CN106240830A - 用于飞机的燃料箱惰化设备 - Google Patents

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Abstract

一种***包括第一流动路径，所述第一流动路径将第一供应流体连接至惰化设备。第二流动路径将第二供应连接至压缩机装置的涡轮机。位于所述第一流动路径内的第一阀被配置来在第一状态中打开并在第二状态中关闭。所述第一阀被配置来允许空气从所述第一供应直接供应至惰化设备。位于所述第二流动路径内的第二阀被配置来在所述第一状态中关闭并在所述第二状态中打开。所述第二阀被配置来允许来自所述第二供应的空气供应驱动所述压缩机装置的所述涡轮机。当在所述第二状态中时，所述压缩机装置***作来在来自所述第一供应的空气供应至所述惰化设备之前压缩所述空气。

Description

用于飞机的燃料箱惰化设备
技术领域
本文公开的主题总体上涉及用于飞机的燃料箱惰化设备，并且更具体来说，涉及被配置来在飞机中惰性气体供应的燃料箱惰化设备和方法。
背景技术
一般说来，在飞机的空气调节***中，机舱增压和冷却是通过在巡航高度处的发动机引气压力提供动力。例如，来自飞机发动机的增压空气通过改变增压空气的温度和压力的一系列***而提供至机舱。为向增压空气的制备提供动力，能量的来源通常是空气自身的压力。因此，传统空气调节***在巡航高度处需要相对高的压力，即，环境空气必须被压缩。当前***中所需要的相对高的压力在发动机燃料燃烧方面提供的效率有限。
从发动机泄放的空气可用于环境控制***，如用来将空气供应至机舱和供应至飞机内的其他***。另外，从发动机泄放的空气可被供应至惰化设备以将惰性气体提供至燃料箱。在大多数情况下，在空气被供应至所需位置之前，必须被调节(例如，改变)空气的温度和/或压力。将要供应至惰化设备的空气可能需要处于比高空处的环境空气更高的较高压力下，例如在约30 psig下。因此，空气必须被压缩至较高所需压力，从而需要能量并且因此可能影响飞机的效率。
发明内容
根据一个实施方案，提供一种用于将调节空气供应至飞机的惰化设备的***。所述***包括：第一空气供应源；和第一流动路径，其将第一空气供应源流体连接至惰化设备。压缩机装置通过涡轮机驱动。提供第二空气供应源和将第二空气供应源流体连接至压缩机装置的涡轮机的第二流动路径。第一阀位于第一流动路径内，并且被配置来在第一状态中打开和在第二状态中关闭，第一阀被配置来允许空气供应从第一空气供应源直接流动至惰化设备，并且第二阀位于第二流动路径内，并且被配置来在第一状态中关闭和在第二状态中打开，第二阀被配置来允许空气供应从第二空气供应源流动以驱动压缩机装置的涡轮机。当在第二状态中时，压缩机装置***作来在将来自第一空气供应源的空气供应至惰化设备之前压缩所述空气。
根据另一实施方案，提供一种将空气供应至飞机的惰化设备的方法。所述方法包括：确定飞机的操作状态；如果飞机处于第一操作模式中，那么接合惰化设备供应***的第一状态，所述第一状态被配置来将空气从第一源直接供应至惰化设备；如果飞机处于第二操作模式中，那么接合所述惰化设备供应***的第二状态，所述第二状态被配置来在将来自第一源的空气供应至惰化设备之前压缩所述空气；以及将空气从第一源供应至所述惰化设备。当在第二状态中时，所述方法还包括：从第二源供应空气并驱动涡轮机以压缩来自第一源的空气。
本发明的实施方案的技术效果包括有效的惰化设备供应***和方法，所述***和方法被配置来在不考虑飞机操作状态的情况下有效率地操作。本发明的各种实施方案的其他技术效果包括利用来自机舱空气供应源的空气来驱动涡轮机。
附图说明
被视为本发明的主题在本说明书完结处的权利要求书中特别地指出和清楚地要求保护。本发明的前述和其他特征以及优点根据结合附图的以下详细描述是清楚的，在附图中：
图1是根据本发明的第一示例性实施方案的惰化设备空气供应配置的示意图；
图2是根据本发明的第二示例性实施方案的惰化设备空气供应配置的示意图；
图3是根据本发明的第三示例性实施方案的惰化设备空气供应配置的示意图；以及
图4是根据本发明的示例性实施方案的用于将空气供应至惰化设备的方法。
具体实施方式
飞机的空气调节***可被配置来在飞机处于巡航高度的同时在低发动机引气压力下提供机舱增压和冷却。当前空气调节***可利用在巡航高度处的空气压力进行供应，所述空气压力为高于机舱压力的约30 psig至35 psig。在传统机舱空气调节***中，来自发动机或APU的高压空气可例如通过一系列热交换器、空气循环机和高压水分离器，其中在高压水分离器中，空气被冷却并除湿。冷却干燥空气可随后用来冷却机舱、飞行甲板和其他飞机***。高压空气还可用于其他***，如惰化设备。
然而，一些机舱空气调节***可与高于机舱压力仅5 psig或更低的空气一起使用或操作。即，一些***可在显著低于现有***的30至35 psig的压力下操作。较低压力可对使用相同引气操作的其他***造成问题。例如，燃料箱惰化设备可将引气用于操作和用作空气供应。然而，燃料箱惰化设备可能需要处于例如大致30 psig的较高空气压力下的空气以正确地操作。在这类***和配置中，可能需要空气的另外增压以用于惰化设备中。
转向图1，示出了根据本发明的第一示例性实施方案的惰化设备供应配置的示意图。根据本发明的实施方案，提供一种用于增大去往燃料箱惰化设备的引气(在巡航下)的压力的***。图1示出第一示例性实施方案。
如图1所示，***100包括第一空气供应源102，所述第一空气供应源102可以是发动机、APU、其组合或其他空气供应源。第一空气供应源102被配置来使空气从所述第一空气供应源泄放，所述空气被供应用于环境控制***、惰化设备等。如图所示，空气可从第一空气供应源102沿流体路径104泄放并传入热交换器106中，所述热交换器106可以是冲压空气回路热交换器。热交换器106位于管道108内，所述管道108允许管道108内的流体与通过热交换器106的空气热连通。空气可随后进入第一流动路径110。
在图1的***100中，在飞机的某些操作条件期间，例如在滑行、起飞、爬升和下降期间，引气通过***100并直接传至惰化设备114。在这些操作条件期间，第一流动路径110内的第一阀112将打开。在第一阀112打开的情况下，空气将在接合部116处朝向惰化设备114流动。空气将接着沿第一流动路径110的一部分118传递，经过第一阀112，并进入出口流动路径120中。因而，当第一阀112打开时，供应空气从第一空气供应源102直接传至惰化设备114。即，在这些条件(滑行、起飞、爬升、下降)期间，空气不需要另外调节，因为所述空气处于用于由惰化设备114进行的应用和/或在惰化设备114内的应用的适合高压下。
然而，当飞机在巡航高度处巡航时，可能需要在从第一空气供应源102提供的空气之后执行另外压缩。在图1的实施方案中，***100被配置来利用机舱排放空气来在巡航操作条件期间驱动燃料箱惰化设备。即，当需要使用减压引气以用于环境控制***应用时，压缩机可用来提供压力以驱动燃料箱惰化设备，即，增大供应至惰化设备114的空气的压力。
在这种方法中，来自第一空气供应源102的引气通过压缩机122加压并供应至惰化设备114。压缩机122通过可操作地连接至压缩机122的涡轮机124驱动。***100的涡轮机124通过来自第二空气供应源128并通过第二流动路径126的空气驱动。即，空气从第二空气供应源128供应，流入第二流动路径126中，通过热交换器130并接着驱动涡轮机124。在这个实施方案中，第二空气供应源128是机舱，并且空气是机舱空气。在驱动涡轮机124之后，机舱空气在排气装置132处排出或排气到机外。
热交换器130被配置来允许来自第一空气供应源102的空气与来自第二空气供应源128的空气热接触，从而对将供应至惰化设备114的空气进行调节。例如，热交换器130可被配置来将供应至惰化设备114的空气维持在适当温度下和/或被配置来将从涡轮机124的空气排放保持在凝固点以上。
部分地通过一个或多个阀的操作控制空气102、128的两个源。如图1所示，除第一阀112之外，第二阀134被配置在第二流动路径126内。两个阀112、134被配置来共同起作用来确定或控制从第一空气供应源102供应的空气的路径。如所指出的，当第一阀112打开时，空气从第一空气供应源102直接流动至惰化设备114。相比之下，当第一阀112关闭时，在空气被供应至惰化设备114之前，所述空气从第一空气供应源102流动至压缩机122，并且接着流动至热交换器130。相对于第二阀134，当阀关闭时，空气不从第二空气供应源128传至涡轮机124，但当打开时，第二阀134允许空气流驱动涡轮机124。
***100的第一状态是当第一阀112打开并且第二阀134关闭时。在这个状态中，来自第一空气供应源102的空气直接流动至惰化设备114。当空气压力足够高以不需要进一步调节时，例如在滑行、起飞、上升、下降和着陆期间，接合第一状态。
在第二状态中，第一阀112关闭，并且来自源102的空气沿第一流动路径110的一部分134导向到接合部116并进入压缩空气的压缩机122中。空气接着离开压缩机122并且沿流动路径136流动。压缩空气通过热交换器130并与来自第二空气供应源128的空气热连通。空气接着退出热交换器130进入出口流动路径120并被供应至惰化设备114。此外，在第二状态中，第二阀134打开并且空气从第二空气供应源128流入热交换器130中，驱动涡轮机124，并接着在排气装置132处排气。
有利地，本发明的上述实施方案利用现有空气供应源来驱动涡轮机，所述涡轮机用来压缩并调节将要供应至惰化设备的空气，即使空气处于低压下也是如此。
现在转到图2，示出了根据本发明的第二示例性实施方案的惰化设备供应配置的示意图。在这个实施方案中，***200包括与图1的***100大致上相同的特征，并且因此，将相同特征用相似参考数字标记，但以“2”而非“1”打头。因此，例如，图2的第一空气供应源202大致上类似于图1的源102。类似地，压缩机222和涡轮机224如相对于图1的***100所示和所述类似地配置。相似特征的描述将不在此重复。
图2的***200与图1的***100之间的主要差别在于，在图2中，来自第二空气供应源228的空气的气流路径是实质上反向的。即，当第二阀234打开时(***200的第二状态)，来自第二空气供应源228的空气流首先进入涡轮机224以如上所述驱动压缩机222，并且接着流入热交换器230中，在所述热交换器230中，所述空气在已被压缩机222压缩后与来自第一空气供应源202的空气热连通。接着，来自第二空气供应源的空气在排气装置232处排气到机外。总而言之，改变来自第二空气供应源228的空气的流动路径，其中所述空气在进入热交换器230之前驱动涡轮机224。
在***200中，类似于图1的实施方案，第一阀212在第一状态期间打开，例如在滑行、起飞、上升和下降期间打开，并且第二阀234关闭。然而，当实现巡航时，阀212、234进行切换并且接合第二状态。在第二状态中，第一阀212关闭并且第二阀234打开。在第二状态期间，在第二阀234打开的情况下，空气可从第二空气供应源228流动并驱动涡轮机224，并且接着通过热交换器230。同时，压缩机222通过涡轮机224操作，并且来自第一空气供应源202的空气被压缩并通过热交换器230以供应至惰化设备214。
现在转到图3，示出了根据本发明的第三示例性实施方案的惰化设备供应配置的示意图。在这个实施方案中，***300包括与图1的***100大致上相同的特征，并且因此，将相同特征用相似参考数字标记，但以“3”而非“1”打头。因此，例如，图3的第一空气供应源302大致上类似于图1的源102。类似地，压缩机322和涡轮机324如相对于图1的***100所示和所述类似地配置。相似特征的描述将不在此重复。
图1的***100与图3的***300之间的主要差别在于用来在***300中驱动涡轮机324的空气的源。在这个实施方案中，第一空气供应源和第二空气供应源是同一空气供应源。在这个实施方案中，来自第一空气供应源302的空气在压缩机322上游的接合部338处分流。当第二阀334打开时，来自第一空气供应源302的空气中的一部分在沿第二流动路径326流动时变为第二空气供应源。
因此，在操作中，当在第一状态中并且第一阀312打开时，***300如上文针对第一状态所述类似地操作。即，在第一状态中，由第一空气供应源302供应的全部空气在不用另外调节的情况下被导向到惰化设备314。
然而，在第二状态中，第一阀312关闭并且第二阀334打开，从而允许流动路径310中的空气在接合部338处分路，其中一部分流入第二流动路径326中并变为第二空气供应源。来自第一空气供应源的空气中的其他部分沿第一流动路径310的一部分334继续朝向压缩机322流动。因此，空气中的一部分驱动涡轮机324以驱动压缩机322来压缩空气的不同部分。驱动涡轮机324的空气可接着通过热交换器330并在排气装置332处排气到机外。同时，空气中的被压缩机322压缩的部分也通过热交换器330并接着供应至惰化设备。
现在转到图4，示出了根据本发明的示例性实施方案的方法400。可与图1至3中所示的上述***中的任何***一起利用或使用方法400或可在其他***中使用方法400，并且因此方法400不限于以上所示和所述的实体配置。本领域的技术人员应了解，方法400被配置来在不考虑飞机当前操作状态的情况下将适当调节的空气提供至惰化设备。因而，方法400被配置来在飞机处于地面上时(如在滑行时)、在起飞、上升、巡航、下降和着陆期间将适当调节的空气供应至惰化设备。
在步骤402中，确定飞机的操作状态。即，确定飞机是否正在滑行、在起飞的过程中、正在爬升到高空、在高空并巡航、下降、着陆等。这种确定可通过控制器做出，所述控制器可与飞行控制装置通讯。替代地，这种确定可机械地或以其他方式基于惰化设备空气供应***内的空气压力做出。即，飞机操作状态可通过***内的空气压力固有地确定。
在步骤404中，惰化设备供应状态被选择或接合。即，如果使用控制器，那么可做出决定来在第一模式或第二状态中操作。如果***是机械的，那么两个阀中的一个可打开，同时所述两个阀中的另一个可关闭，进而自动选择或接合惰化设备供应状态。惰化设备供应状态是空气供应***的操作模式，所述模式被配置来在必要时调节空气以达到将空气供应至飞机的惰化设备的目的。
第一状态是在滑行、起飞、爬升和下降期间飞机选择或接合使用的状态。在步骤406中，如果在404处接合第一状态，那么第一阀是打开的或被打开并且第二阀被关闭。第一状态的阀布置被配置来在较小调节的情况下将空气流从例如发动机引起口、APU等的源直接导向到惰化设备，例如使空气在步骤408进入惰化设备之前通过热交换器。
第一状态可被选择或接合，因为供应空气可处于足够高压以至可直接供应至惰化设备。如本领域已知的，惰化设备可能需要具有约30 psig的空气压力的空气供应。因此，当在第一状态中时，空气可能已具有充分接近30 psig的压力以便仅需要最小调节。
然而，如果在步骤404中，第二状态被选择或接合，那么在步骤410，将打开第二阀并且将关闭第一阀。这发生在控制器指示***来在第二状态中操作时，例如在飞机处于高空并且供应空气具有低得多的压力时。因此，空气必须在供应至惰化设备之前被压缩至较高压力。因此，在步骤410打开第二阀的情况下，可将空气导向来在步骤412驱动涡轮机。涡轮机可操作地连接至压缩机，并且在步骤414，将要供应至惰化设备的空气可被压缩机压缩。
在步骤416，压缩空气接着通过热交换器以调整压缩后空气的温度。在步骤418，压缩空气接着被供应至惰化设备。
当飞机的操作状态中存在变化时，可调整惰化设备供应状态。例如，可重复方法400，以步骤402开始来确定飞机的操作状态。这可由控制器或***内的空气压力中的改变来初始化，从而可改变阀的状态。
鉴于上文，本领域的技术人员将了解，在一些实施方案中，第一阀和第二阀可被配置来基于阀上游的空气的压力而打开和关闭。例如，当压力处于或接近预先确定的值时，例如30 psig，第一阀可被打开或处于打开状态中，并且第二阀可被关闭。然而，当压力下降到预先确定的值以下时，第一阀可关闭并且第二阀可打开，从而驱动涡轮机和压缩机来增大将要供应至惰化设备的空气的压力。在其他实施方案中，阀可通过控制器或其他装置电子控制，或可通过开关或其他装置电控制，所述开关或其他装置被配置来基于惰化设备供应***内的空气压力或基于飞行状态或如海拔的其他因素而改变。
有利地，本发明的实施方案提供一种用于飞机的惰化设备的空气供应***，所述空气供应***被配置来在适当压力下供应空气，同时维持和/或改善飞机的效率。例如，根据一些实施方案，有利地，机舱空气可用来调节空气供应***内的空气，以便改变将要供应至惰化设备的空气的压力和温度。
有利地，根据本发明的各种实施方案的***和方法可使用来自预存在***的空气和相关联空气压力以驱动涡轮机和压缩机而不需要使用***中的其他能量，由此提高效率。
虽然仅结合有限数量的实施方案对本发明进行了详细描述，但应易于理解，本发明不限于这些公开的实施方案。相反，本发明可被修改来纳入迄今尚未曾描述过但符合本发明的精神和范围的任何数量的变化、改变、替代、组合、子组合或等同布置。另外，虽然已描述了本发明的各种实施方案，但应理解，本发明的各个方面可仅包括所述实施方案中的一些。
例如，尽管某些配置在图1-3中示出，但本领域的技术人员将理解，可在不脱离本发明的范围的情况下使用其他配置。例如，其他空气源可用于将空气供应至惰化设备和/或用于供应空气来驱动涡轮机和压缩机。此外，尽管在***内的某些位置处指示出阀和接合部，但本领域的技术人员将理解，这些位置仅为示例性的并且可使用其他配置。此外，就空气流通过***的流动线路和方向来说，本文所述部件的顺序可在不脱离本发明范围的情况下有所改变。例如，热交换器、压缩机、涡轮机、阀等的位置可基于特定***和***中的效率进行调整。
此外，尽管在此描述单一方法，但这种方法仅为说明性的，并且所述步骤和任何附加步骤的顺序可在不脱离本发明范围的情况下增加或改变。例如，在一些实施方案中，有可能在不脱离本发明范围的情况下消除步骤416 (对压缩空气使用热交换器)。
因此，本发明并不被视为受限于前述描述，而是仅受限于所附的权利要求书的范围。

Claims (15)

1. 一种用于将调节空气供应至飞机的惰化设备的***，所述***包括：
第一空气供应源；
第一流动路径，其将所述第一空气供应源流体连接至惰化设备；
压缩机装置，其由涡轮机驱动；
第二空气供应源；
第二流动路径，其将所述第二空气供应源流体连接至所述压缩机装置的所述涡轮机；
第一阀，其位于所述第一流动路径内并且被配置来在第一状态中打开并在第二状态中关闭，所述第一阀被配置来允许空气供应从所述第一空气供应源直接流动至所述惰化设备；以及
第二阀，其位于所述第二流动路径内并且被配置来在所述第一状态中关闭并在所述第二状态中打开，所述第二阀被配置来允许空气供应从所述第二空气供应源流动以驱动所述压缩机装置的所述涡轮机，
其中，当在所述第二状态中时，所述压缩机装置***作来在来自所述第一空气供应源的空气供应至所述惰化设备之前压缩所述空气。
2. 如权利要求1所述的***，其中所述第一空气供应源和所述第二空气供应源是同一空气供应源。
3. 如先前权利要求中任一项所述的***，其还包括热交换器，所述热交换器被配置来在所述压缩空气供应至所述惰化设备之前调节所述压缩空气。
4. 如权利要求3所述的***，其中当在所述第二状态中时，来自所述第一供应源的空气和来自所述第二供应源的空气被配置来在所述热交换器中热连通。
5. 如权利要求3-4中任一项所述的***，其中所述热交换器在所述第二流动路径内处于所述涡轮机的上游。
6. 如权利要求3-4中任一项所述的***，其中所述热交换器在所述第二流动路径内处于所述涡轮机的下游。
7. 如先前权利要求中任一项所述的***，其中所述第一空气供应源是发动机和APU中的至少一个。
8. 如先前权利要求中任一项所述的***，其中所述第二空气供应源是机舱空气。
9. 如先前权利要求中任一项所述的***，其中所述第二流动路径被配置来在驱动所述涡轮机之后从所述第二供应源将所述空气排气到机外。
10. 如先前权利要求中任一项所述的***，其中当所述飞机处于巡航高度时，接合所述第二状态。
11. 一种将空气供应至飞机的惰化设备的方法，所述方法包括：
确定飞机的操作状态；
如果所述飞机处于第一操作模式中，那么接合惰化设备供应***的第一状态，所述第一状态被配置来将空气从第一源直接供应至惰化设备；
如果所述飞机处于第二操作模式中，那么接合所述惰化设备供应***的第二状态，所述第二状态被配置来在来自第一源的空气供应至惰化设备之前压缩所述空气；以及
将空气从所述第一源供应至所述惰化设备，其中
在所述第二状态中，所述方法还包括：供应来自第二源的空气并驱动涡轮机以压缩来自所述第一源的所述空气。
12. 如权利要求11所述的方法，其中所述第一空气供应源和所述第二空气供应源是同一空气供应源。
13. 如权利要求11-12中任一项所述的方法，其还包括：当在所述第二状态中时，在将所述压缩空气供应至所述惰化设备之前利用热交换器调节所述压缩空气。
14. 如权利要求11-13中任一项所述的方法，其中所述第一空气供应源是发动机和APU中的至少一个。
15. 如权利要求11-14中任一项所述的方法，其还包括：在驱动所述涡轮机之后将所述空气从所述第二供应源排气到机外。
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