用于飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫燃料的能量有效且受控的汽化的制作方法
【專利說明】用于飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫燃料的能量有效且受控的汽化
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)請(qǐng)求享有2013年3月15日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/ 786，723號(hào)的權(quán)益，該申請(qǐng)以其整體并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本文中公開的技術(shù)大體上涉及飛行器系統(tǒng)，并且更具體地涉及在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用雙燃料的飛行器系統(tǒng)及其操作方法。
【背景技術(shù)】
[0003]—些飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)可構(gòu)造成使用一種或更多種燃料如噴射燃料和/或天然氣來操作。
【附圖說明】
[0004]通過參照連同附圖進(jìn)行的以下描述可最佳地理解本文中所述的技術(shù)，在該附圖中:
圖1為具有雙燃料推進(jìn)系統(tǒng)的示例性飛行器系統(tǒng)的等距視圖；
圖2為示例性燃料輸送/分配系統(tǒng)；
圖2a為示例性低溫燃料的示例性壓焓圖中的示例性操作路徑；
圖3為示出燃料箱和示例性沸溶使用的示例性布置的示意圖；
圖4為具有燃料輸送和控制系統(tǒng)的示例性雙燃料飛行器燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的示意性截面視圖；
圖5為示出示例性換熱器的示例性雙燃料飛行器燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分的示意性截面視圖；
圖6a為示例性直接換熱器的示意圖；
圖6b為示例性間接換熱器的示意圖；
圖6c為另一個(gè)示例性間接換熱器的示意圖；
圖7為用于飛行器系統(tǒng)的示例性飛行任務(wù)曲線的示意圖；
圖8為用于使低溫燃料汽化的示例性系統(tǒng)的框圖；以及圖9為所有都根據(jù)本公開的至少一些方面的用于使低溫燃料汽化的示例性系統(tǒng)的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0005]在以下詳細(xì)描述中，參照了形成其一部分的附圖。在附圖中，類似的標(biāo)號(hào)典型地識(shí)別類似的構(gòu)件，除非上下文另外指出。在詳細(xì)描述、附圖和權(quán)利要求中描述的示范性實(shí)施例不意于限制?？墒褂闷渌鼘?shí)施例，并且可作出其它改變，而不脫離這里提出的主題的精神或范圍。將容易理解的是，如本文中大體上描述和附圖中示出的，本公開的方面可以以各種不同構(gòu)造布置、替換、組合和設(shè)計(jì)，它們所有都明確地構(gòu)想出，并且構(gòu)成本公開的部分。
[0006]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的飛行器系統(tǒng)5。示例性飛行器系統(tǒng)5具有機(jī)身6和附接于機(jī)身的機(jī)翼7。飛行器系統(tǒng)5具有推進(jìn)系統(tǒng)100，其產(chǎn)生在飛行中推進(jìn)飛行器系統(tǒng)所需的推進(jìn)推力。盡管推進(jìn)系統(tǒng)100在圖1中示為附接于機(jī)翼7，但在其它實(shí)施例中，其可聯(lián)接于飛行器系統(tǒng)5的其它部分，如，例如，尾部16。
[0007]示例性飛行器系統(tǒng)5具有燃料儲(chǔ)存系統(tǒng)10，用于儲(chǔ)存用于推進(jìn)系統(tǒng)100中的一種或更多種類型的燃料。如本文中在下面進(jìn)一步說明的，圖1中所示的示例性飛行器系統(tǒng)5使用兩種類型的燃料。因此，示例性飛行器系統(tǒng)5包括能夠儲(chǔ)存第一燃料11的第一燃料箱21，以及能夠儲(chǔ)存第二燃料12的第二燃料箱22。在圖1中所示的示例性飛行器系統(tǒng)5中，第一燃料箱21的至少一部分位于飛行器系統(tǒng)5的機(jī)翼7中。在圖1中所示的一個(gè)示例性實(shí)施例中，第二燃料箱22在機(jī)翼聯(lián)接于機(jī)身的位置附近位于飛行器系統(tǒng)的機(jī)身6中。在備選實(shí)施例中，第二燃料箱22可位于機(jī)身6或機(jī)翼7中的其它適合的位置處。在其它實(shí)施例中，飛行器系統(tǒng)5可包括能夠儲(chǔ)存第二燃料12的可選的第三燃料箱123?？蛇x的第三燃料箱123可位于飛行器系統(tǒng)的機(jī)身的后部中，如，例如圖1中示意性示出的。
[0008]如本文中隨后進(jìn)一步所述，圖1中所示的推進(jìn)系統(tǒng)100為雙燃料推進(jìn)系統(tǒng)，其能夠通過使用第一燃料11或第二燃料12或使用第一燃料11和第二燃料12兩者生成推進(jìn)推力。示例性雙燃料推進(jìn)系統(tǒng)100包括燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)101，其能夠選擇性地使用第一燃料11或第二燃料21或以選擇比例使用第一燃料和第二燃料兩者來生成推進(jìn)推力。第一燃料可為常規(guī)液體燃料，如，基于煤油的噴射燃料，如，現(xiàn)有技術(shù)中稱為Jet-A、JP-8或JP-5的，或其它已知的類型或等級(jí)。在本文中所述的示例性實(shí)施例中，第二燃料12為在非常低的溫度下儲(chǔ)存的低溫燃料。在本文中所述的一個(gè)實(shí)施例中，低溫第二燃料12為液化天然氣(作為備選在本文中被稱為"LNG")。低溫第二燃料12在低溫度下儲(chǔ)存在燃料箱中。例如，LNG在大約-265 °FT，在大約15psia的絕對(duì)壓力下儲(chǔ)存在第二燃料箱22中。燃料箱可由已知的材料如鈦、鉻鎳鐵合金、鋁或復(fù)合材料制成。
[0009]圖1中所示的示例性飛行器系統(tǒng)5包括燃料輸送系統(tǒng)50，其能夠?qū)⑷剂蠌娜剂蟽?chǔ)存系統(tǒng)10輸送至推進(jìn)系統(tǒng)100。已知的燃料輸送系統(tǒng)可用于輸送常規(guī)的液體燃料，如，第一燃料11。在本文中所述和圖1和2中所示的示例性實(shí)施例中，燃料輸送系統(tǒng)50構(gòu)造成將低溫液體燃料(如，例如LNG)通過運(yùn)輸?shù)蜏厝剂系膶?dǎo)管54輸送至推進(jìn)系統(tǒng)100。為了在輸送期間大致保持低溫燃料的液態(tài)，燃料輸送系統(tǒng)50的導(dǎo)管54的至少一部分被隔離，并且構(gòu)造用于運(yùn)輸加壓低溫液體燃料。在一些示例性實(shí)施例中，導(dǎo)管54的至少一部分具有雙壁構(gòu)造。導(dǎo)管可由已知的材料如鈦、鉻鎳鐵合金、鋁或復(fù)合材料制成。
[0010]圖1中所示的飛行器系統(tǒng)5的示例性實(shí)施例還包括燃料電池系統(tǒng)400，其包括燃料電池，該燃料電池能夠使用第一燃料11或第二燃料12中的至少一種產(chǎn)生電功率。燃料輸送系統(tǒng)50能夠?qū)⑷剂蠌娜剂蟽?chǔ)存系統(tǒng)10輸送至燃料電池系統(tǒng)400。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，燃料電池系統(tǒng)400使用由雙燃料推進(jìn)系統(tǒng)100使用的低溫燃料12的一部分來生成功率。
[0011]推進(jìn)系統(tǒng)100包括燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)101，其通過在燃燒器中焚燒燃料來生成推進(jìn)推力。圖4為示例性燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)101的示意圖，示例性燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)101包括風(fēng)扇103和芯部發(fā)動(dòng)機(jī)108，芯部發(fā)動(dòng)機(jī)108具有高壓壓縮機(jī)105和燃燒器90。發(fā)動(dòng)機(jī)101還包括高壓渦輪155、低壓渦輪157和增壓器104。示例性燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)101具有風(fēng)扇103，其產(chǎn)生推進(jìn)推力的至少一部分。發(fā)動(dòng)機(jī)101具有進(jìn)氣側(cè)109和排氣側(cè)110。風(fēng)扇103和渦輪157使用第一轉(zhuǎn)子軸114聯(lián)接在一起，并且壓縮機(jī)105和渦輪155使用第二轉(zhuǎn)子軸115聯(lián)接在一起。在一些應(yīng)用中，如，例如圖4中所示，風(fēng)扇103葉片組件至少部分地定位在發(fā)動(dòng)機(jī)外殼116內(nèi)。在其它應(yīng)用中，風(fēng)扇103可形成〃敞開轉(zhuǎn)子〃的一部分，其中，不存在包繞風(fēng)扇葉片組件的外殼。
[0012]在操作期間，空氣在大致平行于延伸穿過發(fā)動(dòng)機(jī)101的中心線軸線15的方向上軸向地流動(dòng)穿過風(fēng)扇103，并且壓縮空氣供應(yīng)至高壓壓縮機(jī)105。高度壓縮的空氣輸送至燃燒器90。來自燃燒器90的熱氣體(圖4中未示出)驅(qū)動(dòng)渦輪155和157。渦輪157經(jīng)由軸114驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇103，并且類似地，渦輪155經(jīng)由軸115驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)105。在備選實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)101可具有附加的壓縮機(jī)，其有時(shí)在本領(lǐng)域中被稱為中壓壓縮機(jī)，由另一個(gè)渦輪級(jí)(圖4中未示出)驅(qū)動(dòng)。
[0013]在飛行器系統(tǒng)5的操作(見圖7中示出的示例性飛行曲線)期間，推進(jìn)系統(tǒng)100中的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)101例如可在推進(jìn)系統(tǒng)的操作的第一選擇部分期間(如，例如，在起飛期間)使用第一燃料11。推進(jìn)系統(tǒng)100可在推進(jìn)系統(tǒng)的操作的第二選擇部分期間(如，在巡航期間)使用第二燃料12，如，例如，LNG。作為備選，在飛行器系統(tǒng)5的操作的選擇部分期間，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)101能夠同時(shí)使用第一燃料11和第二燃料12來生成推進(jìn)推力。第一燃料和第二燃料的比例可在推進(jìn)系統(tǒng)的操作的各種級(jí)期間視情況在0%到100%之間變化。
[0014]本文中所述的飛行器和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)能夠使用兩種材料操作，其中一種可為低溫燃料，如，例如LNG (液化天然氣)，另一種為常規(guī)的基于煤油的噴射燃料，如Jet-A、JP-8、JP-5或全世界都可得到的類似的等級(jí)。
[0015]Jet-A燃料系統(tǒng)除燃料噴嘴外類似于常規(guī)飛行器燃料系統(tǒng)，該燃料噴嘴能夠點(diǎn)燃至燃燒器的成從0-100%的比例的Jet-A和低溫/LNG。在圖1中所示的實(shí)施例中，LNG系統(tǒng)包括燃料箱，其可選包含以下特征:(i)具有保持箱中的指定壓力的適合止回閥的通風(fēng)管線；(ii)用于液體低溫燃料的排出管線；(iii)評(píng)估存在于箱中的低溫(LNG)燃料的溫度、壓力和體積的計(jì)測(cè)或其它測(cè)量能力；(iv)位于低溫(LNG)箱中或可選在箱外的增壓栗，其增大低溫(LNG)燃料的壓力以將低溫(LNG)燃料運(yùn)輸至發(fā)動(dòng)機(jī)；以及(iv)將箱無限期地保持在低溫溫度下的可選的低溫冷卻器。
[0016]燃料箱將優(yōu)選在大氣壓力下或附近操作，但可在O到10psig的范圍中操作。燃料系統(tǒng)的備選實(shí)施例可包括高箱壓力和溫度。從箱和增壓栗延伸至發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架的低溫(LNG)燃料管線可具有以下特征:(i)單壁或雙壁構(gòu)造；(ii)真空絕熱或低熱傳導(dǎo)材料絕熱；以及(iii)將LNG流再循環(huán)至箱而不將熱添加至LNG箱的可選的低溫冷卻器。低溫(LNG)燃料箱可位于飛行器中，其中，常規(guī)的Jet-A輔助燃料箱位于現(xiàn)有系統(tǒng)上，例如，在前或后的貨艙中。作為備選，低溫(LNG)燃料箱可位于中心機(jī)翼箱位置。使用低溫(LNG)燃料的輔助燃料箱可設(shè)計(jì)成使得在低溫(LNG)燃料將不用于延長(zhǎng)時(shí)間段的情況下，其可被除去。
[0017]高壓栗可位于機(jī)架中或機(jī)載于發(fā)動(dòng)機(jī)上，以將低溫(LNG)燃料的壓力升高到足以將燃料噴射到燃?xì)鉁u輪燃燒器中的水平。栗可或可不將LNG/低溫液體的壓力升高到高于低溫(LNG)燃料的臨界壓力(Pc)。本文中稱為〃汽化器〃的可安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上或附近的換熱器將熱能添加至液化天然氣燃料，從而升高溫度并且使低溫(LNG)燃料體積膨脹。來自汽化器的熱(熱能)可來自許多源。這些包括但不限于:(i)燃?xì)鉁u輪排氣；(ii)壓縮機(jī)中間冷卻；(iii)高壓和/或低壓渦輪空隙控制空氣；(iv)LPT管冷卻寄生空氣；(V)來自HP渦輪的冷卻的冷卻空氣；(vi)潤(rùn)滑油；或(vii)機(jī)載的航空電子裝置或電子裝置。換熱器可具有各種設(shè)計(jì)，包括殼管式、雙管、翅片板等，并且可以以并流、逆流或交叉流方式流動(dòng)。熱交換可以以與上文列出的熱源的直接或間接接觸發(fā)生。
[0018]控制閥位于上文所述的汽化器/換熱器單元下游?？刂崎y的目的在于橫跨與燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)操作相關(guān)聯(lián)的操作條件范圍計(jì)量進(jìn)入燃料歧管的指定水平的流動(dòng)?？刂崎y的次要目的在于用作背壓調(diào)節(jié)器，其將系統(tǒng)的壓力設(shè)置成高于低溫(LNG)燃料的臨界壓力。
[0019]燃料歧管位于控制閥下游，該控制閥用于將氣態(tài)燃料均勻地分配到燃?xì)鉁u輪燃料噴嘴。在一些實(shí)施例中，歧管可以可選地用作換熱器，其將熱能從芯部罩隔間或其它熱圍繞物傳遞至低溫/LNG/天然氣燃料。吹掃歧管系統(tǒng)可以可選地與燃料歧管一起使用，以在氣態(tài)燃料系統(tǒng)未操作時(shí)以壓縮機(jī)空氣(CDP)吹掃燃料歧管。這將防止由周向壓力變化引起的熱氣體吸入氣態(tài)燃料噴嘴中。可選的是，燃料噴嘴中或附