带涡轮增压器的飞机油箱，惰化系统的性能分析，对发动机的影响
文丨聆听娱纪
编辑丨聆听娱纪
介绍
飞机油箱可燃性是飞行安全的一个主要问题。
当燃料箱的罐空中的氧的体积浓度超过极限氧浓度（LOC）时，如果存在任何火源，火灾和爆炸很容易发生，并导致飞机损失。
为了防止飞机油箱中的燃料蒸汽和空气混合物爆炸，商用运输机和军用飞机的LOC分别为12%和9%。
1996年7月，环球航空公司800航班的飞机在从纽约肯尼迪国际机场起飞后，由于中央翼油箱的爆炸而解体。
2006年5月，一架波音727飞机的翼油箱在地面上爆炸，原因是一个特殊的聚四氟乙烯套管和一个金属表面之间的电气连接点火源。
油箱惰性化系统向油箱的空舱提供惰性气体，以取代低于LOC的O2进行防火。
在航空燃料中的溶解度远大于N2的溶解度，当压力降低时，会导致气穴侵蚀和过度发泡，以及航空燃料中CO2的释放或溶解对油箱的影响
美国联邦航空管理局已经说明，与空气分离模块集成的OBIGGS可以实用且具有成本效益，用于降低油箱中的O2浓度。
在OBIGGS中，NEA由通过HFMM的高压引气产生，最高纯度为99%是可行的。
HFMM的特性与飞机引气的温度、压力和质量流量密切相关。
随着压力或温度的升高，NEA的纯度增加，而由于空气流量的增加，纯度降低。压力和空气流量对NEA的纯度有显著影响，而温度的影响很小。
结果表明，压力和空气流量对NEA的纯度有显著影响，而温度的影响很小。
Burns20已经发现，增加入口压力将同时增加NEA的流量和纯度，而惰性气体的高流速对于在整个飞行循环中仅使用单个HFMM配置来保持空客A320油箱的空燃量是非常重要的。
Burns21设计的实验室实验表明，NEA的纯度越高或流速越大，储罐氧气浓度下降到低于LOC的浓度的时间。
在飞行的巡航阶段，HFMM入口压力的降低可能会导致空舱达到15%氧气浓度的峰值，并大量消耗引气。10 HFMM的性能特性将决定OBIGGS在飞机油箱惯性中的能力。
为了提高NEA纯度的惰化性能，提出了一种改进的惰化系统OBIGGSTC，即惰化时间，降低液氧浓度吹出LOC的时间、HFMM的数量、飞机补偿损失以及减少对飞机发动机的影响。
通过改善FHMM的运行条件来提高OBIGGS的性能是降低空区O2浓度的最佳方法。
然而，来自发动机的高压引气可能会降低飞机的效率。Bruno22提出了一种方法，该方法使用压缩机装置将引气增加到所需的压力。
汉胜公司为波音787航班设计了一种氮气产生系统，该系统使用两级离心压缩机，直接与电机连接，对进气进行加压，与传统系统相比，飞机的补偿损失可以减少60%。
惰性化系统的设计是为了提高HFMM的入口压力，以获得更好的性能，甚至从发动机的低压级驱动引气。
建立了OBIGGSTC和OBIGGS的数学模型，并基于一维仿真软件AMESim对其进行了仿真，以解释OBIGGSSC的性能。
惰性化系统模拟
传统OBIGGS的一个简单示例如图1所示。
图1。OBIGGS示意图
该系统由飞机发动机的引气、热交换器、用于干燥空气的干燥器、用于产生NEA和富氧空气的HFMM、用于限制质量流量的节流孔和飞机油箱组成。
将NEA注入储罐，以将O2浓度降低到LOC以下。
改进型惰性化系统OBIGGSTC的简单示意图如图2所示。
图2:OBIGGSTC示意图。
与OBIGGS相比，引气分流到两个流动路径。第一流动路径连接到涡轮机，第二流动路径连接至用于产生NEA的离心式压缩机。
惰化系统的数学模型
假定引气在OBIGGS和OBIGGSTC的热交换器之后达到相同的温度和压力，并且空气仅由氧气和氮气组成。
这两个系统的主要部件是节流孔板、压缩机与涡轮机、HFMM和燃油箱
节流孔用于限制产生高纯度NEA的质量流量。考虑到节流孔前部和节流孔后部之间的最小压力差，气体的质量流量可以写成
根据相似理论确定了压缩机和涡轮机在可变工况下的实际性能特征。对于压缩机和涡轮机的特性，绝对压力比可以表示为
假设完全或半完全气体行为，压缩机或涡轮机的出口温度可由以下表达式推导
默认情况下，压缩机或涡轮机的实际质量流量可以使用校正后的质量流量来表示
并且压缩机或涡轮机的实际转速可以用校正后的转速来写入
“co作为Gcor，co和ncor，co的函数的压缩机特性从真实的压缩机图中获得，如图3所示。
图3。压缩机的特性数据。
Gcor，tu作为“tu和ncor、tu的函数的涡轮机技术数据如图4所示。
图4。涡轮机的特性数据。
可以在实际模拟中获得压缩机和涡轮机的性能特性
膜的传质驱动力是压差，气体分离的原理可以用溶解-扩散机制来解释。膜渗透通量可以写成
由于NEA的纯度在很大程度上取决于，通过HFMM的引气，HFMM的实际性能数据被导入到仿真模型中，从而产生与实际性能结果相似的结果。
在压缩机的帮助下，NEA的纯度可达到92.59%，高于OBIGGS的89.93%。在具有八个HFMM的传统系统中，引气流量为74.43 g s 1，而在具有一个HFMM时，该流量为123.62 g s 1。
来自OBIGGSTC发动机的引气流量大于OBIGGS，因为大部分引气（68.42%）被注入涡轮机以驱动压缩机。
并且将混合气体从出口排出到环境空气中。空隙的混合过程可以被认为是瞬间的，以形成平衡。对于燃油箱容量，氧气体积浓度可计算为
通过HFMM的引气，HFMM的实际性能数据被导入到仿真模型中，从而产生与实际性能结果相似的结果。
图5。HFMM的草图和详细参数。
基于AMESim的仿真模型
AMESim软件被应用于用前面描述的数学模型模拟惰化系统。这两个系统是基于AMESim构建的，如图6所示。
图6。NEA的纯度与入口压力和流速的关系。
AMESim上仿真模型的验证
为了验证AMESim仿真模型的准确性，在AMESim的基础上，建立了用NEA对通风的飞机油箱进行惰化以降低油箱空度的氧气体积浓度的模型，并与文献进行了比较。
图7。OBIGGS和OBIGGSTC的AMESim模式。
使用由具有不同纯度和流速的HFMM产生的NEA对体积为实验室燃料箱进行惰性化。模拟和实验之间的比较如图7所示。
惰化系统的模拟与实验数据的趋势和大小相匹配。
结果与讨论
在不同的引气压力下对惰化系统进行了模拟。例如，考虑到波音787的飞行，油箱的总体积为133 m3，燃油负载为40%时的空舱体积为80 m3。
在飞行巡航阶段的模拟中，环境压力为0.035MPa，温度为236K。OBIGGS和OBIGGSTC的模拟在以下气体条件下运行：绝对压力为0.3MPa，温度为350K，引气由热交换器冷却。仿真结果如图8所示。
图8。模拟和实验中储罐氧气浓度随时间变化的比较。（a） NEA的流量为2.83 103 m3/s 1；（b） NEA的纯度为96%。
当引气压力为0.3MPa时，用一个HFMM将氧浓度降低到OBIGGS的LOC以下的最大惰化时间可为6520 s，是OBIGGSTC的3.4倍。
由于喷射到燃料箱中的NEA的流速增加，将HFMM的数量从OBIGGS的一个增加到八个可以将惰化时间减少到OBIGGSTC的惰化时间。
通过涡轮机衍生的压缩机可以将入口压力从0.3MPa提高到0.83MPa，以提高NEA的纯度。两个惰化系统的NEA纯度和引气质量流量如图9所示。
图9。在0.3MPa引气条件下，OBIGGS和OBIGGSTC的储罐氧气浓度。
在压缩机的帮助下，NEA的纯度可达到92.59%，高于OBIGGS的89.93%。在具有八个HFMM的传统系统中，引气流量为74.43 g s 1，
而在具有一个HFMM时，该流量为123.62 g s 1。来自OBIGGSTC发动机的引气流量大于OBIGGS。
通过改变引气压力来模拟OBIGGSTC的性能，并与OBIGGS进行比较，通过将引气压力从0.3MPa改变到0.8MPa来模拟一系列模型。
在两种惰化系统中，前者仅配备一个HFMM，而后者的HFMM数量变化，以将惰化时间减少到OBIGGSTC的惰化时间。
HFMM数量和OBIGGS惰化时间的模拟结果如图10所示，引气流量和NEA纯度如图11所示。
图10。两个惰化系统在0.3MPa引气条件下的特性。
图11。OBIGGS的HFMM数量和两个惰化系统的惰化时间
上述两个系统之间的性能比较表明，OBIGGSTC的使用可以显著减少HFMM的数量，而发动机排气流量的增加将影响发动机的性能。
为了评估所提出的系统的特性，采用起飞24的总质量法来考虑惰化系统对飞机的影响。在飞机补偿损失的计算方法中，所有影响因素都可以转换为起飞时航空燃料的总质量。
在实际应用中，单个HFM的重量为15kg，涡轮机和压缩机的总质量为10kg，热交换器（b）的质量为1kg，引气压力为0.3MPa，并且随着通过压缩机的气流的增加0.01kg/s而增加1kg。
在总质量起飞法中，飞机的补偿与飞行时间密切相关，如图（12）
图12。引气的流速和NEA的纯度与引气压力的关系。
结论
为了提高飞机油箱的惰化性能，提出了OBIGGSTC，并对这两种惰化系统的物理模型和数学模型进行了解释。
与OBIGGS相比，所提出的系统具有将HFMM的数量从8个减少到1个的优点，这将使空气分离模块的体积和重量显著减少67.5%，
并缩短在0.3MPa引气压力下将罐氧浓度降低到低于LOC的最大66.6%的时间。
尽管由于采用了涡轮机和压缩机，所提出的系统的引气流量大于传统系统的引风流量，但OBIGGSTC的总飞机补偿损失可以小于只有一个HFMM的OBIGGS。
从0.3MPa到0.8MPa的引气压力越低，从4h到10h的飞行时间越小。
更突出的是，与用于飞机的油箱惰化系统的OBIGGS相比，所提出的补偿损失最大为57.39%。
OBIGGSTC提供了一种用于驱动来自发动机低压级的加压引气的方法，以减少高压引气对发动机性能的影响。