего в компрессор, меняется частота вращения компрессора и, следовательно, коэффициент сжатия регулируется компрессором так, чтобы поддерживать по существу постоянную температуру текучей среды, поступающей на ВРМ 12. Понятно, что можно применять альтернативную систему для измерения температуры на выпуске компрессора и для соответствующего регулирования частоты вращения двигателя, приводящего в действие компрессор.
В вышеописанном варианте компрессор может быть центробежным компрессором, роторным поршневым компрессором или любым другим подходящим компрессором.
Описанные варианты позволяют существенно снизить себестоимость системы, вес и требуемое пространство, а также повышают эффективность, надежность и доступность системы.