СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОТНОШЕНИЕМ ЧИСТОТА/РАСХОД ИНЕРТНОГО ГАЗА, НАГНЕТАЕМОГО В ТОПЛИВНЫЙ БАК, А ТАКЖЕ СИСТЕМА ИНЕРТИРОВАНИЯ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
METHOD OF CONTROLLING PURITY/CONSUMPTION RATIO OF INERT GAS FED INTO FUEL TANK, AS WELL AS INERTING SYSTEM FOR IMPLEMENTATION OF METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу управления системой инертирования топливного бака воздушного судна, такой как на самолете, вертолете или подобном, а также к двум вариантам осуществления системы инертного газа для осуществления указанного способа.
Уровень техники
В области воздухоплавания системы инертирования известны своим использованием для генерирования инертного газа, такого как азот или любого другого инертного газа, такого как двуокись углерода, и для введения указанного инертного газа в топливные баки из соображений безопасности, то есть, чтобы уменьшить риск воспламенения в указанных баках.
Стандартная система инертирования из известного уровня техники, как правило, содержит бортовую систему генерации инертного газа (OBIGGS), снабжаемую сжатым воздухом, например, сжатым воздухом, отбираемым из по меньшей мере одного двигателя с использованием так называемой ступени промежуточного давления и/или так называемой ступени высокого давления в зависимости от полетной ситуации. Следует отметить, что использование сжатого воздуха из двигателя является предпочтительным, поскольку он имеет относительно высокое давление и температуру, таким образом, воздух можно приспособить к широкому диапазону требуемых установок давления и температуры. OBIGGS соединена с топливным баком воздушного судна и выделяет кислород из воздуха.
OBIGGS состоит по меньшей мере из одного модуля разделения воздуха, содержащего, например, проницаемые мембраны, такие как полимерные мембраны, пересекаемые потоком воздуха. По причине различной проницаемости мембраны по отношению к азоту и кислороду, система разделяет поток воздуха таким образом, что получаются поток воздуха с высоким содержанием азота и поток воздуха с высоким содержанием кислорода. Объем воздуха с высоким содержанием азота, считаемого инертным газом, направляется в топливные баки таким образом, чтобы уровень кислорода, присутствующий в свободном объеме бака, уменьшался. Устройства, требуемые для этого процесса, такие как компрессоры, фильтры и модули воздушного или водяного охлаждения или им подобные, встроены в систему инертирования.
Если показатель уровня кислорода в пустой части бака находится ниже предела воспламеняемости, определенного согласно требованиям Федерального управления гражданской авиации (FAA), подробно изложенным в документе AC25,981-2A, датированном 19 сентября 2008 г. и озаглавленном «FUEL TANK FLAMMABILITY REDUCTION MEANS», и в его приложениях, или в соответствии с требованиями Европейского агентства по авиационной безопасности (EASA), изложенным в документе, AMC25,981, воспламенение и риски возникновения возгорания очень низки или даже равны нулю. Из вышеизложенного следует, что инертирование топливного бака состоит из процесса нагнетания инертного газа в бак для поддержания уровня кислорода, присутствующего в указанном баке ниже определенного порогового значения, например, 12%.
Известна система инертирования, которая изготовлена в соответствии с правилами определения параметров, например, установленных документом AC25,981-2A или документом AMC25,981. Расход нагнетаемого инертного газа, таким образом, определяется с постоянными интервалами, как функция значений параметров сертифицированного стандартного профиля полета. Сертифицированный стандартный профиль полета соответствует профилю полета, наиболее часто выбираемому воздушным судном. Например, такими параметрами могут быть свободный объем топливного бака и/или скорость снижения, и/или подъема, и/или высота воздушного судна над уровнем моря. Сертифицированный стандартный профиль полета рекомендует, для значений параметров в любой заданный момент, нагнетание инертного газа с определенным расходом, содержащего определенную концентрацию кислорода, для соответствия действующим нормам.
Также известна система инертирования, предназначенная для нагнетания инертного газа по меньшей мере в один топливный бак с расходом, который предназначен отвечать потребности, определяемым в реальном времени во время полета воздушного судна. Этот тип системы инертирования не основан на сертифицированном типе профиля полета, установленном американским бюро сертификации, который зачастую является более ограничивающим, чем фактический полет, осуществляемый воздушным судном, и который, соответственно, потребляет больше воздуха. Нагнетание инертного газа отвечает оптимизированной концепции инертирования, основанной, например, на подсчете количества воздуха, поступающего в топливный бак, как функции его вентиляции, и действительного объема потребленного топлива.
Такой тип известной системы инертирования, адаптированный под фактическую потребность в расходе инертного газа, реализует функцию регулирования расхода инертного газа ниже по потоку от модуля разделения воздуха. Эта функция управления потоком реализует клапан регулирования расхода, набор датчиков или расходомер, а также компьютер, содержащий автоматически регулирующийся алгоритм управления расходом. Заданное значение управления потоком инертного газа определяется на основе данных, касающихся воздушного судна, таких как изменение наружного атмосферного давления и/или скорость изменения высоты воздушного судна и/или объем топлива, находящийся в баке, и/или масса топлива, потребляемая двигателем.
Таким образом, при оптимизации, и, в частности, при уменьшении потока инертного газа, нагнетаемого в топливный бак, количество воздуха, потребляемое модулем разделения воздуха снижается, что позволяет уменьшить эксплуатационные затраты системы инертирования.
Тем не менее, при поступлении воздуха в модуль разделения воздуха при постоянном давлении и температуре, и при постоянном атмосферном давлении, уменьшение расхода инертного газа влияет на его чистоту. В самом деле, если расход инертного газа уменьшается, чистота газа улучшается, т. е. содержание кислорода в нем уменьшается.
Это ведет к тому, что система инертирования такого типа имеет большие размеры по отношению к фактической потребности в чистоте инертного газа, и генерирует и нагнетает инертный газ более высокого качества, чем требуется, что опосредованно ведет к избыточному потреблению топлива для воздушного судна и высоким эксплуатационным затратам.
Краткое описание изобретения
Таким образом, одной из целей настоящего изобретения является устранение данных недостатков путем предоставления способа управления системой инертирования топливного бака воздушного судна, позволяя приспособить распределение инертного газа к фактическим потребностям таким образом, чтобы косвенно уменьшить потребление топлива и эксплуатационные затраты системы инертирования.
Для этого предложен способ управления системой инертирования, содержащей по меньшей мере один модуль разделения воздуха, снабжаемый воздухом при определенном давлении для генерирования на выпуске инертного газа, нагнетаемого в топливный бак, имеющего определенный расход и определенное содержание кислорода.
Согласно настоящему изобретению способ включает, в заданный момент и при постоянных температуре воздуха и атмосферном давлении:
- операцию, во время которой расход инертного газа уменьшают до определенного значения;
- операцию, во время которой давление воздуха на впуске модуля разделения воздуха уменьшают для увеличения содержания кислорода от исходного значения до определенного значения.
Согласно главным характеристикам настоящего изобретения:
- операцию уменьшения расхода инертного газа осуществляют путем компенсации потери потока инертного газа, вызванного операцией уменьшения давления воздуха;
- операцию уменьшения давления воздуха осуществляют путем компенсации уменьшения содержания кислорода, вызванного операцией уменьшения расхода инертного газа.
При оптимизации расхода инертного газа, т. е. уменьшении, получается, что чистота инертного газа непреднамеренно увеличивается, т. е. содержание кислорода в нем уменьшается, это может быть ограничением для изначально запланированной концепции инертирования, если, например, она состоит только в уменьшении расхода инертного газа.
Таким образом, способ управления согласно настоящему изобретению позволяет устранить этот недостаток и нагнетать инертный газ посредством отделения друг от друга расхода и содержания кислорода, которые тесно связаны. Действительно, настоящее изобретение позволяет регулировать расход инертного газа и/или содержание кислорода, независимо друг от друга.
В частности, эта характеристика обеспечивает, при уменьшении расхода инертного газа, возможность противостоять увеличению чистоты инертного газа путем уменьшения давления воздуха для увеличения концентрации кислорода в инертном газе. Это предотвращает создание системой инертного газа с более высоким качеством, чем необходимо, т. е. она предотвращает избыточное качество. Эту операцию осуществляют путем уменьшения давления воздуха на впуске в модуль разделения воздуха, который позволяет системе инертирования потреблять меньше воздуха и, следовательно, опосредованно уменьшать потребление топлива и эксплуатационные затраты системы инертирования.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет регулировать содержание кислорода до определенного значения, которое, например, может определяться на основе фактической потребности в содержании кислорода, определенной в заданный момент, или иначе можно, например, удерживать исходное содержание кислорода, соответствующее содержанию кислорода, находящемуся в инертном газе до операции уменьшения расхода, путем уменьшения давления воздуха на впуске в модуль разделения воздуха.
Тем не менее, как было указано, это уменьшение давления приводит к потерям потока инертного газа на выпуске модуля разделения воздуха. Настоящее изобретение, таким образом, позволяет компенсировать эти потери потока инертного газа, предупреждая операцию уменьшения расхода инертного газа до определенного значения. Другими словами расход уменьшают до меньшей величины для предотвращения потерь потока, которые добавят к ней для достижения определенного порогового значения. Значение расхода инертного газа определяют, например, как функцию фактической необходимости в расходе инертного газа, определяемом в заданный момент.
Принцип настоящего изобретения, следовательно, заключается в управлении чистотой инертного газа при постоянной скорости инертирования для удовлетворения требования концепции инертирования для оптимизации эксплуатационных затрат системы инертирования.
Настоящее изобретение также относится к двум вариантам осуществления системы инертирования для реализации вышеупомянутого способа.
Каждая система инертирования предназначена для нагнетания инертного газа по меньшей мере в один топливный бак воздушного судна во время полета воздушного судна, и содержит по меньшей мере один модуль разделения воздуха, снабжаемый воздухом при определенном давлении для генерирования на выпуске инертного газа, нагнетаемого в топливный бак, имеющего определенный расход и определенное содержание кислорода.
Согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения система инертирования содержит контроллер, к которому присоединены:
- клапан регулирования расхода инертного газа с электроприводом, расположенный на выпуске модуля разделения воздуха;
- клапан регулирования давления воздуха с электроприводом, расположенный на впуске модуля разделения воздуха;
- кислородный датчик, расположенный на выпуске модуля разделения воздуха;
- расходомер, расположенный на выпуске модуля разделения воздуха.
И контроллер содержит компьютерную программу, содержащую инструкции программного кода, которые выполнены с возможностью прочтения и выполнения указанным контроллером для передачи:
- команды об уменьшении расхода в клапан с электроприводом, регулирующий расход инертного газа, в зависимости от расхода инертного газа, определенной расходомером, для уменьшения расхода инертного газа до определенного значения;
- команды об уменьшении давления воздуха в клапан с электроприводом, для управления давлением воздуха, в зависимости от содержания для увеличения содержания кислорода от исходного значения до определенного значения.
Команду об уменьшении расхода инертного газа определяют для компенсации потерь потока инертного газа, вызванных уменьшением давления воздуха. Команду об уменьшении давления воздуха определяют для компенсации уменьшения в содержании кислорода, вызванного операцией уменьшения расхода инертного газа.
Согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения система инертирования содержит контроллер, к которому присоединены:
- клапан регулирования расхода инертного газа с электроприводом, расположенный на выпуске модуля разделения воздуха;
- клапан регулирования давления воздуха с электроприводом, расположенный на впуске модуля разделения воздуха;
- датчик давления воздуха, расположенный на впуске модуля разделения воздуха;
- датчик температуры воздуха, расположенный на впуске в модуль разделения воздуха;
- расходомер, расположенный на выпуске модуля разделения воздуха;
- датчик атмосферного давления.
И контроллер содержит компьютерную программу, содержащую инструкции программного кода, которые выполнены с возможностью прочтения и выполнения указанным контроллером для передачи:
- команды об уменьшении расхода в клапан с электроприводом, регулирующий расход инертного газа, в зависимости от расхода инертного газа, определенного расходомером, для уменьшения расхода инертного газа до определенного значения;
- команды об уменьшении давления воздуха в клапан с электроприводом, регулирующий давление воздуха, в зависимости от содержания кислорода, определенного кислородным датчиком, и заданного значения регулирования давления, для увеличения содержания кислорода от исходного значения до определенного значения, при этом заданное значение регулирования давления получено от программного обеспечения для преобразования, интегрированного в контроллер и предназначенного для преобразования заданного значения регулирования содержания кислорода, как функции значения расхода инертного газа, предоставляемого расходомером, температуры инертного газа, предоставляемой датчиком температуры, атмосферного давления окружающей среды, предоставляемого датчиком атмосферного давления, и технических и эксплуатационных характеристик модуля разделения воздуха, интегрированных в контроллер.
Команду об уменьшении расхода инертного газа определяют для компенсации потерь потока инертного газа, вызванных уменьшением давления воздуха. Команду об уменьшении давления воздуха определяют для компенсации уменьшения в содержании кислорода, вызванного операцией уменьшения расхода инертного газа.
Предпочтительно, команду об уменьшении давления воздуха определяют так, чтобы содержание кислорода инертного газа достигало определенного значения, соответствующего исходному значению содержания кислорода до операции уменьшения расхода инертного газа.
Краткое описание графических материалов
Дополнительные преимущества и особенности станут более понятны из последующего описания, приведенного посредством неограничивающего примера, способа управления системой инертирования топливного бака согласно настоящему изобретению, и из приложенных графических материалов, где:
- на фиг. 1 представлено схематическое изображение первого варианта осуществления системы инертирования согласно настоящему изобретению, особенно в отношении расположения контроллера, модуля разделения воздуха, а также различных клапанов и датчиков;
- на фиг. 2 представлено схематическое изображение, подобное изображению на фиг. 1, на котором показан второй вариант осуществления системы инертирования согласно настоящему изобретению.
Подробное описание изобретения
Ссылаясь на фиг. 1 и 2, изображена система (1) инертирования, предназначенная для нагнетания потока инертного газа по меньшей мере в один топливный бак воздушного судна во время полета воздушного судна.
Система (1) инертирования содержит по меньшей мере один модуль (2) разделения воздуха, снабжаемый на своем впуске (2a) воздухом при заданном давлении для генерирования на выпуске (2b) инертного газа с низким содержанием кислорода, нагнетаемого в топливный бак при определенном расходе и с определенным содержанием кислорода.
Система (1) инертирования содержит клапан (3) регулирования давления воздуха с электроприводом, расположенный на впуске (2a) модуля (2) разделения воздуха, и клапан (4) регулирования расхода инертного газа с электроприводом, а также расходомер (5), расположенный на выпуске (2b) модуля (2) разделения воздуха. Клапан (4) регулирования расхода с электроприводом, расходомер (5) и клапан регулирования (3) давления с электроприводом присоединены к электронному контроллеру (6), снабжаемому от электрического источника (7) питания.
Электронный контроллер (6) содержит программное обеспечение (8) для управления различными элементами системы (1) инертирования, как описано ниже, и реализует алгоритм регулирования расхода для уменьшения расхода инертного газа до определенного значения и для уменьшения давления воздуха на впуске (2a) модуля (2) разделения воздуха с целью увеличения содержания кислорода от исходного значения до определенного значения.
Конкретнее, операцию уменьшения расхода инертного газа осуществляют путем компенсации потери потока инертного газа, вызванного операцией уменьшения давления воздуха, и операцию уменьшения давления воздуха осуществляют путем компенсации уменьшения содержания кислорода, вызванного операцией уменьшения расхода инертного газа.
На практике, программное обеспечение (8) передает команду об уменьшении расхода на клапан (4) с электроприводом, регулирующий расход инертного газа, в зависимости от расхода инертного газа, определяемого расходомером (5), для уменьшения расхода инертного газа до определенного значения, которое соответствует, как функция реализованной концепции инертирования, значению расхода, определенному как функция фактической необходимости в расходе инертного газа, определяемом в заданный момент.
Согласно первому варианту осуществления, показанному на фиг. 1, система (1) инертирования действует в замкнутой системе на основе значения содержания кислорода и содержит кислородный датчик (9), расположенный на выпуске (2b) модуля (2) разделения воздуха и соединенный с контроллером (6), для определения содержания кислорода в инертном газе.
Согласно данному первому варианту осуществления программное обеспечение (8) также передает команду об уменьшении давления воздуха в клапан (3) с электроприводом, регулирующий давление воздуха, в зависимости от содержания кислорода в инертном газе, определяемого кислородным датчиком (9)для увеличения содержания кислорода от исходного значения до определенного значения.
Согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, показанному на фиг. 2, система (1) инертирования действует в замкнутой системе на основе значения давления воздуха и в замкнутой системе на основе значения содержания кислорода, и содержит датчик давления воздуха (10) и датчик температуры (11), расположенные на впуске (2a) модуля (2) разделения воздуха и соединенные с контроллером (6).
Согласно данному второму варианту осуществления программное обеспечение (8) передает команду об уменьшении давления воздуха в клапан (3) с электроприводом, регулирующий давление воздуха, в зависимости от значения давления воздуха, определяемого датчиком (10) давления воздуха, и от заданного значения регулирования давления для увеличения содержания кислорода от исходного значения до определенного значения. Заданное значение регулирования давления получают из таблицы преобразования, содержащейся в программном обеспечении (8) контроллера (6). Таблица преобразования выполнена особым образом для преобразования заданного значения регулирования содержания кислорода в заданное значение регулирования давления. Такое преобразование осуществляют на основе значения расхода инертного газа, предоставляемого расходомером (5), температуры инертного газа, предоставляемой датчиком температуры (11), атмосферного давления окружающей среды, предоставляемого датчиком атмосферного давления или извлекаемого непосредственно из данных (12), предоставляемых воздушным судном, а также технических и эксплуатационных характеристик модуля (2) разделения воздуха, интегрированных в программное обеспечение (8).
В обоих вариантах осуществления команду об уменьшении расхода определяют для компенсации потерь потока инертного газа, вызванных уменьшением давления воздуха, и команду об уменьшении давления воздуха определяют для компенсации уменьшения содержания кислорода, вызванного уменьшением расхода инертного газа.
Алгоритмы регулирования расхода инертного газа и давления воздуха комбинируют и совмещают, так чтобы отрегулировать давление воздуха и расхода инертного газа до значений, определенных концепцией инертирования.
В зависимости от выбранной концепции инертирования, содержание кислорода в инертном газе может быть отрегулировано, не зависимо от значения расхода инертного газа, до определенного значения, например, на основе фактической необходимости в расходе инертного газа, определяемом в заданный момент, или же содержание кислорода увеличивают в соответствии с уменьшением потока инертного газа для постоянного сохранения исходного значения.
Известным образом инертный газ затем передают к средствам распределения инертного газа, таким как распределительные трубы, клапаны и инжекторные сопла, для нагнетания, соответственно, в топливный бак(баки) воздушного судна из соображений безопасности для снижения риска воспламенения указанных баков. Нагнетаемый инертный газ позволяет снизить уровень кислорода, присутствующего в баке(баках), и, в частности, поддерживать этот уровень ниже определенного порога, например, менее 12%.
Из предыдущего станет понятно, что настоящее изобретение позволяет существенно уменьшить поток воздуха, потребляемого модулем (2) разделения воздуха, путем преодоления ограничений зависимости между расходом инертного газа и чистотой инертного газа, которая является характерной при использовании модуля (2) разделения воздуха. Таким образом, настоящее изобретение опосредованно позволяет уменьшить потребление топлива для уменьшения экологического следа воздушного судна и затрат, связанных с работой системы (1) инертирования.
Уменьшение потребления поступающего воздуха также позволяет уменьшить износ фильтров и мембран, используемых в системе (1) инертирования, и, следовательно, увеличить их срок службы. Следовательно интервалы между техническими осмотрами увеличены, снижая затраты владельца системы (1) инертирования.