本发明涉及属于航空系统技术领域，尤其涉及一种利用发动机尾气热量的机载耗氧型惰化系统。
背景技术：
现代飞机的安全问题一直以来受到社会的广泛关注，而燃油系统燃烧、爆炸是引起飞机失事的主要原因之一。有数据表明，在越南战争中，美国空军受到地面火力攻击而损失数千架飞机，其中由于飞机油箱起火爆炸导致机毁人亡的比例就高达50%，同时1996年波音747飞机twa800起飞后，在爬升过程中中央翼燃油箱的可燃蒸汽被点燃导致爆炸，全机人员丧生。由此可见，无论对于军机还是民机，都必须采用有效地措施来防止油箱燃爆。也就是说，飞机油箱的防火抑爆能力不仅关系到飞机的生存能力和易损性，同时也关系到飞机的利用率、成本和乘客的安全。
常见的飞行器油箱惰化技术主要有液氮惰化技术、halon1301惰化技术、分子筛技术、膜分离技术等。其中中空纤维膜制取富氮气体的机载制氮惰化技术（on-boardinertgasgeneratorsystem，obiggs）是目前最经济、实用的飞机油箱燃爆抑制技术。obiggs把来自发动机或环控系统的引气，经过温度调节、压力调节、去除臭氧、水分、杂质等污染物后，通入由中空纤维膜构成的空气分离装置内分离成富氧气体和富氮气体，富氧气体排出机外，富氮气体则按不同的流量模式充入燃油箱进行洗涤或冲洗。
但是obiggs技术仍存在很多问题，如分离膜效率低导致飞机代偿损失大、分离膜入口需求压力高导致在很多机型上无法使用（如直升机）、细小的膜丝和渗透孔径逐渐堵塞及气源中臭氧导致膜性能衰减严重、富氮气体填充油箱时导致燃油蒸汽外泄污染环境等。
近年来，国内外一些公司和研究机构还在进行采用催化燃烧方法来消耗油箱气相空间的氧气和可燃蒸汽从而降低油箱可燃风险的方法，称之为“绿色惰化技术”（greenon-boardinertgasgenerationsystem，gobiggs）。这种新型惰化技术具有几个重要优势：基本无需预热，启动速度快，加之氧气在反应器中被消耗，惰化效率高、时间短；不向外排出燃油蒸汽，绿色环保。但是需要将反应气体加热到200℃以上，才可以促使催化燃烧反应发生。而航空发动机尾气温度一般可以超过500℃，所以本发明利用发动机尾气的热量来加热反应气体，在减轻惰化装置重量的同时，提高了能量利用率；除此之外，还设置一套电加热系统，用于地面惰化时使用。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种利用发动机尾气热量的机载耗氧型惰化系统。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种利用发动机尾气热量的机载耗氧型惰化系统，包含油箱、第一阻火器、第一风机、预热器、第一电动调节阀、电加热器、第二电动调节阀、第一换热器、第一温度传感器、第一氧浓度传感器、第一碳氢化合物传感器、反应器、第二碳氢化合物传感器、第二氧浓度传感器、冷却器、水分离器、第二温度传感器、第三电动调节阀、第一单向止回阀、第二阻火器、第三氧浓度传感器、第二风机、电动三通调节阀、第二单向止回阀、第二换热器、动力循环装置、第四电动调节阀和自动控制器；
所述油箱包含气体出口和气体入口；所述电动三通调节阀包含一个入口和两个出口；所述自动控制器包含一个电流输入端和两个电流输出端；
所述油箱的气体出口、第一阻火器、第一风机的入口通过管道依次连接；
所述第一风机的出口分别和所述第二单向止回阀的出口、预热器冷侧通道的入口通过管道连接；
所述预热器冷侧通道的出口分别和所述第一电动调节阀的入口、第二电动调节阀的入口通过管道连接；
所述第一电动调节阀的出口通过管道和所述电加热器的入口连接；
所述第二电动调节阀出口通过管道和所述第一换热器冷侧通道的入口连接；
所述第一温度传感器的入口分别和所述电加热器的出口、第一换热器冷侧通道的出口通过管道连接；
所述第一温度传感器的出口、第一氧浓度传感器、第一碳氢化合物传感器、反应器、第二碳氢化合物传感器、第二氧浓度传感器、预热器的热侧通道、冷却器的热侧通道、水分离器、第二温度传感器、第三电动调节阀、第一单向止回阀、第二阻火器、油箱的气体入口通过管道依次连接；
所述第三氧浓度传感器的探头伸入所述油箱内，用于感应所述油箱内氧气的浓度，并将其传递给所述自动控制器；
所述第二风机的入口接冲压空气，出口通过管道和所述电动三通调节阀的入口连接；
所述电动三通调节阀的一个出口通过管道和所述第二单向止回阀的入口连接，另一个出口通过管道和所述冷却器冷侧通道的入口连接；
所述冷却器冷侧通道的出口通过管道连接至废气排放处；
所述第四电动调节阀的入口接外部导热媒介，第四电动调节阀的出口分别和所述第二换热器冷侧通道的出口、动力循环装置的入口通过管道连接；
所述动力循环装置的出口、第一换热器热侧通道、第二换热器冷侧通道的入口通关管道依次连接；
所述第二换热器热侧通道的入口接发动机尾气，第二换热器热侧通道的出口通过管道连接至废气排放处；
所述自动控制器的电流输入端分别和所述第二温度传感器、第三氧浓度传感器、第一温度传感器、第一氧浓度传感器、第一碳氢化合物传感器、第二碳氢化合物传感器、第二氧浓度传感器电气连接；
所述自动控制器的一个电流输出端分别和所述第一风机、第一电动调节阀、电加热器、第二电动调节阀、动力循环装置、第四电动调节阀电气相连；
所述自动控制器的另一个电流输出端分别和所述第三电动调节阀、第二风机、电动三通调节阀电气相连。
本发明还公开了另一种利用发动机尾气热量的机载耗氧型惰化系统，包含油箱、第一阻火器、第一风机、预热器、第一电动调节阀、电加热器、第二电动调节阀、第一换热器、第一温度传感器、第一氧浓度传感器、第一碳氢化合物传感器、反应器、第二碳氢化合物传感器、第二氧浓度传感器、冷却器、水分离器、第二温度传感器、第三电动调节阀、第一单向止回阀、第二阻火器、第三氧浓度传感器、第二风机、电动三通调节阀、第二单向止回阀和自动控制器；
所述油箱包含气体出口和气体入口；所述电动三通调节阀包含一个入口和两个出口；所述自动控制器包含一个电流输入端和两个电流输出端；
所述油箱的气体出口、第一阻火器、第一风机的入口通过管道依次连接；
所述第一风机的出口分别和所述第二单向止回阀的出口、预热器冷侧通道的入口通过管道连接；
所述预热器冷侧通道的出口分别和所述第一电动调节阀的入口、第二电动调节阀的入口通过管道连接；
所述第一电动调节阀的出口通过管道和所述电加热器的入口连接；
所述第二电动调节阀出口通过管道和所述第一换热器冷侧通道的入口连接；
所述第一温度传感器的入口分别和所述电加热器的出口、第一换热器冷侧通道的出口通过管道连接；
所述第一温度传感器的出口、第一氧浓度传感器、第一碳氢化合物传感器、反应器、第二碳氢化合物传感器、第二氧浓度传感器、预热器的热侧通道、冷却器的热侧通道、水分离器、第二温度传感器、第三电动调节阀、第一单向止回阀、第二阻火器、油箱的气体入口通过管道依次连接；
所述第三氧浓度传感器的探头伸入所述油箱内，用于感应所述油箱内氧气的浓度，并将其传递给所述自动控制器；
所述第二风机的入口接冲压空气，出口通过管道和所述电动三通调节阀的入口连接；
所述电动三通调节阀的一个出口通过管道和所述第二单向止回阀的入口连接，另一个出口通过管道和所述冷却器冷侧通道的入口连接；
所述冷却器冷侧通道的出口通过管道连接至废气排放处；
所述第一换热器热侧通道的入口接发动机尾气，第一换热器热侧通道的出口通过管道连接至废气排放处；
所述自动控制器的电流输入端分别和所述第二温度传感器、第三氧浓度传感器、第一温度传感器、第一氧浓度传感器、第一碳氢化合物传感器、第二碳氢化合物传感器、第二氧浓度传感器电气连接；
所述自动控制器的一个电流输出端分别和所述第一风机、第一电动调节阀、电加热器、第二电动调节阀电气相连；
所述自动控制器的另一个电流输出端分别和所述第三电动调节阀、第二风机、电动三通调节阀电气相连。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明公开了一种利用发动机尾气热量的机载耗氧型惰化系统，将油箱上部气相空间燃油蒸气和空气混合物经过温度调节后在催化氧化反应器中进行无焰催化燃烧，燃油蒸汽中的碳氢化合物被氧化成二氧化碳和水，经过冷却器及水分离器后，得到的低含水量惰化混合气返回油箱上部进行冲洗惰化，达到防火防爆的目的。本发明中，利用发动机尾气的热量来加热反应气体，使其达到发生催化反应条件。地面惰化时，使用独立的电加热装置。具有能量利用率高、优化惰化系统性能、惰化时间短、无环境污染等优点。
附图说明
图1为本发明中一种利用发动机尾气热量间接加热的机载耗氧型惰化系统示意图；
图2为本发明中一种利用发动机尾气热量直接加热的机载耗氧型惰化系统示意图。
图中，1-油箱，2-第一阻火器，3-第一风机，4-预热器，5-第一电动调节阀，6-电加热器，7-第二电动调节阀，8-第一换热器，9-第一温度传感器，10-第一氧浓度传感器，11-第一碳氢化合物传感器，12-反应器，13-第二碳氢化合物传感器，14-第二氧浓度传感器，15-冷却器，16-水分离器，17-第二温度传感器，18-第三电动调节阀，19-第一单向止回阀，20-第二阻火器，21-第三氧浓度传感器，22-第二风机，23-电动三通调节阀，24-第二单向止回阀，25-第二换热器，26-动力循环装置，27-第四电动调节阀，28-自动控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
如图1所示，一种利用发动机尾气热量的机载耗氧型惰化系统。油箱1出口通过管道依次连接有第一阻火器2、第一风机3入口；所述第一风机3出口与第二单向止回阀24出口通过管道同时与预热器4冷侧通道入口连接；所述预热器4冷侧通道出口通过管道同时与第一电动调节阀5入口、第二电动调节阀7入口连接；所述第一电动调节阀5出口与电加热器6入口连接；所述第二电动调节阀7出口与第一换热器8冷侧通道入口连接；所述电加热器6出口与第一换热器8冷侧通道出口通过管道同时与第一温度传感器9入口连接；所述第一温度传感器9出口通过管道依次连接有第一氧浓度传感器10、第一碳氢化合物传感器11、反应器12、第二碳氢化合物传感器13、第二氧浓度传感器14、所述预热器4热侧通道、冷却器15热侧通道、水分离器16、第二温度传感器17、第三电动调节阀18、第一单向止回阀19、第二阻火器20、所述油箱1入口。第三氧浓度传感器21通过探头与所述油箱1连接。
冲压空气经第二风机22抽吸，所述第二风机22出口通过管道与电动三通调节阀23入口连接；所述电动三通调节阀23有两个出口，其一出口通过管道与第二单向止回阀24入口连接；其二出口通过管道与冷却器15冷侧通道入口连接；所述冷却器15冷侧通道出口废气通过管道排出机外。所述导热媒介流入第四电动调节阀27入口；所述第四电动调节阀27出口与第二换热器25冷侧通道出口通过管道同时与动力循环装置26入口连接；所述动力循环装置26出口通关管道依次连接有所述第一换热器8热侧通道、所述第二换热器25冷侧通道入口；发动机尾气流经所述第二换热器25热侧通道后排出机外。
自动控制器28有一个电流输入端、两个电流输出端，所述第二温度传感器17、第三氧浓度传感器21、第一温度传感器9、第一氧浓度传感器10、第一碳氢化合物传感器11、第二碳氢化合物传感器13、第二氧浓度传感器14通过电缆并联并与所述自动控制器28电流输入端连接；所述自动控制器28其一电流输出端通过电缆分别与所述第一风机3、第一电动调节阀5、电加热器6、第二电动调节阀7、动力循环装置26、第四电动调节阀27的电流输入端连接。所述自动控制器28其二电流输出端通过电缆分别与所述第三电动调节阀18、第二风机22、电动三通调节阀23的电流输入端连接。
本实施例用于对飞行器燃油箱冲洗惰化，具体工作过程如下：
1）燃油箱惰化过程：所述油箱1上部的气体在所述风机3的抽吸作用下，流经所述第一阻火器2、所述风机3；与流经所述第二单向止回阀24的冲压空气混合；混合气体在所述预热器4中被预热；地面惰化时，混合气体流经所述第一电动调节阀5后，在所述电加热器6中被进一步加热至反应所需温度；飞行过程中惰化时，混合气体流经所述第二电动调节阀7后，在所述第一换热器8冷侧通道中被加热至反应所需温度；高温气体依次流经所述第一温度传感器9、第一氧浓度传感器10、第一碳氢化合物传感器11；在所述反应器12中发生催化反应；反应后的高温高湿气体主要为氮气、二氧化碳、水；高温高湿气体依次流过所述第二碳氢化合物传感器13、第二氧浓度传感器14；在所述初级冷却器4中被初步冷却；然后在所述冷却器15热侧通道中被冲压空气进一步冷却；被冷却的气体在所述水分离器16出析出液态水，液态水通过管道排出机外；得到低温干燥的空气依次流经所述第二温度传感器17、第三电动调节阀18、单向止回阀19、第二阻火器20；最后得到富氮气体流回油箱进行冲洗惰化。冲压空气经第二风机22抽吸后，在所述电动三通调节阀23中分为两股，一股流经所述第二单向止回阀24后与油箱上部的气体混合后准备参与反应；另一股流过所述冷却器15冷侧通道冷却反应后高温气体。
2）尾气加热过程：由于发动机尾气含有有毒成分，所以采用导热媒介作为中间介质，避免发动机尾气渗透到反应气体中；所述导热媒介可以为空气、导热油等介质。导热媒介在所述第二换热器25冷侧通道中吸收发动机尾气热量；然后在所述动力循环装置26的作用下，进入第一换热器8热侧通道中对参与反应的混合气体加热；然后再流回第二换热器25冷侧通道；当循环导热媒介不足时，备用媒介流经所述第四电动调节阀27进入循环内进行补充。
3）系统开启、关闭、控制的过程：
开启过程——所述第三氧浓度传感器21探测所述油箱1气相空间氧气浓度并将信号传输到所述自动控制器28，当氧气浓度大于给定值时，自动控制器28连通所述第一风机3、第一电动调节阀5、电加热器6、第二电动调节阀7、动力循环装置26、第四电动调节阀27、第三电动调节阀18、第二风机22、电动三通调节阀23之间的电路，系统处于工作状态。
关闭过程——所述第三氧浓度传感器21探测所述油箱1气相空间氧气浓度小于给定值时，自动控制器28断开所述第一风机3、第一电动调节阀5、电加热器6、第二电动调节阀7、动力循环装置26、第四电动调节阀27、第三电动调节阀18、第二风机22、电动三通调节阀23之间的电路，系统处于关闭状态。
控制过程——系统处于工作状态时，所述自动控制器28连通所述第二温度传感器17、第三氧浓度传感器21、第一温度传感器9、第一氧浓度传感器10、第一碳氢化合物传感器11、第二碳氢化合物传感器13、第二氧浓度传感器14之间的电路并采集对应数据。根据所述第三氧浓度传感器21传回的氧浓度数值来控制所述变频风机4的频率；当进行地面惰化时，开启所述第一电动调节阀5、关闭所述第二电动调节阀7，根据所述第一温度传感器9探测到的气体温度来控制所述电加热器6的加热频率；当飞行状态惰化时，关闭所述第一电动调节阀5、开启所述第二电动调节阀7，根据所述第一温度传感器9探测到的气体温度来控制所述动力循环装置26的频率以及所述第四电动调节阀27的开闭；根据所述第一氧浓度传感器10、第一碳氢化合物传感器11、第二碳氢化合物传感器13、第二氧浓度传感器14探测到的反应前后气体氧浓度及碳氢化合物浓度来控制所述电动三通调节阀23的开度，以提高惰化效率。通过所述第二温度传感器17探测气体温度并将信号传输到所述自动控制器28；当温度大于给定值时，所述控制器28输出控制信号给所述第三电动调节阀18，使其关闭，以保证返回油箱进行惰化的气体温度低于规定值，保证油箱安全；并根据所述第二温度传感器17探测到的气体温度，来控制所述第二风机22的频率以及电动三通调节阀23的开度。
图2为一种利用发动机尾气热量直接加热的机载耗氧型惰化系统示意图。该系统与实施例1的差别在于，去掉了导热媒介的中间导热。发动机尾气直接对所述反应混合气体进行加热。
油箱1出口通过管道依次连接有第一阻火器2、第一风机3入口；所述第一风机3出口与第二单向止回阀24出口通过管道同时与预热器4冷侧通道入口连接；所述预热器4冷侧通道出口通过管道同时与第一电动调节阀5入口、第二电动调节阀7入口连接；所述第一电动调节阀5出口与电加热器6入口连接；所述第二电动调节阀7出口与第一换热器8冷侧通道入口连接；所述电加热器6出口与第一换热器8冷侧通道出口通过管道同时与第一温度传感器9入口连接；所述第一温度传感器9出口通过管道依次连接有第一氧浓度传感器10、第一碳氢化合物传感器11、反应器12、第二碳氢化合物传感器13、第二氧浓度传感器14、所述预热器4热侧通道、冷却器15热侧通道、水分离器16、第二温度传感器17、第三电动调节阀18、第一单向止回阀19、第二阻火器20、所述油箱1入口。第三氧浓度传感器21通过探头与所述油箱1连接。
冲压空气经第二风机22抽吸，所述第二风机22出口通过管道与电动三通调节阀23入口连接；所述电动三通调节阀23有两个出口，其一出口通过管道与第二单向止回阀24入口连接；其二出口通过管道与冷却器15冷侧通道入口连接；所述冷却器15冷侧通道出口废气通过管道排出机外。发动机尾气流经所述第一换热器8热侧通道后排出机外。
自动控制器28有一个电流输入端、两个电流输出端，所述第二温度传感器17、第三氧浓度传感器21、第一温度传感器9、第一氧浓度传感器10、第一碳氢化合物传感器11、第二碳氢化合物传感器13、第二氧浓度传感器14通过电缆并联并与所述自动控制器28电流输入端连接；所述自动控制器28其一电流输出端通过电缆分别与所述第一风机3、第一电动调节阀5、电加热器6、第二电动调节阀7的电流输入端连接。所述自动控制器28其二电流输出端通过电缆分别与所述第三电动调节阀18、第二风机22、电动三通调节阀23的电流输入端连接。
本实施例用于对飞行器燃油箱冲洗惰化，具体工作过程如下：
1）燃油箱惰化过程：所述油箱1上部的气体在所述风机3的抽吸作用下，流经所述第一阻火器2、所述风机3；与流经所述第二单向止回阀24的冲压空气混合；混合气体在所述预热器4中被预热；地面惰化时，混合气体流经所述第一电动调节阀5后，在所述电加热器6中被进一步加热至反应所需温度；飞行过程中惰化时，混合气体流经所述第二电动调节阀7后，在所述第一换热器8冷侧通道中被加热至反应所需温度；高温气体依次流经所述第一温度传感器9、第一氧浓度传感器10、第一碳氢化合物传感器11；在所述反应器12中发生催化反应；反应后的高温高湿气体主要为氮气、二氧化碳、水；高温高湿气体依次流过所述第二碳氢化合物传感器13、第二氧浓度传感器14；在所述初级冷却器4中被初步冷却；然后在所述冷却器15热侧通道中被冲压空气进一步冷却；被冷却的气体在所述水分离器16出析出液态水，液态水通过管道排出机外；得到低温干燥的空气依次流经所述第二温度传感器17、第三电动调节阀18、单向止回阀19、第二阻火器20；最后得到富氮气体流回油箱进行冲洗惰化。冲压空气经第二风机22抽吸后，在所述电动三通调节阀23中分为两股，一股流经所述第二单向止回阀24后与油箱上部的气体混合后准备参与反应；另一股流过所述冷却器15冷侧通道冷却反应后高温气体。
2）尾气加热过程：发动机尾气流经所述第一换热器8热侧通道，在其中对准备参与反应的混合气体进行加热。
3）系统开启、关闭、控制的过程：
开启过程——所述第三氧浓度传感器21探测所述油箱1气相空间氧气浓度并将信号传输到所述自动控制器28，当氧气浓度大于给定值时，自动控制器28连通所述第一风机3、第一电动调节阀5、电加热器6、第二电动调节阀7、第三电动调节阀18、第二风机22、电动三通调节阀23之间的电路，系统处于工作状态。
关闭过程——所述第三氧浓度传感器21探测所述油箱1气相空间氧气浓度小于给定值时，自动控制器28断开所述第一风机3、第一电动调节阀5、电加热器6、第二电动调节阀7、第三电动调节阀18、第二风机22、电动三通调节阀23之间的电路，系统处于关闭状态。
控制过程——系统处于工作状态时，所述自动控制器28连通所述第二温度传感器17、第三氧浓度传感器21、第一温度传感器9、第一氧浓度传感器10、第一碳氢化合物传感器11、第二碳氢化合物传感器13、第二氧浓度传感器14之间的电路并采集对应数据。根据所述第三氧浓度传感器21传回的氧浓度数值来控制所述变频风机4的频率；当进行地面惰化时，开启所述第一电动调节阀5、关闭所述第二电动调节阀7，根据所述第一温度传感器9探测到的气体温度来控制所述电加热器6的加热频率；当飞行状态惰化时，关闭所述第一电动调节阀5、开启所述第二电动调节阀7；根据所述第一氧浓度传感器10、第一碳氢化合物传感器11、第二碳氢化合物传感器13、第二氧浓度传感器14探测到的反应前后气体氧浓度及碳氢化合物浓度来控制所述电动三通调节阀23的开度，以提高惰化效率。通过所述第二温度传感器17探测气体温度并将信号传输到所述自动控制器28；当温度大于给定值时，所述控制器28输出控制信号给所述第三电动调节阀18，使其关闭，以保证返回油箱进行惰化的气体温度低于规定值，保证油箱安全；并根据所述第二温度传感器17探测到的气体温度，来控制所述第二风机22的频率以及电动三通调节阀23的开度。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。