一种利用氮气增压油箱的飞机富余电力综合系统和方法与流程

本发明属于航空航天领域，涉及一种利用氮气增压油箱的飞机富余电力综合利用系统和方法。

技术背景

随着现代飞机向多电和全电不断的发展，机载设备的功率需求越来越大，机载发电机的发电量也不断上升。当前机载发电机的额定发电功率都是以满足常规工况下的最大功率需求而设计，然而由于机载设备的电力需求不是一直处于最大需求状态，而是会随着飞行阶段的变化而变化，导致了发电机在不同的飞行阶段有富余的发电能力，即发电机会处于欠载状态。而在某些极端情况，如激光武器、雷达等大功率设备同时工作时，发电机会出现短时电能不足的情形，此时发电机会出现短时过载。不管是欠载还是过载，都会对发电机的工作产生不利的影响。当前飞机利用富余电力的主要方式是将富余的电能储存在蓄电池和超级电容储存电能中。由于蓄电池和超级电容的容量有限，导致机载富余发电能力很难被大规模的利用和储存。因此，一种充分合理的利用飞机电网的富余发电能力且能在电网电能不足时弥补所需电能的动态调度方法，对飞机的电能利用和发电机的良好运行具有重要的意义，因而就成为迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供了一种利用氮气增压油箱的飞机富余电力综合利用系统，其特征在于包括：

电动机、变频器、检测元件、控制器、机载膜分离系统、油箱气压传感器和燃油油箱、涡轮电子设备气冷系统、发电机、超级电容，

其中：

检测元件用于检测飞机的飞机电网的当前状态，当飞机电网中有富余的电力时，

电动机用于在控制器的控制下将电网中的部分或全部的富余电力转换成机械能，完成了飞机富余电力的提取，

机载膜分离系统中的压缩机被所述机械能驱动做功，将从飞机外部引入的空气压缩成高压气体，该高压气体随后被机载膜分离系统分离成高压氧气和高压氮气，

所述的高压氧气输送给飞机座舱供气，调节座舱内部的压力和供氧，充分利用燃油油箱用于在其中的空间中存储所述高压氮气，

所述油箱气压传感器用于检测燃油油箱中的气压；

涡轮用于被来自燃油油箱的高压氮气推动，高压氮气推动涡轮做功后变成低温低压氮气，所述低温低压氮气用于冷却飞机上的电子设备气冷系统，

发电机在涡轮的驱动下产生电力，供给给超级电容和/或飞机电网。

根据本发明的另一个方面，提供了基于上述利用氮气增压油箱的飞机富余电力综合利用系统的飞机富余电力综合利用方法。

附图说明

图1是利用氮气增压油箱的飞机富余电力的综合利用系统的总体示意图。

图2为机载膜分离系统示意图。

图3为利用富余电力的膜分离系统工作示意图。

图4为能量转换示意图。

图5为增压油箱储能系统工作示意图。

图6为能量释放系统工作示意图。

图7为系统的工作流程图。

附图标记说明：

电动机(101)变频器(102)检测元件(103)

飞机电网(104)控制器(105)机载膜分离系统(106)

飞机座舱供气系统(107)温度传感器(1061)

压缩机(1062)

膜分离系统电磁阀(1063)过滤器(1064)

中空纤维式膜分离器(1065)油箱充气电磁阀(201)

油箱气压传感器(202)燃油油箱(203)

油箱气压安全阀(204)油箱放气电磁阀(301)

涡轮(302)电子设备气冷系统(303)

发电机(304)超级电容(305)可控开关(306)

具体实施方式

与上述的现有技术问题相关地，在电能不能合理利用的同时，机载的冷能会存在不足的情形。由于现代飞机的机载设备功率越来越大，在效率没有明显提升的前提下，会导致设备的发热量也越来越大，引起其温度急剧的上升，最终极大的影响机载设备安全高效的工作。因此，及时合理的通过环空系统将机载设备产生的热量耗散对飞机的安全和高效的工作具有重大的意义。然而随着现代飞机的机载热沉增长严重滞后于功率的增加，其越来越不能满足飞机的散热需求，因此，当前机载设备迫切的需求通过合理有效的方式产生更多的冷能。

飞机油箱用于储存燃油供飞机发动机燃烧使用，随着飞机的飞行，油箱内部的燃油不断被消耗，会留出巨大的空间。一般的做法是向油箱内部充入氮气，使油箱内部油面上的气压稍高于大气压力，这种方法不仅保证了油箱内部的燃油与空气隔绝防止发生火灾，而且能够提高燃油系统高空系能。此方法虽然保证了燃油利用的可靠性，但是没有充分利用燃油油箱内部巨大的空间，对提高飞机的能量利用率帮助有限。

当前飞机中向燃油油箱内部充入的氮气主要是由机载膜分离系统产生，其主要由温度传感器、压缩机、电磁阀、过滤器和中空纤维式膜分离器等组成，其示意图如图2所示。机载膜分离器的工作原理是利用压缩机将从外界引入的空气压缩成高压气体，然后通过中控纤维式膜分离器将高压空气分离为高压的氮气和高压的氧气，分离得到的氮气用于燃油油箱内部的增压，氧气用于供给座舱。

综上所述，当前机载富余发电能力没有被完全合理的利用，飞机的制冷能力越来越不能满足机载设备的散热需求，同时，燃油油箱内部的巨大空间也没有被充分的利用，且机载的膜分离系统能够产生氮气供油箱内部使用。

因此，本发明人认识到，将富余的电能转换成气压能，利用燃油箱内部巨大的空间进行储存，在合理的时候将气压能转换成冷能和电能，对飞机能源高效合理的使用具有重大的意义，在工程上具备很强的可行性。

为了解决飞机飞行过程中飞机富余电力不能合理利用和热沉能力不足的问题，根据本发明的一个方面，提出了一种氮气增压油箱的飞机富余电力综合利用系统，该系统能够充分利用飞机富余的电能，通过利用富余电力的膜分离系统将其转换成气体的压力势能，并且存储在油箱中，解决了不能充分利用和储存电能的问题，同时能够根据飞机电网的状态和机载设备的冷却需求，合理选择储气、放气过程，动态调节气体的制冷量和发电量，以达到动态匹配机载设备的热沉和电力需求，解决飞机飞行过程中热沉不足的和短时电能不足的困境。由此，本发明不仅充分利用了机载能源，实现了电能向冷能的横向转换和调度，也保证了飞机高效安全的工作。

根据本发明的另一个方面，提供了一种利用氮气增压油箱的飞机富余电力的综合利用系统，包括：利用富余电力的膜分离系统、增压油箱储能系统、和能量释放系统，

利用富余电力的膜分离系统包括电动机(101)、变频器(102)、检测元件(103)、控制器(105)、机载膜分离系统(106)、飞机座舱供气系统(107)；

增压油箱储能系统包括：油箱充气电磁阀(201)、油箱气压传感器(202)和燃油油箱(203)、油箱气压安全阀(204)；

能量释放系统包括：油箱放气电磁阀(301)、涡轮(302)、电子设备气冷系统(303)、发电机(304)、超级电容(305)和可控开关(306)。

参见图3，所述的利用富余电力的膜分离系统利用检测元件(103)不断检测当前飞机电网(104)的状态，当飞机电网(104)中有富余的发电能力时，控制器(105)根据系统的需求和飞机状态，通过电动机(101)将电网中部分或全部的富余发电能力转换成机械能，完成了飞机富余电力的提取。电动机(101)所得的旋转机械能用于驱动机载膜分离器(106)中的压缩机(1062)做功，将从飞机外部引入的空气压缩成高压气体，然后在机载膜分离器(106)的作用下分离成高压的氧气和氮气。将氧气供给给座舱，将氮气输送给增压油箱储能系统，实现了富余的电能到气压能的转换，并且保证了飞机座舱的供氧。所述的机载膜分离系统中的能量转换如图4中上方虚线框所示，包括从飞机电网(104)中提取富余电力，通过电动机(101)变成旋转机械能，再通过压缩机(1062)(图2)变成空气的气压能，最终通过机载膜分离系统(106)以后变成分离出的氮气的气压能。

参见图5，所述的增压油箱储能系统能够充分利用燃油油箱中的空间，将机载膜分离系统(106)得到的高压氮气储存在燃油油箱(203)中。其中，油箱充气电磁阀(201)用于控制充气气路的通断；油箱气压传感器(202)用于实时监测当前油箱中的气压；油箱气压安全阀(204)是保证油箱内气压保持在一定范围内，当超过安全压力时，会自动放气泄压。

参见图6，所述的能量释放系统能够通过油箱放气电磁阀(301)将储存在燃油油箱(203)中的高压氮气释放，高压氮气流经涡轮(302)并且推动涡轮(302)做功后变成低温低压的氮气，最终流入电子设备(303)中用于冷却电子设备，涡轮(302)所做的功通过发电机(304)转换成电能，被提供给超级电容(305)。油箱放气电磁阀(301)用于控制油箱放气气路的通断，其受控制器(105)的控制；根据本发明的一个实施例，发电机(304)与涡轮(302)同轴连接，将涡轮(302)膨胀对外所做的功转换成电能；可控开关(306)用于控制将储存在超级电容(305)中的电能回馈到电网中，弥补电网中可能出现的短时电能不足，其受控制器(105)的控制。所述的能量释放系统中的能量转换过程如图4下方虚线框所示，其能量转换过程为储存在燃油油箱(203)中的氮气气压能，通过涡轮(302)并对其做功以后，转换成两部分能量，一部分以冷能的形式供给电子设备气冷系统(303)，另一部分转换成旋转的机械能驱动发电机(304)做功，最终通过发电机(304)产生电能，并且回馈飞机电网(104)。

所述的控制器(105)，用于接收检测元件(103)输出的电网信息、油箱气压传感器(202)的压力信息、膜分离系统中空气温度传感器(1061)的信息，根据当前飞机的工作状态和制冷需求，控制变频器(102)输入给电动机的富余电力，对膜分离系统电磁阀(1063)、油箱充气电磁阀(201)和油箱放气电磁阀(301)的开关进行开/关操作，控制当前电网中电能的利用、膜分离系统的气体分离、系统的充气储能和放气释能。

根据本发明的利用氮气增压油箱的飞机富余电力的综合利用系统和方法的优点包括：

1.该发明充分利用燃油油箱的体积，将富余的电能转换成气体的高压势能，并且储存，解决了富余的电能不能充分利用和存储的问题，提高了系统的能量利用率。

2.由于燃油油箱中充有高压的氮气，其会对燃油做功，燃油向发动机输送的过程中自身会有更大的动能，这样燃油输送泵对燃油所做的功就会更少、甚至是没有，因此，该发明减少了燃油泵的功率消耗，节约了能量。

3.该发明能够动态调节系统的储能和制冷，当飞机的制冷能力充足时，将富余的电能转化成高压气体储存，当飞机冷却能力不足时，将储存的高压气体释放制冷，同时将涡轮的剩余做功能力转换成电能，不仅及时匹配飞机的散热需求，缓解当前机载热沉越来越不能满足散热需求的困境，而且实现了能量的横向转换，提高了能量的利用率，保证了飞机高效安全的飞行。

4.该发明通过合理的调度将飞机电网中所有的富余电力都通过该系统转换成冷能，又能在电网中瞬时电能不充足时，将超发电机所发电能回馈到电网中，因此，该发明充分的利用了主发电机的发电能力，改善了飞机电网的供电性能。

5.该发明充分利用了已有的机载设备，合理的将电气系统、空气压缩循环系统联系起来，打通了从电能到冷能又到电能的能量转换链条，充分利用电能，匹配冷能需求，减少了其他能源的产生和消耗，能源转换高效合理。

下面将结合附图对本发明的实施例做进一步的详细说明。

参见图1，根据本发明的一个实施例的利用氮气增压油箱的飞机富余电的综合利用系统包括：利用富余电力的膜分离系统、增压油箱储能系统、和能量释放系统，

其中，

利用富余电力的膜分离系统包括电动机(101)、变频器(102)、检测元件(103)、控制器(105)、机载膜分离系统(106)、飞机座舱供气系统(107)；

增压油箱储能系统包括：油箱充气电磁阀(201)、油箱气压传感器(202)、燃油油箱(203)和油箱气压安全阀(204)；

能量释放系统主要包括油箱放气电磁阀(301)、涡轮(302)、电子设备气冷系统(303)发电机(304)、超级电容(305)和可控开关(306)。

图3所示的是根据本发明的一个实施例的利用富余电力的膜分离系统的示意图，其中，检测元件(103)安装在发电机输出的单相电线上，用于检测发电机单相输出电流的有效值，以判断发电机的工作状态和飞机电网(104)的工作状态。变频器(102)的输入连接飞机电网(104)，其输出连接电动机(101)，通过控制器(105)控制从电网输入给电动机(101)的电能。所选取的电动机(101)的额定功率应该不小于飞机电网(104)最大富余发电能力。在该系统中，检测元件(103)的信号为控制器(105)的输入，变频器(102)的控制信号为控制器(105)的输出。

图2所示的,是根据本发明的一个实施例的利用富余电力的膜分离系统的示意图，其中，压缩机(1062)与电动机(101)同轴相连，同时压缩机(1062)的功率需要与电动机(101)相匹配。压缩机的作用是将机载膜分离系统中所引入的低压空气压缩成高压空气。机载膜分离系统(106)包括温度传感器(1061)、空气压缩机(1062)、膜分离系统电磁阀(1063)、过滤器(1064)和中空纤维式膜分离器(1065)，用于将空气分离成为氧气和氮气。温度传感器(1061)用于检测当前从空气引气的温度，其检测信号输入控制器(105)。根据本发明的一个实施例，所述的中空纤维式膜分离器(1065)在工作时需要保证引气温度低于55℃。当引气温度超过55℃时，关闭引气电磁阀(1063)，防止高温空气损害中空纤维膜。中空纤维式膜分离器在较大压力下工作时才能有高的工作效率，根据本发明的一个实施例，使空气压缩机(1062)出口气体压力维持在1mpa。

图5所示的，是根据本发明的一个实施例的增压油箱储能系统的示意图，其中，油箱充气电磁阀(201)用于控制油箱充气气路的通断，其受控制器(105)的控制；油箱气压传感器(202)用于检测燃油油箱(203)中的气压，其测量量程需要满足油箱压力的测量需要；燃油油箱(203)内部除了燃油以外的空间用于储存机载膜分离系统(106)得到的高压氮气，因此燃油油箱的承受气压须超过本系统中设定的最高储气压力。油箱气压安全阀(204)用于在油箱内气压高于安全压力时将油箱内气体及时排除，快速的将油箱内部的气压降到安全压力以下。

图6所示的，是根据本发明的一个实施例的放气制冷系统示意图，油箱放气电磁阀(301)用于控制油箱放气气路的通断，其受控制器(105)的控制；涡轮(302)用于将储存在燃油油箱(203)中的高压气体膨胀制冷，并将所得的低温氮气通向电子设备冷却系统(303)，起到冷却电子设备的作用。因此，在系统设定的最大储气压力下，所选型的涡轮(302)的最大制冷能力应该满足系统的制冷需求。为了将涡轮(302)发出的机械能合理利用和储存，根据本发明的一个实施例，将发电机(304)与涡轮(302)同轴连接，发电机(304)的输出与超级电容(305)连接。为了控制超级电容(305)的放电和弥补电网中可能出现的短时电能不足，将超级电容(305)和飞机电网(104)用电线连接，中间加入可控开关(306)。可控开关(306)受控制器(105)的控制，做到随时可控。

在本发明中，控制器(105)是实现动态调度的部分。控制器的(105)用于：

根据检测元件(103)输出的电网信息、油箱气体压力传感器(202)的压力信息以及当前飞机的工作状态和制冷需求，控制变频器(102)的输出，从而控制电网中电能的利用和气体的压缩；

根据系统的制冷需求和油箱的气压，确定开通还是关断油箱充气电磁阀(201)和油箱放气电磁阀(301)，以控制系统处于充气或放气状态；

通过检测飞机电网(104)的状态，确定开通还是闭合可控开关(306)，从而决定是否将超级电容(305)中的电能回馈给电网。

图7所示的，是基于本发明的上述利用氮气增压油箱的飞机富余电力的综合利用系统的飞机富余电力综合利用方法，其包括：

a0)飞机开始飞行以后，该发明系统开始工作，系统首先进行初始化，给各个参数赋初值；

a1)通过温度传感器(1061)检测膜分离器中引入空气的温度，当温度超过中空纤维式膜分离系统能接受的正常范围(55℃)时，关闭膜分离系统电磁阀(1063)，关停电动机(101)，系统不压气，机载膜分离系统(106)不工作；

a2)当系统的进气温度处于正常范围以内时，通过油箱气压传感器(202)检测油箱内部的气体压力，利用传感检测元件(103)检测当前飞机电网(104)的状态，并将检测得到的信号输入给控制器(105)中，

a3)控制器(105)判断燃油油箱(203)内部的压力是否超过了额定压力；

a4)如果燃油油箱(203)内部的气体压力没有超过额定的压力，则控制器(105)打开油箱充气电磁阀(201)，然后根据检测元件(103)的输入信号，判断当前飞机电网(104)是否有富余的电力，

a5)如果有富余的电力，则计算得出当前的富余电力pu，通过调节变频器(102)使电动机(101)的输入功率为力pu，然后电动机(101)驱动压缩机(1062)将机载膜分离系统制得的n2压缩进燃油油箱(203)中，

a6)如果没有富余的电力，则继续判断飞机电网(104)当前是否过载，如果飞机电网(104)过载，则跳到放气制冷系统工作流程之前，打开油箱放气电磁阀(301)开始放气制冷发电，让发电机(304)发出的电能给电网供电；

a7)如果飞机发电机当前没有过载，则处理进行到步骤a8)；

a8)控制器(105)判断用于电子设备气冷系统(303)的冷却的冷能是否不足，如果冷能不足，则打开油箱放气电磁阀(301)将储存在燃油油箱(203)内部的气体释放，该气体经过涡轮(302)推动涡轮做功，并带动发电机(304)发电，同时该气体从高压气体变成低温低压的气体，并被送入电子设备气冷系统(303)冷却电子设备，发电机(304)将发出的电能给超级电容(305)充电；如果冷能充足，则处理回到步骤a1)并从a1)重新进行；

a9)如果步骤a3)判定燃油油箱(203)内部的压力超过了额定的压力，则打开油箱放气电磁阀(301)开始放气制冷，将燃油油箱(203)内部的气体释放，降低燃油油箱(203)内部的压力；

a10)在一个工作循环的最后，处理判断当前飞机的飞行是否结束，如果没有，则处理回到步骤a1)以开始一个新的循环；如果飞行结束，则处理结束。

根据本发明的另一个方面，提供了基于一种利用氮气增压油箱的飞机富余电力综合利用系统的飞机富余电力综合利用方法，所述飞机富余电力综合利用系统包括：

电动机(101)、变频器(102)、检测元件(103)、控制器(105)、机载膜分离系统(106)、油箱气压传感器(202)和燃油油箱(203)、涡轮(302)、发电机(304)、超级电容(305)，

其特征在于包括：

a1)检测膜分离器中引入空气的温度，当温度超过中空纤维式膜分离系统(1065)能接受的正常范围(55℃)时，关停电动机(101)，使机载膜分离系统(106)处于不工作状态；

a2)当系统的进气温度处于正常范围以内时，检测油箱(203)内部的气体压力，利用检测元件(103)检测飞机的飞机电网(104)的当前状态，并将检测得到的信号输入给控制器(105)，

a4)当燃油油箱(203)内部的气体压力没有超过额定的压力时，使机载膜分离系统(106)到燃油油箱(203)的充气气路开通，然后根据检测元件(103)的输入信号，判断当前飞机电网(104)是否有富余的电力，

a5)当飞机电网(104)有富余的电力时，确定当前的富余电力pu，通过调节变频器(102)使电动机(101)的输入功率为pu，用电动机(101)驱动机载膜分离系统(106)中的压缩机(1062)将机载膜分离系统制得的氮气压缩进燃油油箱(203)中，

a6)当飞机电网(104)没有富余的电力时，判断飞机电网(104)当前是否过载，如果飞机电网(104)过载，则用燃油油箱(203)中的压缩氮气驱动涡轮(302)带动发电机(304)发电，用发电机(304)发出的电能给飞机电网(104)供电，

a7)如果飞机电网(104)当前没有过载，则处理进行到步骤a8)；

a8)控制器(105)判断用于电子设备气冷系统(303)的冷却的冷能是否不足，如果冷能不足，则用燃油油箱(203)中的压缩氮气驱动涡轮(302)带动发电机(304)发电，同时所述压缩氮气从高压气体变成低温低压的气体，并被送到飞机的电子设备气冷系统(303)以对电子设备进行冷却，并用发电机(304)发出的电能给超级电容(305)充电；如果冷能充足，则处理回到步骤a1)并从a1)重新进行。