飞机膜制氮油箱惰化与座舱环境控制的耦合系统及方法与流程

本发明属于航空系统技术领域，涉及飞行器燃油箱惰化系统与环控系统耦合，特别涉及一种飞机座舱弥散式供氧系统，具体是一种飞机膜制氮油箱惰化与座舱环境控制的耦合系统及方法。

背景技术：

近50年来，全球范围内运输类飞机燃油箱爆炸事故共发生18起，总计542人遇难，已成为民用航空安全的主要威胁之一。1996年波音747飞机twa800中央翼油箱的可燃蒸汽被点燃导致爆炸，全机人员丧生，促使美国联邦航空管理局颁发了一系列修正案、咨询通报和适航规章，强制要求采取有效措施降低点火源和可燃蒸汽浓度，以减少运输类飞机燃油箱可燃性，增加燃油箱安全。我国民用航空局也制定了类似的航空规章。

美国联邦航空管理局及美国国家运输安全部均认为燃油箱惰化是一种可行的降低油箱燃爆风险的技术措施，其中，中空纤维膜制取富氮气体的机载制氮惰化技术是目前最经济、实用的飞机油箱燃爆抑制技术，在波音和空客的各种型号飞机以及我国国产机型中均有应用。其原理是把来自发动机引气，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，富氮气体充入燃油箱进行洗涤或冲洗惰化，富氧气体作为废气给予排出。

另外，为保障飞机在飞行时，司乘人员的生命健康与设备的正常使用，部分飞机通过设置空气循环制冷系统来调节座舱的温度、压力、氧浓度及空气洁净度，其原理是，来自飞机发动机引气，经过温度调节、压力调节、去除臭氧、水分、杂质等污染物后，进入涡轮冷却器膨胀降温，低温清洁空气进入座舱。

但是，无论是惰化系统，还是空气循环系统，均需提供发动机引气，降低了飞行的可用功率。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中所涉及到的缺陷，提供了一种飞机膜制氮油箱惰化与座舱环境控制的耦合系统，即将惰化系统中高氧浓度的排气与环控系统涡轮冷却器出口气体混合后，再送至座舱，实现调温、调压和弥散式供氧一体化，以确保司乘人员的生理需要。

本发明是这样实现的：

一种飞机膜制氮油箱惰化与座舱环境控制的耦合系统，所述的耦合系统包括发动机引气，所述的发动机引气后分别设置两个股流通道，所述的发动机引气的其一股流通道后连接气体调节装置，气体调节装置后连接空气分离模块，空气分离模块包含气体入口、富氮气体出口、富氧气体出口，所述的发动机引气通过气体调节装置调节后通过气体入口进入空气分离模块；

所述的空气分离模块的富氮气体出口分别并联连接第二电动压力调节阀、第二手动压力调节阀，所述的第二电动压力调节阀、第二手动压力调节阀的出口后依次连接第二流量传感器、第一氧浓度传感器、第二温度传感器、第二压力传感器、第一阻火器、油箱、第二阻火器，第二阻火器的出口端将废气排至机外；油箱上方分别设置有碳氢化合物浓度传感器、第二氧气浓度传感器、第三温度传感器；

所述的空气分离模块的富氧气体出口依次连接引射泵、第三氧气浓度传感器、第四温度传感器、第三压力传感器、第三流量传感器、第三控制阀、混合阀；

所述的发动机引气的其二股流通道后通过第四控制阀依次连接初级换热器、压气机、次级换热器、涡轮、第四氧气浓度传感器、第五温度传感器、第四压力传感器、第四流量传感器、第五控制阀；所述的第五控制阀连接至混合阀的另一入口，上述的系统形成耦合系统。

进一步，所述的气体调节装置与发动机引气的其一股流出口连接，气体调节装置依次为第一控制阀、过滤器、干燥机、加热器、湿度调节器、臭氧转换器、第二控制阀，以及第二控制阀出口并联连接的第一电动压力调节阀、第一手动压力调节阀；以及所述的第一电动压力调节阀、第一手动压力调节阀出口后依次连接的第一压力传感器、第一温度传感器、第一流量传感器、湿度传感器、臭氧浓度传感器、颗粒度检测仪。

进一步，所述的耦合系统通过自动控制器控制，所述的自动控制器包括一个电流输入端和一个电流输出端；所述的自动控制器电流输出端并联连接第一控制阀、加热器、湿度调节器、臭氧转换器、第二控制阀、第一电动压力调节阀、第二电动压力调节阀、引射泵、第三控制阀、第四控制阀、第五控制阀。

进一步，所述的自动控制器电流输入端并联连接第一压力传感器、第一温度传感器、第一流量传感器、湿度传感器、臭氧浓度传感器、颗粒度检测仪、第二流量传感器、第一氧浓度传感器、第二温度传感器、第二压力传感器、碳氢化合物浓度传感器、第二氧气浓度传感器、第三温度传感器、第三氧气浓度传感器、第四温度传感器、第三压力传感器、第三流量传感器、第四氧气浓度传感器、第五温度传感器、第四压力传感器、第四流量传感器。

进一步，所述的初级换热器包含冷侧通道、热侧通道；所述的次级换热器包含冷侧通道、热侧通道；所述的第四控制阀通过管道依次连接有初级换热器热侧通道、压气机、次级换热器热侧通道、涡轮、第四氧气浓度传感器、第五温度传感器、第四压力传感器、第四流量传感器、第五控制阀、混合阀；所述的初级换热器的冷侧通道、次级换热器的冷侧通道相通，通过将初级换热器的冷侧通道、次级换热器的冷侧通道冲压空气排出机外。

本发明还公开了一种飞机膜制氮油箱惰化与座舱环境控制的耦合系统的工作方法，其特征在于，所述的方法为：

当油箱不处于惰化状态时，开启中空纤维膜制取富氮气体的机载制氮惰化系统，此时第一控制阀、加热器、湿度调节器、臭氧转换器、第二控制阀、第一电动压力调节阀、第二电动压力调节阀、引射泵、第三控制阀、第四控制阀、第五控制阀打开；

发动机引气其一股流经第一控制阀后进入系统，先在过滤器、干燥机中进行过滤、干燥处理，然后分别在加热器、湿度调节器中进行调温、调湿，在臭氧转换器中将臭氧除去，流过第二控制阀，在第一电动压力调节阀或第一手动压力调节阀中进行压力调节；所述第一压力传感器、第一温度传感器、第一流量传感器、湿度传感器、臭氧浓度传感器、颗粒度检测仪分别测得分离膜前气体的压力、温度、流量、湿度、臭氧浓度、颗粒度等参数并将信号传输到所述自动控制器，自动控制器分别输出反馈信号给加热器、湿度调节器、臭氧转换器、第二控制阀、第一电动压力调节阀；

调节后的气体进入空气分离模块，产生富氮气体及富氧气体；所述富氮气体在第二电动压力调节阀或第二手动压力调节阀中进行压力调节，依次流过第二流量传感器、第一氧浓度传感器、第二温度传感器、第二压力传感器、第一阻火器后，流入油箱进行冲洗惰化，油箱中多余气体流经第二阻火器后排至机外；

发动机引气其二股流经第四控制阀后，首先在初级换热器热侧通道中被冲压空气冷却，然后进入用涡轮驱动的压气机中升压，在次级换热器中被冲压空气再次冷却后流入涡轮进行膨胀降温；低温低压的气体依次流经第四氧气浓度传感器、第五温度传感器、第四压力传感器、第四流量传感器、第五控制阀、混合阀其一入口；

空气分离模块产生的富氧气体在引射泵抽吸作用下，依次流过第三氧气浓度传感器、第四温度传感器、第三压力传感器、第三流量传感器、第三控制阀，与来自环控系统的低温空气在混合阀中混合，然后送至座舱供司乘人员呼吸使用；

第三氧气浓度传感器、第四温度传感器、第三压力传感器、第三流量传感器、第四氧气浓度传感器、第五温度传感器、第四压力传感器、第四流量传感器将采集的信号传输到所述自动控制器，自动控制器通过调节第三控制阀、第五控制阀的开度来调节流入座舱混合气体的温度、压力。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1）本发明通过将飞行器燃油箱惰化系统与环控系统耦合，即将惰化系统中高氧浓度的排气通过引射泵引射与环控系统中涡轮冷却器出口的低温气体混合，然后送至座舱，调节座舱内的温度、压力、氧气浓度及空气洁净度，保障司乘人员健康与生理需要；

2）本发明的系统有效减少了座舱环控系统的发动机引气量，降低了燃油代偿损失；增加座舱氧浓度水平，有利于提升座舱压力高度、减轻座舱结构重量；降低了膜制氮装置排气压力，增加分离膜内外压差，提高膜装置分离效率。

附图说明

图1为一种飞机膜制氮油箱惰化与座舱环境控制的耦合系统示意图；

其中，1-第一控制阀，2-过滤器，3-干燥机，4-加热器，5-湿度调节器，6-臭氧转换器，7-第二控制阀，8-第一电动压力调节阀，9-第一手动压力调节阀，10-第一压力传感器，11-第一温度传感器，12-第一流量传感器，13-湿度传感器，14-臭氧浓度传感器，15-颗粒度检测仪，16-空气分离模块，17-第二电动压力调节阀，18-第二手动压力调节阀，19-第二流量传感器，20-第一氧浓度传感器，21-第二温度传感器，22-第二压力传感器，23-第一阻火器，24-油箱，25-第二阻火器，26-碳氢化合物浓度传感器，27-第二氧气浓度传感器，28-第三温度传感器，29-引射泵，30-第三氧气浓度传感器，31-第四温度传感器，32-第三压力传感器，33-第三流量传感器，34-第三控制阀，35-混合阀，36-第四控制阀，37-初级换热器，38-压气机，39-次级换热器，40-涡轮，41-第四氧气浓度传感器，42-第五温度传感器，43-第四压力传感器，44-第四流量传感器，45-第五控制阀，46-自动控制器。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。以下所述仅为本发明一部分实施例，非全部实施例。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一种飞机膜制氮油箱惰化与座舱环境控制的耦合系统示意图，本发明的系统包含发动机引气、第一控制阀1、过滤器2、干燥机3、加热器4、湿度调节器5、臭氧转换器6、第二控制阀7、第一电动压力调节阀（8）、第一手动压力调节阀9、第一压力传感器10、第一温度传感器11、第一流量传感器12、湿度传感器13、臭氧浓度传感器14、颗粒度检测仪15、空气分离模块16、第二电动压力调节阀17、第二手动压力调节阀18、第二流量传感器19、第一氧浓度传感器20、第二温度传感器21、第二压力传感器22、第一阻火器23、油箱24、第二阻火器25、碳氢化合物浓度传感器26、第二氧气浓度传感器27、第三温度传感器28、引射泵29、第三氧气浓度传感器30、第四温度传感器31、第三压力传感器32、第三流量传感器33、第三控制阀34、混合阀35、第四控制阀36、初级换热器37、压气机38、次级换热器39、涡轮40、第四氧气浓度传感器41、第五温度传感器42、第四压力传感器43、第四流量传感器44、第五控制阀45、自动控制器46。

空气分离模块16包含气体入口、富氮气体出口、富氧气体出口；初级换热器37包含冷侧通道、热侧通道；次级换热器39包含冷侧通道、热侧通道；混合阀35包含两个入口、一个出口；所述发动机引气通过管道同时与第一控制阀1其一端、第四控制阀36其一端连接；所述第一控制阀1其二端通过管道依次连接有过滤器2、干燥机3、加热器4、湿度调节器5、臭氧转换器6、第二控制阀7其一端；所述第二控制阀7其二端通过管道同时与第一电动压力调节阀8其一端、第一手动压力调节阀9其一端连接；所述第一电动压力调节阀8其二端、第一手动压力调节阀9其二端通过管道同时与第一压力传感器10其一端连接；所述第一压力传感器10其二端通过管道依次连接有第一温度传感器11、第一流量传感器12、湿度传感器13、臭氧浓度传感器14、颗粒度检测仪15、空气分离模块16入口。

所述的空气分离模块16富氮气体出口通过管道同时与第二电动压力调节阀17其一端、第二手动压力调节阀18其一端连接；所述第二电动压力调节阀17其二端、第二手动压力调节阀18其二端通过管道同时与第二流量传感器19其一端连接；所述第二流量传感器19其二端通过管道依次连接有第一氧浓度传感器20、第二温度传感器21、第二压力传感器22、第一阻火器23、油箱24入口；

所述油箱27出口通过管道与第二阻火器25其一端连接；所述第二阻火器25其二端废气排至机外；碳氢化合物浓度传感器26通过探杆与所述油箱24连接；第二氧气浓度传感器27通过探杆与所述油箱24连接；第三温度传感器28通过探杆与所述油箱24连接；所述空气分离模块16富氧气体出口通过管道与引射泵29其一端连接；所述引射泵29其二端通过管道依次连接有第三氧气浓度传感器30、第四温度传感器31、第三压力传感器32、第三流量传感器33、第三控制阀34、混合阀35其一入口；所述第四控制阀36通过管道依次连接有初级换热器37热侧通道、压气机38、次级换热器39热侧通道、涡轮40、第四氧气浓度传感器41、第五温度传感器42、第四压力传感器43、第四流量传感器44、第五控制阀45、混合阀35其二入口；

所述涡轮40通过轴与压气机38连接；冲压空气通过管道依次流经次级换热器39冷侧通道、初级换热器37冷侧通道排至机外；所述混合阀35出口气体送至座舱。

自动控制器46包含一个电流输入端和一个电流输出端；所述第一压力传感器10、第一温度传感器11、第一流量传感器12、湿度传感器13、臭氧浓度传感器14、颗粒度检测仪15、第二流量传感器19、第一氧浓度传感器20、第二温度传感器21、第二压力传感器22、碳氢化合物浓度传感器26、第二氧气浓度传感器27、第三温度传感器28、第三氧气浓度传感器30、第四温度传感器31、第三压力传感器32、第三流量传感器33、第四氧气浓度传感器41、第五温度传感器42、第四压力传感器43、第四流量传感器44通过电缆并联并与所述自动控制器46电流输入端连接；所述自动控制器46电流输出端通过电缆分别与第一控制阀1、加热器4、湿度调节器5、臭氧转换器6、第二控制阀7、第一电动压力调节阀8、第二电动压力调节阀17、引射泵29、第三控制阀34、第四控制阀36、第五控制阀45电流输入端连接。

本发明的一种飞机膜制氮油箱惰化与座舱环境控制的耦合系统工作过程如下：

当油箱不处于惰化状态时，开启中空纤维膜制取富氮气体的机载制氮惰化系统，此时第一控制阀1、加热器4、湿度调节器5、臭氧转换器6、第二控制阀7、第一电动压力调节阀8、第二电动压力调节阀17、引射泵29、第三控制阀34、第四控制阀36、第五控制阀45打开；

所述发动机引气其一股流经第一控制阀1后进入系统，先在过滤器2、干燥机3中进行过滤、干燥处理，然后分别在加热器4、湿度调节器5中进行调温、调湿，在臭氧转换器6中将臭氧除去，流过第二控制阀7，在第一电动压力调节阀8或第一手动压力调节阀9中进行压力调节；所述第一压力传感器10、第一温度传感器11、第一流量传感器12、湿度传感器13、臭氧浓度传感器14、颗粒度检测仪15分别测得分离膜前气体的压力、温度、流量、湿度、臭氧浓度、颗粒度等参数并将信号传输到所述自动控制器46，自动控制器46分别输出反馈信号给加热器4、湿度调节器5、臭氧转换器6、第二控制阀7、第一电动压力调节阀8；

调节后的气体进入空气分离模块16，产生富氮气体及富氧气体；所述富氮气体在第二电动压力调节阀17或第二手动压力调节阀18中进行压力调节，依次流过第二流量传感器19、第一氧浓度传感器20、第二温度传感器21、第二压力传感器22、第一阻火器26后，流入油箱24进行冲洗惰化，油箱中多余气体流经第二阻火器25后排至机外；

所述发动机引气其二股流经第四控制阀36后，首先在初级换热器37热侧通道中被冲压空气冷却，然后进入用涡轮40驱动的压气机38中升压，在次级换热器39中被冲压空气再次冷却后流入涡轮40进行膨胀降温；低温低压的气体依次流经第四氧气浓度传感器41、第五温度传感器42、第四压力传感器43、第四流量传感器44、第五控制阀45、混合阀35其一入口；

空气分离模块16产生的富氧气体在引射泵29抽吸作用下，依次流过第三氧气浓度传感器30、第四温度传感器31、第三压力传感器32、第三流量传感器33、第三控制阀34，与来自环控系统的低温空气在混合阀35中混合，然后送至座舱供司乘人员呼吸使用；

所述第三氧气浓度传感器30、第四温度传感器31、第三压力传感器32、第三流量传感器33、第四氧气浓度传感器41、第五温度传感器42、第四压力传感器43、第四流量传感器44将采集的信号传输到所述自动控制器46，自动控制器46通过调节第三控制阀34、第五控制阀45的开度来调节流入座舱混合气体的温度、压力。

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。