飞机燃油油箱氮气发生系统研究

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【摘 要】现代飞机新增加了一个燃油油箱惰化系统――氮气发生系统。本文由氮气发生系统的排故谈起，介绍了氮气发生系统的由来，并详细分析了氮气发生系统的油箱惰化原理、组成、工作原理及维护，以期对系统的维护、排故有用。

【关键词】燃油油箱惰化；氮气发生系统；排故

【Abstract】A new fuel tank inerting system―Nitrogen generation system（NGS） is installed on the modern airplanes. From talking about the fault isolate of NGS， this paper introduces the origin of NGS. This paper particularly analyses the fuel tank inerting theory， components， working theory and maintenance of NGS， to be useful for the maintenance and fault isolate of NGS.

【Key words】Fuel tank inerting；Nitrogen generation system；Fault isolate

0 引言

在飞机运营过程中，氮气发生系统（NGS）有时会出现自检代码为47-30029（FILTER BLOCKED过滤器阻塞）的故障，造成蓝色性能衰退灯亮。出现此故障信息需满足下列三个条件：过滤压差电门感受到高压信号、氮气发生系统正在工作、飞机处在爬升状态。一般维修人员怀疑是过滤压差电门、过滤器或线路的原因；但在排故后往往发现是空气分离组件（ASM）故障。更换空气分离组件后，故障排除。

这是因为空气分离组件作为氮气发生系统的核心部件，它将空气进行分离，氧气排出机外，氮气送入中央油箱。但如果由于空气杂质污染引起空气分离组件内部纤维膜损坏，内部纤维膜会变得像带有许多洞孔的吸管一样而流过过多的气流量，超过热交换器的冷却能力，而引起过滤器两侧压差值超出范围，造成蓝色性能衰退灯亮。所以当系统出现上述故障时，维修人员可以考虑更换空气分离组件来排故。

基于此，本文决定对氮气发生系统的由来、油箱惰化原理、组成、工作原理、及维护进行介绍和分析。

1 氮气发生系统的由来

氮气发生系统是在多次航空空难的背景下产生的，特别是著名的TWA800空难，直接促使美国联邦航空局（FAA）和波音公司采用此系统。1996年7月17日，美国环球航空800号班机（TWA800）从纽约肯尼迪国际机场起飞，飞往巴黎戴高乐机场；当时该架波音747-100型飞机搭载了212名乘客及18名机组人员。飞机在起飞后仅12分钟就于纽约长岛附近的大西洋上空爆炸解体，造成机上全部人员罹难（飞机事故残骸见图1）。

图1 TWA800飞机残骸

TWA800空难发生后，美国联邦航空局和波音公司进行了大量的调查研究。调查发现事故原因是飞机在爬升时中央油箱的可燃蒸汽被点燃而发生爆炸。美国联邦航空局先后颁布了很多条例和规章要求消除油箱中潜在的点火源，同时要求消除或显著减少油箱的可燃性。美国联邦航空局和波音公司据此引入了燃油油箱氮气发生系统。

美国联邦航空局于2005年下发适航条例，要求2014年1月1日以后出厂的所有100座以上的民用飞机，必须在出厂前安装氮气发生系统；对于未安装该系统的现役飞机，必须在2017年前加装氮气发生系统。波音公司根据美国联邦航空局的要求下发了加装氮气发生系统的服务通告。

2 氮气发生系统的油箱惰化原理

燃油蒸汽、氧气、火源被称为油箱“起火三因素”。在飞行中，飞机燃油油箱内因雷电、静电火花、摩擦火花等特殊风险或失效状态，极易引燃起火三因素而发生灾难性爆炸，造成生命和财产的严重后果。

飞机在地面时，燃油油箱中液面以上气相空间的氧气浓度为21%。飞机在爬升过程中，由于压力的降低而使溶解在燃油中的氧气被析出，此时的氧气浓度大于21%。当氧气和燃油的挥发蒸汽混合，在有点火源的情况下，可能就会发生燃烧或爆炸。控制飞机燃油油箱内部的氧气浓度在一定安全值范围内，从而在油箱内产生一个不易燃的环境，可以防止因点火源出现而引发燃油油箱的爆炸。

根据美国联邦航空局的修正案25-125，当燃油油箱每个隔间的平均氧气浓度值在海平面到10000英尺高度区间内小于或等于12%时，或在10000英尺到40000英尺高度区间内小于或等于12%到14.5%的线性递推值时，或在高于40000英尺高度时小于或等于其线性外推值时，燃油油箱即可被认为是惰化状态，即不易燃状态。

氮气发生系统通过控制向中央油箱提供富含氮气的增压气体，使整个飞行过程中的中央油箱氧气含量处于不足以支持燃烧的水平，实现了燃油油箱的惰化。

3 氮气发生系统的组成和工作原理

3.1 氮气发生系统组成和分析

图2 氮气发生系统系统图

氮气发生系统使用飞机左侧发动机引气系统的引气，关断活门控制来自气源总管的引气量，控制器使用系统压力和电压去控制关断活门。控制器通过接收来自引气导管上的传感器的压力信号去调节关断活门的开度，控制进入系统的气体压力。引气经过臭氧转换器时，空气中的臭氧被转换为氧气，因为臭氧会降低空气分离组件的机械性能。热交换器使用冲压空气降低引气温度到160°F±10°F，冲压空气活门调节进入热交换器的冷空气量。控制器接收来自温度传感器的温度信号去调节冲压空气活门。过滤器过滤进入空气分离组件的空气污染杂质，压差电门监控此过滤器的工作。空气分离组件将富氧气体排出机外，降低气体中的含氧量。富氮气体经过高流量活门进入中央油箱，高流量活门控制进入中央油箱的富氮气体量。控制器通过接收高度传感器、压差传感器的信号去控制打开或关闭高流量活门。富氮气体分配系统将氮气通过油箱左部的爬升通气口的喷嘴送入中央油箱，油箱右部的浮子活门确保氮气的浓度是恒定的。交输通气单向活门确保外界大气在飞机下降过程中不会稀释氮气的浓度。控制器还监控和控制系统的操作温度和压力。系统组成和工作示意图如图2所示。

3.2 空气分离组件原理

氮气发生系统的核心装置是空气分离组件，其采用渗透膜型惰性气体产生系统。空气分离组件的工作原理是当两种或两种以上的气体混合物通过纤维高分子膜时，各种气体在膜中溶解度和扩散系数有差异，导致不同气体在膜中拥有不同的相对渗透速率。在膜两侧压力差的作用下，渗透速率相对快的气体如氧气、水、二氧化碳等迅速透过中空纤维壁而被放掉；渗透速率较慢的氮气被滞留在中空纤维内而被富集，从而在纤维的出口端得到较高纯度的氮气。

空气分离组件包含上百万根中空纤维高分子膜，安装在圆柱管束里。运行中，空气分散到管束，然后进入各个纤维孔。当空气流穿过纤维膜时，氧气优先渗透穿过纤维壁面并收集后排出；而富氮气体在纤维管的另一端产生，用于惰化燃油油箱。其原理如图3所示。

然而，当空气杂质污染造成空气分离组件内部纤维膜损坏时，内部纤维膜会变得像带有许多洞孔的吸管一样而流过过多的气流量，最终导致氮气发生系统出现蓝色性能衰退灯亮的故障。

图3 空气分离组件

4 氮气发生系统的维护

氮气发生系统有一个操作指示器（见图4），它从控制器获取信号，显示氮气发生系统的系统状态。操作指示器有三个灯：绿灯-表示系统正常工作；蓝灯-表示系统还工作，但性能退化；琥珀色灯-表示系统不工作，必须人工关断和锁住NGS关断活门。假如所有灯都不亮，说明指示器不工作。当蓝灯或琥珀色灯亮时，说明氮气发生系统有故障。

图4 操作指示器

氮气发生系统有一套自检显示组件（BDU，见图5），维修人员可以利用其进行系统维护和排故。当系统有故障时，自检显示组件会显示故障信息，维修人员可以根据故障隔离手册进行排故。常见故障信息如表1所示。

进行排故工作之前，确保飞机处于下列状态：飞机外部电源接通，液压系统和气压系统关闭，发动机停车，氮气发生系统中没有部件失效。

故障隔离手册中有许多排故步骤，包含多个待排故的项目。为了节省排故的时间，维修人员可以忽略认为不需要排故的项目步骤；但要注意有些项目中包含影响其他项目工作的步骤，这些步骤不能被忽略。

图5 自检显示组件

表1 常见故障信息

5 结束语

氮气发生系统通过对燃油油箱进行惰化，可以有效防止油箱燃烧爆炸，提高飞机的运行安全性，保证了人民生命和财产的安全。但在飞机运营过程中，由行环境和部件寿命等问题，系统有时会出现一些故障。维修人员对氮气发生系统有全面的了解和认知，可以快速准确的判断故障原因，迅速完成排故工作，保障航空公司的飞机利用率和航班准点率。

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