[发明专利]三轮式燃油箱惰化装置及其控制方法

说明书

本发明涉及一种用于飞行器的三轮式燃油箱惰化装置，包括：动力涡轮(10)；降压涡轮(11)；增压涡轮(2)；以及与增压涡轮(2)连通的空气分离器(7)。动力涡轮(10)借助第一电动离合器(14)与增压涡轮(2)同轴连接或断开连接，和/或借助第二电动离合器(15)与降压涡轮(11)同轴连接或断开连接。空气分离器(7)将进入其中的压缩空气分离成富氧气体(8)和富氮气体(9)，富氧气体(8)在飞行器处于低海拔高度时被送入降压涡轮(11)以降低富氧气体(8)的压力，富氮气体(9)在飞行器处于高海拔高度时被送入动力涡轮(10)以降低动力涡轮(10)的负载。上述燃油箱惰化装置一方面能够在飞行器处于低海拔高度时提高空气分离器的性能，另一方面能够在飞行器处于高海拔高度时改善增压效果。

技术领域

本发明涉及一种三轮式燃油箱惰化装置，以及控制这种三轮式燃油箱惰化装置的方法。

背景技术

根据对于国内外重大飞行安全事故的调查结果，飞行器燃油箱失火爆炸对机上人员和设备安全具有重大威胁。因此，如何降低飞行器燃油箱爆炸事故概率成为飞行器安全问题的研究重点。通过大量的实验和研究结果表明，飞行器燃油箱惰化是一种经济有效的防火防爆方式。

燃油箱惰化指的是：利用惰性气体如氮气、二氧化碳等充入飞行器燃油箱的气相空间，置换出该气相空间内的氧气，以减少燃油箱中的氧气含量，致使氧气浓度达到可燃极限以下。通过惰化处理，即使遇到外部点火源，飞行器燃油箱也不会发生起火爆炸。因此，燃油箱惰化技术目前被广泛采用。

机载制氮惰化系统是运用最广泛且成熟的燃油箱惰化技术，该技术利用发动机引气，通过中空纤维膜分离氮气和氧气，产生所需要的富氮气体通入燃油箱气相空间，以此降低气相空间内的氧气浓度。例如，在由HAMILTON SUNDSTRAND公司提交的欧洲专利申请EP3241757A1中就记载了这样一种用于飞行器的油箱惰性系统。该系统利用发动机引气增压来降低气相空间内的氧气浓度。但是，该技术对气源压力要求很高，而且中空纤维膜制氮存在效率低、寿命短、易堵塞、对环境产生污染等缺点。

再者，在由南京航空航天大学于2017年12月21日提交的中国专利申请CN107840315A中公开了一种带膨胀机的机载制氧-制氮耦合系统。在该系统中，来自发动机压气机的引气被稳压、冷却后分成两路，一路给膨胀机做功来驱动两套增压涡轮，另一路被第一增压涡轮升压后通过中空纤维膜制氮系统，制取富氮气体用于惰化飞行器燃油箱。由于这种制氧-制氮耦合系统同样需要使用中空纤维膜制氮系统，因此不可避免地存在之前所述的种种缺陷。

为此，业内也曾经提出采用对富氮气体增压来替代用引气增压的解决途径。例如，在由HAMILTON SUNDSTRAND公司提交的美国专利US6913636B2中记载了一种低功率富氮空气发生系统。该系统的主要特点是利用空气分离器分离出来的富氮气体(NEA)对涡轮做功，其优点在于可以利用NEA的高压提高ASM的进口压力，进而提高分离氮气的纯度和流量。但是，由于地面阶段大气压较大，致使分离膜内外两侧压差最小，空气分离器的性能因此下降。

因此，目前需要研制一种改进的三轮式燃油箱惰化装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在飞行器处于低海拔高度时提高空气分离器的性能且在飞行器处于高海拔高度时改善增压效果的燃油箱惰化装置。

本发明的第一方面涉及一种用于飞行器的三轮式燃油箱惰化装置，包括：动力涡轮；降压涡轮；增压涡轮；以及与增压涡轮连通的空气分离器。动力涡轮借助第一电动离合器与增压涡轮同轴连接或断开连接，和/或借助第二电动离合器与降压涡轮同轴连接或断开连接，并且空气分离器将进入其中的压缩空气分离成富氧气体和富氮气体，富氧气体在飞行器处于低海拔高度时被送入降压涡轮以降低富氧气体的压力，富氮气体在飞行器处于高海拔高度时被送入动力涡轮以降低动力涡轮的负载。

较佳的是，增压涡轮、动力涡轮和降压涡轮均可以同轴连接，且通过第一电动离合器和第二电动离合器中的一个或两个断开连接。