СИСТЕМА НЕЙТРАЛЬНОГО ГАЗА ДЛЯ ТОПЛИВНОГО БАКА ВОЗДУШНОГО СУДНА, ПРИСПОСОБЛЕННАЯ ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА КИСЛОРОДА, ПРИСУТСТВУЮЩЕГО В НЕЙТРАЛЬНОМ ГАЗЕ, НАГНЕТАЕМОМ В УКАЗАННЫЙ БАК
NEUTRAL GAS SYSTEM FOR THE AIRCRAFT FUEL TANK, ADJUSTED FOR CALCULATING THE AMOUNT OF OXYGEN PRESENT IN THE NEUTRAL GAS INJECTED TO THE SAID TANK

Область техники
Настоящее изобретение относится к технической области систем нейтрального газа для топливного бака воздушного судна, такого как самолет, вертолет или т.п., в частности оно относится к системе нейтрального газа, приспособленной для вычисления количества кислорода, присутствующего в нейтральном газе, нагнетаемом в топливный бак.
Уровень техники
В области авиации и конструирования летательных аппаратов хорошо известно, что системы нейтрального газа могут применяться для генерирования азота или какого-либо другого нейтрального газа, такого как, например, углекислый газ, и для нагнетания этого газа в топливные баки в целях безопасности для снижения риска взрыва таких баков.
Такие системы нейтрального газа также известны как «бортовые системы генерации нейтрального газа» или «OBIGGS».
Традиционная система нейтрального газа в известном уровне техники в общем включает в себя OBIGGS, в которую подается воздух, например отбираемый воздух, отводимый от по меньшей мере одного двигателя. Модель, использующая отбираемый воздух, отводимый от по меньшей мере одного двигателя, в настоящее время является наиболее широко распространенной моделью OBIGGS. В такой системе отбираемый воздух обычно отводится от одного или нескольких двигателей из отверстия «среднего давления» и/или из отверстия «высокого давления» в зависимости от полетной ситуации. Следует отметить, что преимущественным является использование отбираемого воздуха для кондиционирования воздуха, поскольку отбираемый воздух обладает сравнительно высоким давлением и сравнительно высокой температурой, так что характеристики воздуха можно регулировать в широком диапазоне требуемых давлений и температур. OBIGGS присоединена к топливному баку воздушного судна, и она отделяет кислород от воздуха.
OBIGGS обычно состоит из модуля разделения воздуха, содержащего, например, цеолитные мембраны, с помощью которых поток воздуха сжимается. 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. Обогащенная азотом часть воздуха (при этом азот считается нейтральным газом) подается в топливные баки, так что смесь воздуха и паров авиационного топлива, присутствующих там, смещается и удаляется из баков. Обогащенная кислородом часть воздуха может подаваться обратно в пассажирский салон после обработки подходящими средствами и/или в камеры сгорания реактивных двигателей для улучшения сгорания. Устройства, необходимые для этой операции, такие как компрессоры, фильтры, модули охлаждения воздуха и воды и тому подобные устройства, встроены в установку нейтрального газа.
Таким образом, 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», и в дополнениях к нему, не может произойти какого-либо самовоспламенения. В вышеописанном контексте создание нейтральной среды в топливном баке заключается, в частности, в поддержании содержания кислорода, присутствующего в указанном баке, ниже конкретного порогового значения, в частности ниже 12%.
Следовательно, в вышеописанном контексте важно точно знать количество кислорода, которое присутствует в газе, выпускаемом указанным модулем разделения воздуха и предназначенном для нагнетания в топливный бак/топливные баки воздушного судна.
С этой целью известная система нейтрального газа обычно включает в себя устройство для измерения количества кислорода, при этом указанное устройство расположено в канале подачи нейтрального газа для подачи нейтрального газа в топливный бак, при этом указанный канал расположен ниже по потоку относительно разделительного механизма.
В известном уровне техники существует система нейтрального газа, включающая в себя измерительное устройство, содержащее корпус, определяющий камеру, сквозь которую может проходить нейтральный газ. Этот корпус содержит в себе измерительный механизм, оснащенный циркониевым кислородным зондом или датчиком для выполнения необходимых измерений в указанном газе с целью определения концентрации кислорода. Циркониевый зонд снабжается электроэнергией, в частности с постоянным напряжением, и работает в условиях относительно высокой температуры.
Недостаток этого типа системы нейтрального газа заключается в том, что она включает в себя средства измерения количества кислорода, работающие в условиях высокой температуры и основанные на металлическом материале. Таким образом, система нейтрального газа является объемной и тяжелой и содержит сравнительно сложную систему соединительных деталей.
Кроме этого, такой тип измерительного устройства чувствителен к условиям окружающей среды и результат измерения, полученный таким устройством, может иметь неконтролируемое отклонение. Результаты измерения, полученные циркониевым зондом, изменяются в зависимости от условий окружающей среды, при которых используется указанный зонд, в частности в зависимости от температуры и давления, в которых находится измерительный механизм.
Наконец, результат измерения, полученный зондом, обладает случайным отклонением в зависимости от времени из-за старения чувствительного элемента, основанного на цирконии.
Краткое изложение сущности изобретения
Таким образом, целью настоящего изобретения является устранение этих недостатков путем предоставления системы нейтрального газа для продувки нейтральным газом топливного бака воздушного судна, которая дополнительно предоставляет возможность вычисления количества кислорода, присутствующего в нейтральном газе, нагнетаемом в топливный бак, простым, надежным и точным в течение долгого времени образом, не оказывая существенного влияния на вес указанной системы.
Другая цель настоящего изобретения заключается, в частности, в предоставлении такой системы нейтрального газа, в котором измерение количества кислорода менее чувствительно к условиям окружающей среды, с тем чтобы ограничить отклонение этого измерения или в действительности устранить указанное отклонение.
В связи с этим, настоящее изобретение предоставляет систему нейтрального газа для продувки нейтральным газом по меньшей мере одного топливного бака воздушного судна, такого как, например, самолет, или вертолет, или тому подобное, при этом указанная система нейтрального газа содержит:
- по меньшей мере один генератор нейтрального газа, в который подается отбираемый воздух, отводимый от по меньшей мере одного двигателя, и/или воздух из пассажирского салона; и
- распределительный механизм для распределения нейтрального газа к топливному баку/топливным бакам, присоединенный к генератору нейтрального газа и содержащий измерительное устройство для измерения количества кислорода, присутствующего в указанном нейтральном газе.
Согласно настоящему изобретению измерительное устройство содержит:
- датчик, содержащий фосфоресцирующее вещество, расположенный в распределительном механизме и соприкасающийся с нейтральным газом;
- источник света, освещающий фосфоресцирующее вещество;
- измерительный механизм для измерения фосфоресценции фосфоресцирующего вещества; и
- вычислительное устройство для вычисления количества кислорода, присутствующего в нейтральном газе, в зависимости от ослабления измеренной фосфоресценции, что непосредственно связано с количеством кислорода в нейтральном газе.
Определенные материалы имеют свойство испускать фотоны при переходе от возбужденного состояния к нижнему энергетическому уровню. Возбужденное состояние получается, например, путем поглощения электромагнитного излучения, испускаемого источником света. Это приводит к эффекту ослабления или погашения фосфоресценции, причем этот эффект связан с наличием молекулы в реакционной среде, например с наличием кислорода. Чем выше скорость ослабления фосфоресценции материала, тем больше количество кислорода, присутствующего в нейтральном газе, окружающем фосфоресцирующее вещество. В зависимости от постоянной времени ослабления фосфоресценции материала вычислительное устройство подходит для вычисления количества кислорода, присутствующего в газе. На практике, вычислительное устройство определяет изменение интенсивности фосфоресценции в зависимости от времени и вычисляет постоянную затухания. Именно эта постоянная затухания позволяет вычислять количество кислорода, присутствующего в газе, в зависимости от используемого фосфоресцирующего вещества.
Таким образом, систему нейтрального газа согласно изобретению проще реализовать, поскольку она не обязательно требует какой-либо камеры, специфичной для измерения, и не создает какой-либо зоны температурного максимума в системе. Измерительное устройство системы нейтрального газа работает, не нагреваясь, и в режиме реального времени. Кроме этого, оно более компактно, меньше весит и является менее сложным по сравнению с вышеописанными системами известного уровня техники.
Определение количества кислорода, присутствующего в нейтральном газе, на выходе из генератора нейтрального газа позволяет осуществлять диагностическую оценку указанного генератора для проверки его эксплуатационного состояния и его производительности и для того, чтобы определить необходимость планирования замены или технического обслуживания указанного генератора.
В конкретном варианте осуществления системы нейтрального газа, датчик присоединен посредством оптических волокон, во-первых, к источнику света и, во-вторых, к измерительному механизму, при этом указанный источник света и указанный измерительный механизм расположены снаружи распределительного механизма для распределения нейтрального газа.
Таким образом, источник света находится на удалении от фосфоресцирующего вещества и освещает фосфоресцирующее вещество посредством оптических волокон. То же применимо для измерительного механизма, который также может находиться на удалении, поскольку он обнаруживает фосфоресценцию материала посредством оптических волокон. Оптические волокна являются гибкими, обладают малым весом и могут быть согнуты, и это существенно облегчает сборку системы. Ни объем, ни вес системы не увеличиваются.
В конкретном варианте осуществления фосфоресцирующее вещество содержит полимерную матрицу и фосфоресцирующий состав и, например, имеет форму гранулы.
Преимущественным образом, источник света содержит по меньшей мере один светоизлучающий диод (LED).
Когда используемое фосфоресцирующее вещество также обладает флуоресценцией в ответ на освещение источником света, и для максимальной точности измерений, датчик включает в себя средство для удаления флуоресцентных излучений и отражения падающего света, исходящего от источника света, от указанного фосфоресцирующего вещества.
Измерительный механизм относится к любому подходящему типу и, например, включает фотодетектор.
Краткое описание графических материалов
Другие преимущества и характеристики станут более очевидными из следующего описания измерительного устройства согласно изобретению, предоставленного в качестве неограничивающего примера и со ссылкой на сопроводительные графические материалы, на которых:
на фиг. 1 показана блок-схема, демонстрирующая принцип системы нейтрального газа согласно изобретению;
на фиг. 2 показано схематическое изображение, демонстрирующее расположение измерительного устройства относительно механизма для распределения нейтрального газа;
на фиг. 3 показано схематическое изображение варианта осуществления измерительного устройства системы нейтрального газа согласно изобретению; и
на фиг. 4 показан график, демонстрирующий, для определенного фосфоресцирующего вещества, постоянную времени ослабления фосфоресценции указанного фосфоресцирующего вещества, когда оно освещено источником света, в зависимости от количества кислорода, присутствующего в нейтральном газе.
Подробное описание изобретения
Со ссылкой на фиг. 1, изобретение относится к системе (1) нейтрального газа для продувки нейтральным газом одного или нескольких топливных баков (2) воздушного судна, при этом система нейтрального газа генерирует азот или какой-либо другой нейтральный газ, такой как, например, углекислый газ, и нагнетает его в указанный топливный бак/топливные баки (2) в целях безопасности для уменьшения риска взрыва указанных баков (2).
Система (1) нейтрального газа в общем содержит бортовую систему (3) генерации инертного газа (OBIGGS), в которую подается воздух, например отбираемый воздух, отводимый от по меньшей мере одного двигателя, и/или воздух, поступающий из пассажирского салона воздушного судна. Генератор (3) нейтрального газа имеет форму, например, цеолитных мембран, с помощью которых воздух сжимается таким образом, чтобы получить, во-первых, нейтральный газ, обладающий высоким содержанием азота, и, во-вторых, газ, обладающий высоким содержанием кислорода.
Система (1) нейтрального газа дополнительно содержит распределительный механизм (4), например, такой как каналы для распределения нейтрального газа к топливному баку/топливным бакам (2), при этом указанные каналы присоединены к генератору (3) нейтрального газа. Цель нагнетаемого нейтрального газа заключается в создании нейтральной среды в топливном баке/топливных баках (2), т.е. в предоставлении возможности уменьшения содержания кислорода, присутствующего в указанном баке/баках (2), и, в частности, в поддержании этого содержания кислорода на уровне ниже определенного порогового значения, предпочтительно ниже 12%.
Согласно настоящему изобретению система (1) нейтрального газа дополнительно содержит измерительное устройство (5) для измерения количества кислорода, присутствующего в нейтральном газе, нагнетаемом в бак/баки (2).
Точнее, и как изображено на фиг. 2, измерительное устройство (5) содержит датчик (6), содержащий фосфоресцирующее вещество (7). Датчик (6) расположен внутри распределительного механизма (4), например внутри газового канала (4a) или внутри клапана, ниже по потоку относительно генератора (3) нейтрального газа и выше по потоку относительно баков (2), и таким образом, чтобы фосфоресцирующее вещество (7) соприкасалось с нейтральным газом. Стрелка (G), проходящая сквозь канал (4a), обозначает нейтральный газ, текущий по нему.
Как изображено на фиг. 3, и в конкретном варианте осуществления, датчик (6) имеет форму зонда (6a), погруженного в распределительный механизм (4) и соприкасающегося с нейтральным газом. Этот зонд (6a) содержит переходник (6b), к одному концу которого прикреплено фосфоресцирующее вещество (7). Переходник (6b) собственно расположен на одном конце зонда (6a) с тем, чтобы обеспечить контакт фосфоресцирующего вещества (7) с нейтральным газом.
Другой конец переходника (6b) оснащен первым и вторым оптическими волокнами (8, 9), расположенными на одной линии с указанным фосфоресцирующим веществом (7), т.е. их концы выровнены относительно указанного фосфоресцирующего вещества (7). Первое оптическое волокно/оптические волокна (8) присоединены к источнику (10) света, содержащему по меньшей мере один светоизлучающий диод для освещения указанного фосфоресцирующего вещества (7). Второе оптическое волокно/оптические волокна (9) присоединены к измерительному механизму (11) для измерения фосфоресценции фосфоресцирующего вещества (7), который выполнен в форме, например, фотодетектора (11a).
Таким образом, источник (10) света освещает фосфоресцирующее вещество (7) в течение промежутка времени длительностью от 0,1 миллисекунды (мс) до нескольких миллисекунд, например 3 мс, для того, чтобы заставить указанное фосфоресцирующее вещество (7) перейти в возбужденное состояние. После освещения фосфоресцирующего вещества (7) и во время перехода указанного фосфоресцирующего вещества (7) к нижнему энергетическому уровню, указанное фосфоресцирующее вещество испускает фотоны, тем самым демонстрируя свою фосфоресценцию. Фосфоресценция измеряется фотодетектором (11a) посредством вторых оптических волокон (9). Ослабление фосфоресценции, измеренной фотодетектором (11a), вычисляется вычислительным устройством (12), причем ослабление непосредственно связано с количеством кислорода в нейтральном газе.
Вычислительное устройство (12) содержит средства обработки данных, подходящие, во-первых, для удаления флуоресцентных излучений, когда используемое фосфоресцирующее вещество (7) также является флуоресцентным, и, во-вторых, для удаления отражения падающего света, исходящего от источника (10) света, от указанного фосфоресцирующего вещества (7). В другом конкретном варианте осуществления фотодетектор (11a) обнаруживает фосфоресценцию фосфоресцирующего вещества (7) через оптический фильтр (13), подходящий для осуществления этих функций удаления.
Предпочтительно, фотодетектор (11a) и источник (10) света являются частью модуля (14), присоединенного к вычислительному устройству (12), такому как компьютер, предоставляя возможность, во-первых, подавать электричество к модулю (14) и, во-вторых, вычислять количество кислорода в нейтральном газе в зависимости от данных об интенсивности фосфоресценции, полученных от фотодетектора (11a). Вычислительное устройство (12) определяет изменение интенсивности фосфоресценции в зависимости от времени и вычисляет постоянную затухания. Именно эта постоянная затухания позволяет вычислять количество кислорода, присутствующего в газе, в зависимости от используемого фосфоресцирующего вещества (7).
Что касается фосфоресцирующего вещества (7), возможны различные составы. Ключевое требование заключается в том, что указанный материал должен переходить из фосфоресцирующего возбужденного состояния, когда он освещается источником (10) света, в не фосфоресцирующее не возбужденное обычное состояние.
На практике фотодетектор (11a) измеряет указанную фосфоресценцию и вычислительное устройство (12) обеспечивает возможность вычисления ослабления фосфоресценции, а именно постоянной времени ослабления фосфоресценции, причем ослабление зависит, в частности, от количества кислорода, присутствующего в нейтральном газе.
Таким образом, возможно заранее генерировать график, такой как график, показанный на фиг. 4, идентифицирующий постоянную времени ослабления фосфоресценции фосфоресцирующего вещества (7), определенную в присутствии известного количества кислорода. Определенное фосфоресцирующее вещество (7) характеризуется конкретным химическим составом и конкретной толщиной.
Таким образом, посредством указанного графика возможно определить количество кислорода, присутствующего в нейтральном газе, в зависимости от постоянной времени ослабления фосфоресценции, вычисленной вычислительным устройством (12).
Для рассматриваемого применения, заключающегося в поддержании уровня кислорода, присутствующего в нейтральном газе, нагнетаемом в топливный бак (2), ниже конкретного порогового значения, в частности ниже 12%, фосфоресцирующее вещество (7) должно обладать существенным ослаблением своей фосфоресценции в присутствии такого количества кислорода. Таким образом, предпочтительно иметь фосфоресцирующее вещество (7), обладающее большим изменением скорости ослабления его фосфоресценции в присутствии от 5% кислорода в газе до 15% кислорода в газе, и предпочтительно в присутствии от 8% кислорода до 12% кислорода. Ослабление должно быть точным и быстрым, в частности в пределах периода времени от 1 мин до 5 мин, учитывая применение, связанное с безопасностью воздушного судна.
Кроме этого, количество кислорода в газе, причем количество связано с ослаблением фосфоресценции фосфоресцирующего вещества (7), также зависит от температуры и от парциального давления кислорода, присутствующего в газе. Таким образом, вычислительное устройство (12) также присоединено к средствам, предоставляющим возможность измерения температуры и/или парциального давления кислорода, для того, чтобы позволить вычислить количество кислорода.
В предпочтительном варианте осуществления, совместимом с рассматриваемым применением касательно скорости ослабления фосфоресценции, а именно времени реакции материала и диапазона количества кислорода, в пределах которого ослабление является наиболее значительным, используемое фосфоресцирующее вещество (7), например, имеет форму гранулы диаметром в диапазоне от нескольких миллиметров (мм) до приблизительно 1 см и толщиной 150 микрометров (мкм). Гранула содержит полимерную матрицу, содержащую фосфоресцирующий состав. Фосфоресцирующий состав может представлять собой комплекс порфирина, металла 10 группы, такой как комплекс порфирина палладия или платины.
В качестве примера, фосфоресцирующий состав может представлять собой:
- 5,10,15,20-тетракис(2,3,4,5,6-пентафторфенил)порфирин-Pd(II):
где M = Pd
- 2,3,7,8,12,13,17,18-Октаэтилпорфирин-Pd(II) или 2,3,7,8,12,13,17,18-октаэтилпорфирин-Pt(II):
где M = Pd или Pt
- Мезо-тетрафенилпорфирин-Pd(II) или Мезо-тетрафенилпорфирин-Pt(II):
где M = Pd или Pt
- 5,10,15,20-Тетракис(4-гидроксиметилфенил)порфирин-Pt(II):
где M = Pt
Другие соединения могут применяться в пределах объема изобретения, такие как, в частности, органические соединения типа:
, или , или
Полимерная матрица смешивается с фосфоресцирующим составом. Полимерная матрица должна быть выбрана в зависимости от рассматриваемого применения. Другими словами, полимерная матрица должна обладать некоторой устойчивостью к парам авиационного топлива и должна быть соединена с фосфоресцирующим составом. В идеальном варианте возможно иметь одну или несколько ковалентных связей между молекулами матрицы и фосфоресцирующего состава.
Полимерная матрица может представлять собой полиуретан, полученный в результате реакции соединения, имеющего по меньшей мере две изоцианатные функции, и соединения, имеющего по меньшей мере две спиртовые функции.
В качестве примера, полимерная матрица может представлять собой полиуретан, полученный в результате реакции между следующими веществами:
- PTDI (поли(пропиленгликоль), толуол 2, 4-диизоцианат-завершенный):
и
- TMP (триметилпропан):
Также в смесь может быть добавлено поверхностно-активное вещество.
В другом варианте осуществления полимерная матрица может представлять собой полиуретан, полученный в результате реакции между следующими веществами:
- TMP (триметилпропан):
и
- PHD (поли(гексаметилен диизоцианат):
Затем фосфоресцирующий состав внедряется в полиуретан для формирования фосфоресцирующего вещества (7) согласно настоящему изобретению.
Как видно из вышеописанного, настоящее изобретение предоставляет систему (1) нейтрального газа для продувки нейтральным газом топливного бака воздушного судна, причем система способна вычислять количество кислорода, присутствующего в нейтральном газе, нагнетаемом в топливный бак/топливные баки (2). Вычисление количества кислорода является простым, надежным и точным с течением времени и не оказывает существенного влияния на вес указанной системы, поскольку она использует легкие оптические волокна. Система реализует измерение посредством люминесценции, которое не приводит к какому-либо повышению температуры измерительного устройства (5). Измерение осуществляется в холодных условиях, без какого-либо риска для системы (1) нейтрального газа и воздушного судна. Фосфоресценция материала не ухудшается или изменяется под воздействием условий окружающей среды, так что результаты измерения не отклоняются с течением времени.
Вычисление количества кислорода позволяет воздействовать на генератор (3) нейтрального газа в зависимости от вычисленной величины, с тем чтобы генерировать нейтральный газ, имеющий большее или меньшее содержание кислорода, для нагнетания в топливный бак/топливные баки (2).
Наконец, изобретение позволяет определять качество нейтрального газа на выходе из генератора нейтрального газа и, таким образом, позволяет осуществлять диагностическую оценку указанного генератора для проверки его эксплуатационного состояния и его производительности и используется для того, чтобы определить необходимость планирования замены или технического обслуживания указанного генератора.