[发明专利]机载惰性气体生成系统

说明书

技术领域

本发明涉及用于在航空器上生成惰性气体以便促成燃料箱和航空器上的其它区域惰性化的机载惰性气体生成系统。

背景技术

在本说明书中采用被广泛接受的技术术语，其中术语‘惰性气体生成’意指生成缺氧或‘富氮气氛’(NEA)。近年用复合材料构造航空器机翼的趋势意味着由于复合材料较低的导热性，燃料箱内温度会高于由传统材料制成的机翼温度。因此，由于所经受的高温，更有必要高效地惰性化在复合材料机翼中的航空器燃料箱。众所周知使用一个或多个过滤器或‘气体分离模块’(ASM)，其允许供给的进气分离为富氮气体(NEA)部分和富氧气体(OEA)部分。为了高效地运行气体分离模块，需以相对高的压力(通常40磅/平方英寸(2.76×10⁵Pag)或更大)供应进气给该模块。可以在较低压力下工作，但这将意味着需要更多气体分离模块，导致重量和复杂性增加，这不是所期望的。作为示例，如果向ASM供给的空气达到15磅/平方英寸，那么将需要每个重约27千克的十个ASM。但如果进气达到56磅/平方英寸只需两个ASM以提供所需的NEA含量。在过去，气体分离模块由来自航空器主动力装置的高压引气来供给。该引气被排出压缩器、经冷却、过滤然后供应给一个或多个ASM。该系统运行良好，但现更多地要求航空器制造商能够降低航空器的单位燃料消耗量(SFC)。已知由压缩机排出的高压气体对SFC有不利影响，因此现在有停止使用高压引气的趋势以优化发动机性能。这意味着需要找到用于供给该气体分离模块的替代流体源，并且基于上述原因该流体需处于升高的压力下。

US2006/0117956描述了一种机载惰性气体生成系统，该系统使用串联布置的两个压缩机或两级压缩机以向气体分离模块供应被压缩的空气。为了向气体分离模块提供高压，同时应对由压缩机转子叶片设计局限性所造成的严格约束，US2006/0117956提供了一种其中有串联运行的两个离心式压缩机的系统。来自第二级的压缩空气送到气体分离模块，而在第二级压缩机和气体分离模块之间设置气孔以使来自第二压缩机的流量能够增加，这导致当使用相同的压缩机转子叶片设计时第二压缩机的输出压力增大。尽管这给离心式压缩机提供了输出流量的更宽运行范围，但确实意味着在低流速下运行效率很低，这是因为过量的流体通过防喘振阀排出以防止叶轮损坏。由于该航空器在其运行大部分期间在巡航状态下运行，这意味着该离心式压缩机装置大多数时间是以远低于其最佳运行效率运行的。

因此，离心式压缩机的固有特征不适应运行工况以及在航空器上升、巡航和下降的循环中所需的流速和压力的变动，并且造成如上所述的不必要的复杂解决方法，而只部分地解决问题。正如所指出的，该ASM在高于40磅/平方英寸(2.76×10⁵Pag)压力下高效地运行。对于一个给定的任务，较低的压力需要更大的ASM或多个ASM(因此增加重量)，而较高的压力也许超过该ASM的最高工作压力。惰化系统的流量要求随飞行阶段改变而改变。下降需要最高NEA流速，这是因为惰化系统需要使燃料箱再次增压以均衡该箱和外界压力。巡航需要最低流速因为该NEA流速只需补足由燃料燃烧引起的缺量容积的增加。依航空器类型、巡航高度和下降速度而定，该最高下降流量与巡航流量的比例通常达到6:1。这并不能很好地符合典型的离心式压缩机特征，其因喘振极限和扩压器“阻塞”极限所限具有非常窄的流量范围。在离心式压缩机内流量可通过提高速度来增加，但生成的压力随该速度的平方增加，而且所需的功率随该速度的立方增加。必须调节额外的压力以避免损伤ASM。这使得该ASM在惰化系统要求的流量范围效率很低。

相比之下，我们发现正排量式压缩机的特征非常适合提供变动较大的流量，这是因为它们在足以供应ASM所要求的压力下可以提供大体上与速度成比例的流速，且不存在会降低ASM寿命的、在较高流速下的显著压力增加。因此我们设计了一种旨在避免基于离心式压缩机的系统所遭遇的问题的机载惰性气体生成系统。

在例如US2006/0117956中描述的装置中，离心式压缩机在严格限制的速度范围内运行并且该压缩机在最大负载条件下运行。至燃料箱的NEA流量通过NEA流量控制阀控制，且在部分载荷下，来自压缩机的过量流量经喘振控制阀被排放到大气。这是马达的低效率使用，而其出现是因为使用离心式压缩机时，该马达速度由于喘振约束被严格限制。

发明内容