СИСТЕМА ДЛЯ ИНЕРТИРОВАНИЯ И СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ИНЕРТНОГО ГАЗА НА ВОЗДУШНОМ СУДНЕ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ БЕЗ СБОРА НАРУЖНОГО ВОЗДУХА
INERTING SYSTEM AND INERT GAS GENERATION METHOD ON AIRCRAFT OPERATING WITHOUT AMBIENT AIR COLLECTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области систем для инертирования, реализуемых на таком воздушном судне, как самолет, вертолет и т.д.
Изобретение имеет преимущественное применение при придании инертности топливным бакам, грузовым отделениям, отсекам бортового радиоэлектронного оборудования, зонам хранения аккумуляторов или любому другому объему воздушного судна.
Уровень техники
В области воздухоплавания хорошо известно применение систем инертирования для генерирования инертного газа, такого как азот или любой другой инертный газ, такой как диоксид углерода, и для введения указанного инертного газа в объем, подлежащий приданию инертности, в частности, в целях безопасности для снижения риска взрыва указанного объема.
Системы инертирования, известные из уровня техники, как известно, содержат систему подготовки воздуха, например, высокотемпературного воздуха, отводимого из по меньшей мере одного двигателя воздушного судна, при помощи которой воздушный поток охлаждается и регулируется его температура. С этой целью система подготовки воздуха требует сбора воздуха из среды снаружи воздушного судна для охлаждения воздушного потока при помощи теплообменника.
Система инертирования также содержит по меньшей мере один модуль разделения воздуха, содержащий такие газопроницаемые мембраны, как полимерные мембраны, через которые воздушный поток пропускают для обеднения этого воздуха кислородом и генерирования инертного газа, обогащенного азотом.
Наконец, система инертирования содержит средства распространения инертного газа в объем, подлежащий приданию инертности.
2
Однако система инертирования такого типа из уровня техники обладает некоторыми недостатками, присущими ее конструкции. Фактически, поскольку система инертирования содержит систему подготовки воздуха, это, несомненно, ведет к дополнительной бортовой массе, ставит под сомнение надежность системы, приводит к значимой потере нагрузки и интеграции бортовых систем воздушного судна и, в особенности, требует создания трубопровода для сбора наружного воздуха у внутренней стенки воздушного судна для охлаждения воздушного потока, подлежащего приданию инертности. Таким образом, указанный сбор воздуха из среды снаружи воздушного судна ведет к неблагоприятному дополнительному лобовому сопротивлению, что повышает потребление топлива и выбросы CO воздушным судном.
В дополнение, для генерирования охлаждающего воздушного потока при нахождении воздушного судна на стоянке на земле необходим запуск воздуходувной машины и ее останов за пределами данной фазы. Воздуходувная машина состоит из бортового компонента, который большую часть времени не используется. Наконец, система подготовки воздуха, по причине ее тепловой инерции, увеличивает общее время прогрева системы инертирования.
Сущность изобретения
Одной из целей изобретения, таким образом, является преодоление недостатков уровня техники за счет предложения системы инертирования для воздушного судна, которая не требует сбора наружного воздуха и, в то же время, делает возможной генерирование низкотемпературного инертного газа, что означает его температуру ниже сертифицированной температуры для материалов, составляющих воздушное судно, например, ниже 80 °C для воздушного судна из уровня техники, доступного на момент подачи данной патентной заявки.
Еще одной целью изобретения является создание системы инертирования, делающей возможной повышенную надежность по сравнению с системой уровня техники, экономию топлива и больший учет требований по охране окружающей среды.
С этой целью была усовершенствована система инертирования для воздушного судна, содержащая газовый контур, содержащий последовательно расположенные по меньшей мере один воздухозаборник, компрессор и модуль разделения воздуха. Модуль разделения воздуха, в частности, содержит выпуск для обогащенного кислородом газа и выпуск для инертного газа.
В соответствии с изобретением, модуль разделения воздуха содержит газопроницаемые мембраны, стойкие к температуре, большей или равной 100 °C и, предпочтительно, большей или равной 140 °C, и выпуск инертного газа соединен с турбиной для понижения давления и охлаждения инертного газа.
Таким образом, система инертирования в соответствии с изобретением не нуждается в каком-либо сборе воздуха из среды снаружи воздушного судна, сжатый воздух подается непосредственно при высокой температуре в модуль разделения воздуха и затем автоматически охлаждается при помощи турбины, которая расположена на выпуске указанного модуля разделения воздуха.
2
Исходя из предшествующего описания, надежность системы может быть повышена, поскольку может быть исключена система подготовки воздуха, воплощенная в уровне техники, и, в частности, теплообменник, соединенный с трубопроводом сбора наружного воздуха. Таким образом, система инертирования в соответствии с изобретением не создает дополнительное лобовое сопротивление воздушному судну, и поэтому она может экономить топливо и сокращать выбросы CO. В дополнение, за счет исключения системы подготовки воздуха расстояние между компрессором и модулем разделения воздуха на практике может быть сокращено до минимума, и, таким образом, данный модуль быстрее входит в температурный режим и, следовательно, быстрее приводится в рабочее состояние.
По причине вышесказанного, система в соответствии с изобретением способна генерировать низкотемпературный инертный газ без сбора наружного воздуха.
Под понятием "стойкий" следует понимать, что мембраны имеют срок службы более 15000 часов.
Преимущественно, турбина механически соединена с электродвигателем, выполненным с возможностью вращения компрессора. Таким образом, может быть реализован турбокомпрессор, и энергия, вырабатываемая при вращении турбины, может быть использована для вращения электродвигателя с тем, чтобы иметь возможность уменьшения его размера, массы и энергопотребления. За счет изобретения пневматическая энергия, содержащаяся в инертном газе на выпуске модуля разделения воздуха, может быть регенерирована с одновременным снижением его температуры перед вдуванием, например, в бак.
Предпочтительно, система инертирования в соответствии с изобретением содержит средства для охлаждения электродвигателя. Таким образом, система является надежной, а срок ее службы — оптимальным.
В соответствии с первым вариантом осуществления, и с целью охлаждения электродвигателя, воздушный контур системы инертирования содержит на выпуске компрессора перепускной трубопровод сжатого воздуха, в котором расположен электродвигатель; трубопровод содержит часть с сечением, выполненным в размере для снижения давления и охлаждения сжатого воздуха ниже по потоку относительно электродвигателя с целью охлаждения электродвигателя.
В соответствии со вторым вариантом осуществления, и в сценарии, где в систему инертирования подается воздух, поступающий из кабины воздушного судна, воздушный контур выше по потоку относительно компрессора содержит перепускной трубопровод, в котором расположен электродвигатель и воздуходувная машина для откачивания воздуха ниже по потоку относительно электродвигателя и его направления в двигатель с целью его охлаждения.
В данном варианте осуществления воздуходувная машина предназначена для запуска тогда, когда воздушное судно находится на земле, и затем для останова в полете. Тогда достаточной для обеспечения возможности генерирования воздушного потока без необходимости в использовании воздуходувной машины является разность давлений между наружной средой и кабиной воздушного судна, в которой, например, собирается воздух.
В соответствии с третьим вариантом осуществления, воздушный контур выше по потоку относительно компрессора содержит перепускной воздушный водопровод, в котором расположен центробежный вентилятор с низкой степенью сжатия, механически соединенный с первым компрессором и электродвигателем, при этом центробежный вентилятор может направлять воздух к двигателю с целью его охлаждения.
Предпочтительно и в соответствии с данными тремя вариантами осуществления, перепускной трубопровод присоединен рядом с выпуском обогащенного кислородом газа модуля разделения воздуха для их смешивания. В частности, в перепускном трубопроводе выше по потоку относительно выпуска обогащенного кислородом газа может быть расположен клапан регулировки скорости потока для регулировки скорости воздушного потока, необходимой для охлаждения электродвигателя.
Целью изобретения также является создание способа генерирования инертного газа в воздушном судне, реализующего вышеописанную систему инертирования.
В соответствии с изобретением, указанный способ включает осуществление следующих этапов:
– подача воздуха, например, собранного в пассажирской кабине воздушного судна, в газовый контур системы инертирования;
– сжатие воздуха посредством компрессора;
– циркуляция сжатого воздуха при высокой температуре через газопроницаемые мембраны, стойкие к температуре, большей или равной 100 °C, с целью обеднения воздуха кислородом и генерирования инертного газа;
– понижение давления инертного газа посредством турбины с целью генерирования инертного газа с низкой температурой.
Исходя из предшествующего описания, способ генерирования инертного газа в соответствии с изобретением имеет такие же преимущества, как вышеописанная система инертирования, и, в частности, главное преимущество отсутствия потребности в сборе наружного воздуха для их работы.
Преимущественно, способ включает этап, состоящий в регенерировании энергии из турбины для вращения компрессора. Таким образом, регенерируется пневматическая энергия, содержащаяся в инертном газе, что одновременно служит для снижения его температуры.
Краткое описание графических материалов
Дополнительные преимущества и отличительные признаки будут более понятны из следующего описания, приведенного посредством неограничивающего примера системы инертирования и способа генерирования инертного газа согласно настоящему изобретению, со ссылкой на прилагаемые графические материалы, в которых:
- на фиг. 1 показано схематическое представление системы инертирования в соответствии с изобретением и в соответствии с первым вариантом осуществления средств охлаждения электродвигателя с турбокомпрессором;
- на фиг. 2 показано схематическое представление, аналогичное представлению, показанному на фиг. 1, для второго варианта осуществления средств охлаждения;
- на фиг. 3 показано схематическое представление, аналогичное представлению, показанному на фиг. 1, для третьего варианта осуществления средств охлаждения.
Подробное описание изобретения
С отсылкой к фиг. 1—3, изобретение относится к системе (1) инертирования для воздушного судна, служащей для придания инертности такому объему, как топливный бак, грузовой отсек, зона хранения аккумуляторов или любой другой объем.
Система (1) инертирования содержит газовый контур, содержащий впуск (2), предназначенный для снабжения воздухом, например, воздухом, поступающим из пассажирской кабины воздушного судна. Воздушный контур содержит компрессор (3), вращаемый электродвигателем (4), с целью сжатия воздуха.
На выпуске компрессора (3) сжатый воздух проходит через озоновый фильтр (5) и фильтр (6) частиц перед попаданием по меньшей мере в один модуль (7) разделения воздуха. Согласно ссылке на фиг. 1—3 описанная система (1) инертирования содержит два модуля (7) разделения воздуха. Каждый модуль (7) разделения воздуха внутри содержит газопроницаемые мембраны, например, полимерные мембраны, стойкие к действию высоких температур, в частности, выше 100 °C и, предпочтительно, выше 140 °C. Количество модулей (7) разделения воздуха зависит от требуемой производительности системы (1) инертирования. Степень сжатия компрессора (3) ограничена так, что она не превышает температуру, максимально допустимую для мембран. Например, для предельной температуры воздуха на впуске модуля (7) разделения воздуха, равной 130 °C, степень сжатия компрессора (3) ограничена приблизительно 2,5 с учетом политропного КПД компрессора (3).
Сжатый воздух проходит через газопроницаемые мембраны для генерирования как обогащенного кислородом газа, выпускаемого через выпуск (8), так и обедненного кислородом газа, составляющего инертный газ, выпускаемый при помощи выпуска (9). Выпуск (9) для инертного газа соединен с турбиной (10), используемой для понижения давления и охлаждения инертного газа.
Турбина (10) механически связана с электродвигателем (4) компрессора (3), и, таким образом, они образуют узел (3-4-10) электрического турбокомпрессора. Таким образом, наличие турбины (10) служит для регенерирования пневматической энергии, содержащейся в инертном газе, с целью вращение компрессора (3) с одновременным снижением температуры инертного газа перед его вдуванием в объем, подлежащий приданию инертности. На практике наблюдалось, что турбина (10) служит для регенерирования приблизительно 20 % пневматической энергии из инертного газа.
Клапан (11) регулировки скорости потока расположен в воздушном контуре ниже по потоку относительно турбины (10) с целью регулировки скорости потока инертного газа, который затем направляется в систему распространения, которая не показана.
Для повышения надежности системы и увеличения срока ее службы, некоторые компоненты требуют охлаждения, в частности электродвигатель (4), электронный блок (12) управления указанным двигателем (4) и любой другой компонент электродвигателя, такой как шарикоподшипники или воздушные подшипники, которые не показаны.
С этой целью система содержит средства охлаждения, которые могут быть реализованы несколькими способами.
На фиг. 1 показан первый вариант осуществления, в котором часть сжатого воздуха из компрессора (3) собирается посредством перепускного трубопровода (13), содержащего часть с сечением (14), выполненным в размере для снижения давления воздуха, и в котором электродвигатель (4) расположен так, чтобы он был способен охлаждаться потоком выпускаемого воздуха. Фактически, понижение давления воздуха является достаточным, для того чтобы вызывать падение его температуры и, таким образом, охлаждение различных элементов, составляющих электродвигатель (4). Перепускной трубопровод (13) затем открывается возле выпуска (8) обогащенного кислородом газа для их смешивания, в частности, в смесителе (15). Созданная таким образом смесь направляется по трубе наружу из самолета.
В соответствии с другим способом регулировки, показанным на фиг. 2, охлаждение электродвигателя (4) осуществляется посредством перепускного трубопровода (13), который расположен выше по потоку относительно компрессора (3), и в котором расположена воздуходувная машина (16) для откачивания воздуха и его направления к двигателю (4), также расположенному в перепускном трубопроводе (13), с целью его охлаждения. При наличии воздуходувной машины (16) генерируется скорость потока газа, достаточная для охлаждения электродвигателя (4). В сценарии, когда в систему (1) инертирования подается воздух, поступающий из кабины воздушного судна, воздуходувная машина (16) используется и запускается тогда, когда воздушное судно находится на земле, и затем останавливается в полете. Разность давлений между средой снаружи воздушного судна и пассажирской кабиной, из которой, например, собирается воздух, является достаточной для генерирования скорости потока с целью охлаждения электродвигателя. Воздух проходит через отключенную воздуходувную машину (16), и скорость его потока преимущественно регулируется посредством клапана (17) регулировки скорости потока, расположенного в перепускном трубопроводе (13) выше по потоку относительно выпуска (8) обогащенного кислородом газа. Таким же образом, как описано выше, перепускной трубопровод (13) открывается рядом с выпуском (8) обогащенного кислородом газа с целью их смешивания.
На фиг. 3 показан третий вариант осуществления средств охлаждения. В данном варианте осуществления воздушный контур (1) системы инертирования содержит выше по потоку относительно компрессора (3) перепускной воздушный трубопровод (13), предназначенный для питания центробежного вентилятора (18). Центробежный вентилятор (18) механически соединен с первым компрессором (3) и имеет менее высокую степень сжатия, например, 1,2, для генерирования скорости потока охлаждающего воздуха, достаточной для охлаждения электродвигателя (4), также расположенного в перепускном трубопроводе (13). Таким же образом, перепускной трубопровод (13) открывается рядом с выпуском (8) обогащенного кислородом газа.
Исходя из предшествующего описания, изобретение предусматривает систему (1) инертирования, содержащую воздушный контур, в который подается воздух, собранный в пассажирской кабине воздушного судна. В этой системе (1) инертирования воздух может быть сжат посредством компрессора (3), и сжатый воздух непосредственно при высокой температуре может циркулировать через газопроницаемые мембраны, стойкие к столь высокой температуре, с целью обеднения этого воздуха кислородом и генерирования инертного газа. По сравнению с уровнем техники, данная система (1) инертирования не требует сбора наружного воздуха для охлаждения воздуха выше по потоку относительно мембран, и на выпуске указанных мембран давление инертного газа понижается турбиной (10) с целью генерирования низкотемпературного инертного газа.
2
По причине вышесказанного, изобретение способно исключить систему подготовки воздуха и, в частности, сбор наружного воздуха. Поэтому данная система имеет малый объем, является надежной, не создает дополнительное лобовое сопротивление и, таким образом, не ухудшает уровень потребления топлива или выбросы CO воздушным судном.