低溫燃料成分及雙燃料飛行器系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】低溫燃料成分及雙燃料飛行器系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請請求享有2012年12月28日提交的美國臨時專利申請第61/746，900號的權(quán)益，該申請以其整體并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]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氣渦輪發(fā)動機中使用雙燃料的飛行器系統(tǒng)及其操作方法。
【背景技術(shù)】
[0004]某些低溫燃料如液化天然氣(LNG)可比常規(guī)噴氣燃料廉價。用以在常規(guī)燃氣渦輪應(yīng)用中冷卻的當前途徑使用壓縮空氣或常規(guī)液體燃料。用于冷卻的壓縮機空氣的使用可降低發(fā)動機系統(tǒng)的效率。
[0005]因此，將合乎需要的是具有在航空燃氣渦輪發(fā)動機中使用雙燃料的飛行器系統(tǒng)。將合乎需要的是具有飛行器系統(tǒng)，其可由航空燃氣渦輪發(fā)動機推進，該航空燃氣渦輪發(fā)動機可使用常規(guī)噴氣燃料和/或較廉價的低溫燃料如液化天然氣(LNG)來操作。將合乎需要的是具有航空燃氣渦輪構(gòu)件和系統(tǒng)中的更有效的冷卻。將合乎需要的是在發(fā)動機中具有改進的效率和較低的比燃料消耗以降低操作成本。合乎需要的是具有使用雙燃料的航空燃氣渦輪發(fā)動機，其可利用較少的溫室氣體(C02)、氮氧化物N0X、一氧化碳C0、未燃烴和煙來減小環(huán)境影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在一方面，本發(fā)明的實施例涉及一種低溫燃料成分，其包括液化天然氣(LNG)和以足以增大成分中的潤滑性同時能夠溶于LNG中的量的對二甲苯。
[0007]在另一方面，本發(fā)明的實施例涉及一種低溫燃料成分，其包括主要量的LNG和次要量的對二甲苯，該次要量的對二甲苯具有1到120ppm的低溫燃料成分中的濃度。
[0008]在又一方面，本發(fā)明的實施例涉及一種具有至少一個渦輪發(fā)動機的用于飛行器的雙燃料飛行器系統(tǒng)，其具有用于將第一燃料從第一燃料箱提供至渦輪發(fā)動機的第一燃料系統(tǒng)，以及第二燃料系統(tǒng)，其用于提供低溫燃料成分，并且具有儲存LNG且流體地聯(lián)接于渦輪發(fā)動機的第二燃料箱、儲存添加劑且流體地聯(lián)接于渦輪發(fā)動機的添加劑箱，以及混合裝置，其構(gòu)造成產(chǎn)生包括主要量的LNG和選自包括對二甲苯、苯、甲苯和間二甲苯的組的次要量的添加劑的低溫燃料成分至飛行器燃氣渦輪發(fā)動機。
【附圖說明】
[0009]可通過參照連同附圖進行的以下描述而最佳地理解本文中所述的技術(shù)，在該附圖中:
[0010]圖1為具有雙燃料推進系統(tǒng)的示例性飛行器系統(tǒng)的等距視圖；
[0011]圖2為示例性燃料輸送/分配系統(tǒng)；
[0012]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；
[0013]圖3為示出燃料箱和示例性沸溶物使用的示例性布置的示意圖；
[0014]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氣渦輪發(fā)動機的示意性截面視圖；
[0015]圖5為示出示意性換熱器的示例性雙燃料飛行器燃氣渦輪發(fā)動機的一部分的示意性截面視圖；
[0016]圖6a為不例性直接換熱器的不意圖；
[0017]圖6b為示例性間接換熱器的示意圖；
[0018]圖6c為另個不例性間接換熱器的不意圖；
[0019]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；以及
【具體實施方式】
[0020]參照本文中的附圖，相同附圖標記遍及各個視圖表示相同元件。
[0021]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的飛行器系統(tǒng)5。示例性飛行器系統(tǒng)5具有機身6和附接于機身的機翼7。飛行器系統(tǒng)5具有推進系統(tǒng)100，其產(chǎn)生在飛行中推進飛行器系統(tǒng)所需的推進推力。盡管推進系統(tǒng)100在圖1中示為附接于機翼7，但在其它實施例中，其可聯(lián)接于飛行器系統(tǒng)5的其它部分，如例如，尾部16。
[0022]示例性飛行器系統(tǒng)5具有燃料儲存系統(tǒng)10，用于儲存用于推進系統(tǒng)100中的一種或更多種類型的燃料。如本文中在下面進一步所闡釋，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包括能夠儲存第一燃料11的第一燃料箱21，以及能夠儲存第二燃料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的機翼7中。在圖1中所示的一個示例性實施例中，第二燃料箱22在機翼聯(lián)接于機身的位置附近位于飛行器系統(tǒng)的機身6中。在備選實施例中，第二燃料箱22可位于機身6或機翼7中的其它適合的位置處。在其它實施例中，飛行器系統(tǒng)5可包括能夠儲存第二燃料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)的機身的后部中，如例如圖1中示意性所示。
[0023]如本文中隨后進一步所述，圖1中所示的推進系統(tǒng)100為雙燃料推進系統(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12兩者生成推進推力。示例性雙燃料推進系統(tǒng)100包括燃氣渦輪發(fā)動機101，其能夠有選擇地使用第一燃料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。在本文中所述的示例性實施例中，第二燃料12為在非常低的溫度下儲存的低溫燃料。在本文中所述的一個實施例中，低溫第二燃料12為液化天然氣(作為備選在本文中稱為"LNG")。低溫第二燃料12在低溫下儲存在燃料箱中。例如，LNG在大約-265° F下，在大約15psia的絕對壓力下儲存在第二燃料箱22中。燃料箱可由已知的材料如鈦、鉻鎳鐵合金、鋁或復合材料制成。
[0024]LNG其較弱的潤滑特征廣為人知，導致了低LNG栗部分壽命、軸承故障和增加的維護。此外，操作限制可置于某些LNG栗上，這導致一個或僅一些穩(wěn)態(tài)條件下的有限瞬態(tài)操作。根據(jù)本發(fā)明的實施例，添加劑可添加至LNG混合物來改進其潤滑性。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的實施例，可使用包括但不限于對二甲苯、苯、甲苯和間二甲苯的添加劑。具體而言，對二甲苯提供高溶解性和優(yōu)異潤滑性。
[0026]航空渦輪燃料Jet-A和Jet-Al中的當前潤滑性增強劑可包括若干品牌潤滑性增強劑，其目前在達到但不超過23ppm(見ASTM D1655)的濃度下使用，這是用于此類Jet_A和Jet-Al燃料的規(guī)格。此類水平示出了顯著地改進流體的潤滑性所需的濃度水平。
[0027]確定了對二甲苯將產(chǎn)生優(yōu)異的潤滑增強劑，因為其在LNG中的其溶解性和其潤滑特征方面是獨特的。對二甲苯具有高溶解性和優(yōu)異潤滑性的組合。對二甲苯可以以足以增大成分的潤滑性同時能夠溶解在LNG中的量被包括，該量可包括1到120ppm之間的范圍。這具有減小旋轉(zhuǎn)和靜止燃料潤濕硬件之間的摩擦，主動地影響多種性能和維護相關(guān)的問題的效果。
[0028]添加劑可包括大部分對二甲苯和較低濃度的苯、甲苯和間二甲苯中的一種。不管添加劑是單獨的對二甲苯或是與附加的(多種)添加劑組合的對二甲苯，添加劑都可具有高于23ppm的濃度，包括添加劑可具有達到大約120ppm的濃度，從而將增大的潤滑性提供至LNG混合物。
[0029]以該方式，使用的低溫燃料可包括主要量LNG和包括對二甲苯的次要量添加劑。在本發(fā)明的另一個實施例中，添加劑如苯、甲苯和間二甲苯可以以較低濃度單獨地或與對二甲苯組合被包括。以該方式，使用的低溫燃料可包括主要量LNG和次要量添加劑，其選自包括對二甲苯、苯、甲苯和間二甲苯的組。至少LNG和對二甲苯的所得溶液具有期望的潤滑性質(zhì)，并且保持為溶液。
[0030]添加劑可通過本領(lǐng)域中已知的任何方法混合到LNG燃料混合物中。例如，用于具有至少一個渦輪發(fā)動機101的飛行器5的雙燃料飛行器系統(tǒng)可包括用于將第一燃料11從第一燃料箱提供至渦輪發(fā)動機101的第一燃料系統(tǒng)，以及第二燃料系統(tǒng)，其用于提供低溫燃料成分，并且具有儲存LNG且流體地聯(lián)接于渦輪發(fā)動機101的第二燃料箱、儲存添加劑且流體地聯(lián)接于渦輪發(fā)動機101的添加劑箱，以及構(gòu)造成產(chǎn)生包括主要量LNG和選自包括對二甲苯、苯、甲苯和間二甲苯的組的次要量添加劑的低溫燃料成分至飛行器燃氣渦輪發(fā)動機的混合裝置。將理解的是，在雙燃料飛行器系統(tǒng)中，第一燃料可為基于液體煤油的燃料。次要量添加劑可超過23ppm，包括達到120ppm的濃度。如上文所述，次要量添加劑可包括大部分對二甲苯和較低濃度的苯、甲苯和間二甲苯中的一種。作為備選，添加劑可僅包括對二甲苯。
[0031]添加劑如對二甲苯的添加提供了極大改進的LNG栗可靠性和改進的操作包絡(luò)線。此外，提供其效果所需的其寬可用性和相對低濃度使對二甲苯將低成本添加至LNG混合物。
[0032]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Υ嫦到y(tǒng)10輸送至推進系統(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)通過傳輸?shù)蜏厝剂系膶Ч?4輸送至推進系統(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的導管54的至少一部分被隔離，并且構(gòu)造用于傳輸加壓低溫液體燃料。在一些示例性實施例中，導管54的至少一部分具有雙壁構(gòu)造。導管可由已知的材料如鈦、鉻鎳鐵合金、鋁或復合材料制成。
[0033]圖1中所示的飛行器系統(tǒng)5的示例性實施例還包括燃料電池