СИСТЕМА УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ВОЗДУХА В ГЕРМЕТИЧЕСКОЙ КАБИНЕ ВОЗДУШНОГО СУДНА
SYSTEM FOR IMPROVING AIR QUALITY IN AIRLINER PRESSURISED CABIN

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе улучшения качества воздуха в герметической кабине воздушного судна, в которой часть воздуха герметической кабины, называемая воздухом рециркуляции, забирается из кабины в контур рециркуляции воздуха, подвергается кондиционированию и затем возвращается в герметическую кабину.
Уровень техники
Наддув кабин воздушных судов давно известен в технике, позволяя людям находиться в таких кабинах даже при сравнительно больших высотах полета, не прибегая к помощи таких средств, как кислородная маска и т.п. Стандартно, для наддува кабины воздушного судна (самолета) используют так называемый воздух отбора от двигателя (в дальнейшем «воздух отбора»), который отводят от компрессорной ступени двигателя или двигателей самолета. В системе кондиционирования воздуха самолета давление этого сжатого воздуха отбора понижают до давления, требуемого в кабине, воздух охлаждают и подвергают иной подготовке, прежде чем подавать в кабину самолета. Отвод воздуха от двигателя увеличивает расход топлива, так как доля воздуха, отобранная от двигателя, более не участвует в создании тяги двигателем, поэтому компрессор двигателя следует выполнять более крупным, чем это фактически необходимо, чисто для формирования тяги.
Специалистам в области воздушного кондиционирования кабин самолетов известен прием, при котором, чтобы снизить потребность в воздухе отбора, определенную часть воздуха, уже присутствующую в герметической кабине самолета, подвергают очистке в контуре рециркуляции, а затем указанную часть воздуха подают обратно в герметическую кабину вместо того, чтобы постоянно подавать в кабину сторонний воздух, получаемый из воздуха отбора.
Чтобы снизить вес самолета с герметической кабиной, давление в кабине устанавливают так, чтобы оно приблизительно соответствовало давлению воздуха на высоте 2500 м. При таком способе перепад давления, действующий между герметической кабиной и наружной атмосферой в полете, можно поддерживать на невысоком уровне, что приводит к снижению требований к прочности и, как результат, к снижению веса конструкции фюзеляжа самолета. Однако недостаток состоит в том, что в силу упомянутой процедуры парциальное давление кислорода в кабине самолета оказывается значительно более низким, чем соответствующее давление на уровне земли, что может отрицательно сказываться на комфорте во время длинных перелетов, особенно пожилых и больных пассажиров. Например, парциальное давление кислорода на уровне земли составляет приблизительно 200 мбар, в то время как в герметической кабине пассажирского самолета на большой высоте оно равняется всего 175 мбар. Для решения этой проблемы в патенте Германии 19645764 предлагается обогащать кислородом свежий воздух, подаваемый в герметическую кабину самолета. В качестве устройства для обогащения свежего воздуха кислородом предлагается мембранный модуль, который отделяет кислородную фракцию, содержащуюся в наружном воздухе. Однако такая методика приводит к увеличению потребления воздуха отбора, поскольку в герметическую кабину подается только та часть кислорода, которая получена из (дополнительного) воздуха отбора посредством устройства кислородного обогащения, в то время как остаток указанного дополнительного воздуха отбора уходит неиспользованным.
Другой возможный способ увеличения парциального давления кислорода в герметической кабине самолета раскрыт в патенте Великобритании 2397821А. В этом документе, в соответствии с одним вариантом осуществления, воздух рециркуляции пропускается через мембранный модуль с целью получения газового потока, обогащенного кислородом, и газового потока, обогащенного азотом, при этом газовый поток, обогащенный кислородом, подается обратно в кабину самолета.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является увеличение парциального давления кислорода в герметической кабине воздушного судна без дополнительного потребления воздуха отбора и увеличение парциального давления кислорода в герметической кабине воздушного судна с большей эффективностью.
В соответствии с изобретением, решение указанной задачи достигается при помощи системы, имеющей отличительные признаки, изложенные в п.1 формулы изобретения. Согласно изобретению, в системе улучшения качества воздуха генератор азота питается исключительно воздухом рециркуляции, при этом определенное количество воздуха рециркуляции целиком или частично пропускается через генератор азота, который из подаваемого воздуха рециркуляции производит азотосодержащий и кислородосодержащий отработавшие газы. Кислородосодержащий отработавший газ генератора азота вместе с остальным количеством воздуха рециркуляции, не прошедшим обработку генератором азота, возвращается в герметическую кабину.
Для получения азота из воздуха любому генератору азота требуется движущая сила для прокачивания обрабатываемого воздуха через молекулярное сито или мембрану, если говорить только о двух возможных способах отделения азота. Поэтому традиционно в состав генератора азота входит компрессор. Согласно изобретению, в системе улучшения качества воздуха генератор азота использует градиент давления, существующий в полете между герметической кабиной воздушного судна и наружной атмосферой. В зависимости от высоты полета этот градиент давления составляет несколько сотен миллибар. Для ограничения максимального потока газа через генератор азота на выходе азотсодержащего газа генератора желательно использовать клапан Вентури, сообщающийся с атмосферой.
Как вариант и/или дополнительно, для получения азота генератором азота можно использовать градиент давления, создаваемый вентилятором рециркуляции в контуре рециркуляции. Независимо от того, какая движущая сила используется для получения азота в генераторе азота: только градиент давления, создаваемый вентилятором рециркуляции, или указанный градиент в сочетании с градиентом давления, существующим в полете между герметической кабиной воздушного судна и наружной атмосферой, кислородосодержащий отработавший газ генератора азота желательно подводить к стороне всасывания вентилятора рециркуляции и после прохождения вентилятора рециркуляции снова подавать в герметическую кабину. При таком способе для отделения азота генератор азота может использовать весь перепад давления вентилятора рециркуляции.
Если, как описано, для получения азота использовать уже существующий градиент давления, то упомянутый компрессор генератора азота может быть выполнен меньшего размера, или же можно вообще обойтись без него и сэкономить на расходах, весе и пространстве для установки оборудования.
Значительное число полезных качеств вытекает из того, что отделение азота производится только на стороне рециркуляции воздуха системы кондиционирования воздуха воздушного судна, то есть азот выделяется только из воздуха рециркуляции. В соответствии с изобретением, система увеличения парциального давления кислорода в герметической кабине абсолютно независима от отбора воздуха и поэтому не приводит к увеличению расхода топлива двигателями воздушного судна. Благодаря тому, что соответствующая изобретению система не зависит от воздуха отбора, она также может действовать и на земле, когда двигатели не работают. Кроме того, в соответствии с изобретением, не обязательно воздуху, подаваемому на генератор азота, придавать специальное давление или температуру, как это бывает необходимым при использовании воздуха отбора. Напротив, воздух, отбираемый от герметической кабины и подаваемый на генератор азота, уже имеет надлежащее давление и температуру. Поэтому, и необходимая техническая сложность, соответственно, ниже, и требования к дополнительным воздуховодам невелики. Дополнительная фильтрация кислородосодержащего отработавшего газа, полученного в генераторе азота, также не является необходимой, поскольку забор воздуха рециркуляции для кондиционирования в любом случае производится через высокоэффективные фильтры. Если необходимо компенсировать удаленное количество азота, то можно просто увеличить общее количество воздуха рециркуляции, так чтобы поддерживать общий воздушный поток постоянным. Наконец, благодаря исключительному использованию воздуха рециркуляции и, в результате, незначительным флуктуациям параметров на входе забора воздуха, генератор азота можно построить оптимальным образом для требуемых условий эксплуатации.
Если вышеупомянутый, существующий в полете градиент давления используется для получения азота, то полученный азот выпускается в пространство, давление в котором меньше давления, действующего в герметической кабине. Например, полученный азот можно просто выпускать из фюзеляжа воздушного судна. Однако в предпочтительных вариантах осуществления системы, согласно изобретению, полученный азот не просто выпускается в наружную атмосферу, а подводится, например, к нише шасси самолета. Ниши шасси часто располагаются близко от топливных баков самолета и могут содержать очень горячие элементы (диски тормозов, шины), так что инертирование пространства ниши шасси путем введения азота имеет благоприятный эффект для снижения пожароопасности и взрывоопасности.
Как вариант и/или дополнительно полученный азот может быть введен в топливный бак воздушного судна с целью снижения риска воспламенения паров топлива, особенно когда топливный бак сравнительно пустой.
Наконец, независимо от того, использует генератор азота для получения азота существующий в полете градиент давления или не использует, полученный азот может быть использован, как вариант и/или дополнительно к уже упомянутым применениям, в качестве охлаждающей среды для охлаждения элементов самолета. Такими элементами могут быть, например, компоненты оборудования авионики, которые, как правило, охлаждают, используя обычный воздух. И здесь также, инертирование воздуха, охлаждающего авионику, получаемое за счет азота, является полезным результатом. Если температура азота, получаемого при помощи генератора азота, не достаточно низка для целей охлаждения, то полученный азот для дополнительного охлаждения можно пропускать через теплообменник, в свою очередь, охлаждаемый наружным воздухом, который на современных стандартных высотах полета имеет очень низкую температуру.
Контур рециркуляции, через который воздух рециркуляции отбирается из герметической кабины и возвращается в кабину, обычно содержит фильтр воздушного кондиционирования для воздуха рециркуляции, отбираемого из герметической кабины. В этом случае, в соответствии с изобретением, желательно, чтобы система имела такую конфигурацию, чтобы отбор того количества воздуха рециркуляции, которое подлежит подаче в генератор азота, производился только после того, как указанный воздух пройдет фильтр воздушного кондиционирования, поскольку нет необходимости в дополнительной фильтрации воздуха, который подвергся обработке генератором азота и возвращается в контур рециркуляции.
Чтобы соответствующая изобретению система могла действовать как можно более гибко, желательно, чтобы контур рециркуляции воздуха содержал камеру смешивания, через которую проходит воздух рециркуляции, перед тем как снова войти в герметическую кабину. В камере смешивания может производиться добавление в нужной пропорции стороннего воздуха, то есть кондиционированного воздуха отбора, без потери преимуществ, получаемых в соответствии с изобретением.
Краткое описание чертежей
Варианты осуществления соответствующей изобретению системы улучшения качества воздуха в герметической кабине воздушного судна будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, из которых:
фиг.1 представляет собой блок-схему, демонстрирующую основы построения и соединения с другими элементами системы кондиционирования воздуха воздушного судна, для первого варианта осуществления системы в соответствии с изобретением;
фиг.2 представляет собой блок-схему, подобную фиг.1, для второго варианта осуществления системы, и
фиг.3 представляет собой блок-схему третьего, дополнительно модифицированного варианта осуществления системы.
Осуществление изобретения
Фиг.1, на которой представлен первый вариант осуществления изобретения, касается воздушного судна, у которого имеются два двигателя 12, 14 и вспомогательная силовая установка 16, хотя очевидно, что работа системы, в принципе, не зависит от точного числа двигателей и наличия вспомогательной силовой установки.
Для наддува кабины воздушного судна (на чертежах не показана) воздух отбора от двигателя 12, и/или двигателя 14, и/или вспомогательной силовой установки 16 подается в два агрегата 22, 24 кондиционирования воздуха по магистралям 18, 19 и 20, 21. Соединительная магистраль 25, в которой установлен отсечной клапан 26, используется для подачи воздуха отбора от двигателя 12 и/или вспомогательной силовой установки 16 одновременно на оба агрегата 22, 24 кондиционирования воздуха, или для подачи воздуха от двигателя 14 одновременно на оба агрегата 22, 24 кондиционирования воздуха. Когда отсечной клапан 26 закрыт, агрегат 22 кондиционирования воздуха снабжается воздухом отбора только от двигателя 12 и/или вспомогательной силовой установки 16, в то время как агрегат 24 кондиционирования воздуха снабжается воздухом отбора только от двигателя 14.
Агрегаты 22, 24 кондиционирования воздуха способом, известным для специалистов в данной области техники, используются для охлаждения и подготовки горячего воздуха отбора так, чтобы он мог быть подведен к кабине воздушного судна. После каждого из агрегатов 22, 24 кондиционирования воздуха установлен регулирующий клапан 27, 28, при помощи которого может осуществляться регулирование количества воздуха, выходящего из указанных агрегатов.
Воздух отбора, подвергшийся кондиционированию посредством агрегатов 22, 24, направляется в камеру 32 смешивания по магистралям 30, 31, в которых и установлены регулирующие клапаны 27, 28. Данная камера 32 смешивания составляет часть так называемого контура рециркуляции воздуха, который используется для извлечения части воздуха, который находится в герметической кабине (так называемого «воздуха рециркуляции»), из кабины воздушного судна, чтобы подвергнуть эту часть воздуха кондиционированию и затем возвратить в герметическую кабину. Такая процедура экономит воздух отбора, поскольку нет необходимости весь объем герметической кабины постоянно замещать сторонним воздухом (который, как воздух отбора, проходит соответствующее кондиционирование в агрегатах 22, 24 перед подачей в герметическую кабину), а замещать можно только часть объема воздуха.
Магистрали 33, 34, 35 и 36, 37, 38 ведут от камеры 32 смешивания в различные зоны вентиляции герметической кабины воздушного судна. Воздух кабины извлекается из герметической кабины в местах 40, 42 при помощи соответствующих вентиляторов 44, 46 рециркуляции и пропускается через фильтры 48, 50 воздушного кондиционирования, расположенные (по направлению потока) перед соответствующими вентиляторами 44, 46 рециркуляции, после чего направляется в камеру 32 смешивания. В камере 32 смешивания к воздушной смеси, полученной описанным образом, может быть добавлена необходимая доля свежего стороннего воздуха, прежде чем воздушная смесь будет подана назад в герметическую кабину по магистралям 33-38.
В рассматриваемом варианте осуществления изобретения весь контур рециркуляции воздуха состоит из левого контура рециркуляции, образованного магистралями 33, 34, 35 подачи воздуха, фильтром 48 воздушного кондиционирования, вентилятором 44 рециркуляции и камерой 32 смешивания, и правого контура рециркуляции, образованного магистралями 36, 37, 38 подачи воздуха, фильтром 50 воздушного кондиционирования, вентилятором 46 рециркуляции и камерой 32 смешивания.
Чтобы улучшить качество воздуха в герметической кабине воздушного судна, в правом контуре рециркуляции предусмотрен генератор 52 азота, в который по магистрали 54 подается воздух из правого контура рециркуляции. В магистрали 54 установлен регулирующий клапан 56, чтобы управлять количеством воздуха, отводимого к генератору 52 азота из точки после вентилятора 46 рециркуляции. Из подаваемого на него воздуха генератор 52 азота формирует азотосодержащий отработавший газ и кислородосодержащий газ. Для этой цели можно использовать, например, молекулярное сито или подходящую мембрану, например, в виде модуля с системой полых волокон. Кислородосодержащий отработавший газ, который обогащен кислородом по сравнению с циркулирующим в контуре воздухом, поступающим в генератор 52 азота, выводится из генератора 52 азота по магистрали 58 и подается на многоходовой клапан 60, с которого газ может быть подан по магистралям 62, 64 в камеру 32 смешивания и/или направлен напрямую в конкретные зоны вентиляции по магистралям (из них в качестве примера показана только магистраль 66, открывающаяся в магистраль 38), чтобы в целом или выборочно увеличить парциальное давление кислорода в воздухе, подаваемом в герметическую кабину. Азот, получаемый в генераторе 52 азота, уходит по магистрали 68 и может быть либо выпущен за борт неиспользованным, либо может использоваться в воздушном судне для инертирования определенных областей (ниш шасси, топливных баков) и/или для охлаждения, например, оборудования авионики.
Второй вариант осуществления, представленный на фиг.2, отличается от вышеописанного первого варианта тем, что кислородосодержащий отработавший газ, выходящий из генератора 52 азота, по магистрали 69 подается обратно на сторону всасывания вентилятора 46 рециркуляции. При таком способе полная разность давлений, создаваемая вентилятором 46 рециркуляции, может быть использована в качестве движущей силы для приведения в действие генератора 52 азота. Компрессор (не показан) - необходимый элемент генератора 52 азота в первом варианте осуществления - может быть опущен или выполнен значительно меньшего размера, экономя тем самым энергию, вес и затраты. Хотя для второго варианта осуществления показано, что после того как кислородосодержащий отработавший газ прошел через вентилятор 46 рециркуляции, только этот кислородосодержащий отработавший газ подается в камеру 32 смешивания (или снова подается в генератор 52 азота, чтобы далее продолжить отделение азота), очевидно, что в соответствии с еще одним вариантом (не показанным здесь) кислородосодержащий отработавший газ после прохождения через вентилятор 46 рециркуляции, как и в первом варианте осуществления, может быть подан напрямую в одну или несколько магистралей 33-38, чтобы выборочно увеличить парциальное давление кислорода в конкретных зонах вентиляции кабины воздушного судна.
Третий вариант осуществления, представленный на фиг.3, по существу соответствует вышеописанному второму варианту, но дополнительно содержит на конце магистрали 68 клапан 70 Вентури, который выпускает азот, полученный генератором 52 азота, в атмосферу за борт воздушного судна. При таком способе дополнительно к разнице давлений, создаваемой вентилятором 46 рециркуляции, вдобавок становится возможным использовать разность давлений, существующую между герметической кабиной воздушного судна и наружной атмосферой в качестве движущего градиента давления в генераторе 52 азота. В соответствии с еще одним вариантом (здесь не показан), кислородосодержащий отработавший газ генератора 52 азота не возвращается обратно на сторону всасывания вентилятора 46 рециркуляции, а выходит из генератора 52 азота способом, показанным в первом варианте осуществления. При таком варианте движущий градиент давления, который действует в генераторе 52 азота, создается исключительно за счет разности давлений, существующей между герметической кабиной и наружной атмосферой, что, как вариант, может дополняться небольшим компрессором, который используется на малых высотах полета или на земле, когда разность давлений между герметической кабиной воздушного судна и наружной атмосферой мала или ее вообще не существует.
Клапан 70 Вентури ограничивает поток газа через генератор 52 азота до заданной величины, которая определяется наименьшим поперечным сечением клапана 70 Вентури. Из-за того, что по физическим причинам в клапане Вентури сверхзвуковые скорости возникнуть не могут, при разностях давлений, действующих на клапане Вентури и превышающих некоторую заданную величину, дальнейшее увеличение разности давлений не приводит к увеличению массового расхода через клапан Вентури.
Во всех описанных и представленных вариантах осуществления желательно, чтобы лишь небольшая доля воздуха рециркуляции проходила через генератор 52 азота, например приблизительно от 2% до 5%, хотя указанное значение сильно зависит от потребного увеличения парциального давления кислорода.
Азот, полученный в генераторе 52 азота, желательно не просто выпускать в атмосферу, а направлять, например, в ниши шасси, и/или в топливный бак, или баки воздушного судна с целью создания там пожаро-взрывобезопасной среды (инертирования). Как вариант или дополнительно полученный азот может быть использован в качестве хладагента для целей охлаждения, хотя для этого необходимо снова увеличить давление указанного азота, что можно реализовать, например, при помощи небольшого компрессора (не показан).