專利名稱：具有非金屬燃料板組件的燃料脫氧系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通過脫氧使燃料穩(wěn)定，且特別是，涉及一種用于燃料穩(wěn)定單元的燃料板組件。
背景技術：
燃料通常在飛行器中用作各種飛行器系統(tǒng)中的冷卻劑。由于氧支持氧化反應的進行從而產生了不希望的副產物，因此烴噴氣燃料中存在的溶解氧可能是有害的。空氣在噴氣燃料中的溶解導致產生約70ppm的氧濃度。當燃料被加熱至300與850之間時，氧使得燃料開始進行自由基反應，從而導致產生通常被稱作“焦炭”或“結焦”的沉積物。焦炭對燃料管線可能是有害的且可能會阻礙燃料的傳輸。這些沉積物的形成可能損害燃料系統(tǒng)或相對于預期的熱交換功能或相對于燃料的高效噴射而言的正常運行。
多種常規(guī)的燃料脫氧技術當前被用于對燃料進行脫氧。通常，將氧濃度降低至6ppm或更低足以克服結焦問題。
用于飛行器燃料系統(tǒng)中的一種常規(guī)的燃料穩(wěn)定單元(FSU)通過在氧可透過膜上產生氧分壓梯度而從噴氣燃料中去除氧。FSU包括在外部殼體內夾有可透過膜和多孔基體板的多塊燃料板。每塊燃料板限定出一部分燃料通路且由多孔板支承的可透過膜限定出燃料通路的其余部分。所述可透過膜包括與所述燃料通路內的燃料接觸以防止液體燃料本體遷移通過可透過膜和多孔板的Teflon AF或其它類型的無定形玻璃態(tài)聚合物涂層。
利用多塊具有相似構造的平板提高了制造效率且降低了總成本。進一步地，F(xiàn)SU的尺寸和重量被大大降低且同時提高了從燃料中去除溶解氧的能力。此外，與以前的管形設計相比，平面設計易于實現(xiàn)規(guī)?；a。
不利的是，平面燃料板通常是加工起來相對困難、耗時且昂貴的不銹鋼，而氧可透過膜是可能缺乏機械整體性的相對精密的薄(～2-5微米)膜。金屬燃料板與氧可透過膜之間的接觸可能導致?lián)p傷可透過膜，這使得需要小心地進行制造和組裝以避免多塊板之間出現(xiàn)泄漏。
板之間的密封不良或受到損傷的可透過膜可能允許產生流間泄漏(inter-stream leakage)，這可能大大降低FSU的性能。密封燃料板之間的界面、密封燃料板與氧可透過膜之間的燃料通道、以及為防止出現(xiàn)泄漏到環(huán)境中的潛在可能而密封真空路徑對于FSU的有效操作而言是關鍵的。此外，為了增加氧擴散率并提高燃料脫氧器的性能，燃料板包括相對復雜的三維燃料通道結構，所述結構使密封和制造進一步復雜化。
盡管存在用于生產相對復雜的三維燃料通道結構和高精度FSU密封襯墊的有效制造技術，但這些常規(guī)技術過度耗時且昂貴。
因此，所希望的是提供一種用于脫氧系統(tǒng)的有效的相對便宜且簡單的燃料板和密封襯墊布置，從而有利于制造復雜的三維燃料通道結構以增加燃料和脫氧。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明的用于能量轉換裝置的燃料系統(tǒng)包括脫氧器系統(tǒng)，所述脫氧器系統(tǒng)包括多塊非金屬燃料板、襯墊、氧可透過膜、多孔基體板、環(huán)氧膜粘結劑、液體環(huán)氧材料和真空框板。所述脫氧器系統(tǒng)是一種對燃料進行脫氧以用于飛行器的熱管理應用中的在線燃料穩(wěn)定單元(FSU)。燃料板是FSU的重要元件。復雜的三維燃料通道結構如位于所述燃料通道內的層流沖擊元件大大增加了FSU中的氧擴散率。所述燃料板由相對較軟的非金屬材料，如多種塑料或KAPTON制成。對非金屬材料使用激光切割技術允許以成本有效的方式制造出以前對于金屬燃料板而言無法得到的具有復雜的三維燃料通道結構的面積相對較大的燃料板。
由于可在所述板上施加壓縮而不會損傷所述相對精密的氧可透過膜，因此所述非金屬燃料板有利地在所述燃料板與氧可透過膜之間提供了有效的密封界面。所述非金屬燃料板允許提供用于制造所述復雜的三維燃料通道結構和相應的復雜的密封襯墊的技術，所述密封襯墊密封且軟化所述燃料板、所述氧可透過膜以及所述非金屬燃料板之間的接觸，且允許在所述燃料通道內進行密封。
因此，本發(fā)明提供了一種用于脫氧系統(tǒng)的有效的相對便宜且簡單的燃料板和密封襯墊布置，從而有利于制造復雜的三維燃料通道結構以增加燃料紊流和脫氧。


通過對目前優(yōu)選實施例的下列詳細描述，本領域的技術人員將易于理解本發(fā)明的多個特征和優(yōu)點。與詳細描述相關的附圖可簡要描述如下圖1是根據本發(fā)明的使用燃料脫氧器的能量轉換裝置(ECD)和相關聯(lián)的燃料系統(tǒng)的總示意框圖；圖2A是本發(fā)明的燃料脫氧器的透視圖；圖2B是本發(fā)明的燃料脫氧器的分解視圖；圖2C是脫氧器系統(tǒng)的截面透視圖和放大視圖；圖2D是燃料脫氧器的襯墊的平面視圖；圖2E是燃料脫氧器的放大剖視圖；圖3是流動通道的放大剖視示意圖；圖4A是燃料脫氧器中的燃料板的平面放大視圖；圖4B是圖4A所示的燃料板的放大底視圖；圖4C是溝槽和直立構件與位于第一燃料板與第二燃料板之間的襯墊的界面的放大透視圖；圖4D是燃料板的平面放大視圖，圖中示出了燃料襯墊的位置；圖4E是燃料板的平面放大視圖，圖中示出了真空襯墊的位置；圖4F是多塊燃料板的放大透視圖，圖中示出了燃料孔口和真空孔口的位置；圖4G是沿燃料脫氧器的短軸截取的放大剖視圖，圖中示出了板間真空孔口；和圖4H是沿燃料脫氧器的長軸截取的放大剖視圖，圖中示出了板間燃料連通。
具體實施例方式
圖1示出了用于能量轉換裝置(ECD)12的燃料系統(tǒng)10的總示意圖。脫氧器系統(tǒng)14接收來自貯存裝置16如燃料罐的液體燃料F。燃料F通常是液態(tài)烴如噴氣燃料。ECD 12可以多種形式存在，其中如果在液態(tài)烴中存在達任何明顯量的溶解氧的話，那么液態(tài)烴在最終用作潤滑劑、或用于進行處理、用于進行燃燒、或用于進行一些形式的能量釋放之前的一些位置處獲得了足夠多的熱量以支持進行自氧化反應和結焦過程。
ECD 12的一種形式是燃氣輪機引擎，且具體而言為飛行器中的這種引擎。通常，燃料還用作飛行器中的一個或多個子系統(tǒng)的冷卻劑且當其在就要進行燃燒之前被輸送至燃料噴射器時受到加熱。
熱交換部段18代表燃料以熱交換關系通過其中的系統(tǒng)。應該理解，熱交換部段18可與ECD 12直接相關聯(lián)和/或被分布在更大的系統(tǒng)10中的其它位置處。另一種可選方式是或此外，熱交換系統(tǒng)18可包括分布在整個系統(tǒng)中的多個熱交換裝置。
正如通常理解地，貯存在貯存裝置16中的燃料F通常包含溶解氧，所述溶解氧可能具有70ppm的飽和水平。燃料泵20從貯存裝置16中抽取燃料F。燃料泵20通過燃料貯存裝置的導管22和閥24與貯存裝置16連通且被連通至脫氧器系統(tǒng)14的燃料入口26。燃料泵20施加的壓力有助于使燃料F循環(huán)通過脫氧器系統(tǒng)14和燃料系統(tǒng)10的其它部分。當燃料F通過脫氧器系統(tǒng)14時，氧被選擇性地去除并進入真空系統(tǒng)28內。
脫氧的燃料Fd通過脫氧燃料導管32從脫氧系統(tǒng)14的燃料出口30流至熱交換系統(tǒng)18且流至ECD 12如燃氣輪機引擎的燃料噴射器。如再循環(huán)導管33所示，脫氧燃料的一部分可再循環(huán)至脫氧系統(tǒng)14和/或貯存裝置16。應該理解，盡管所示實施例中披露了一種特定的部件布置，但其它布置也將受益于本發(fā)明。
參見圖2A，脫氧器系統(tǒng)14優(yōu)選包括多個真空/燃料流動通道組件34(圖2B)。組件34包括位于燃料通道38與可由支承網格形成的氧接收真空通道40之間的氧可透過膜36(圖3)。應該理解，所述通道可具有多種形狀和布置以提供氧分壓差，所述氧分壓差保持膜上的氧濃度差以對燃料進行脫氧。
氧可透過膜36允許溶解氧(和其它氣體)擴散通過尺寸大小達到埃級的孔隙但排除了更大的燃料分子。另一種可選方式是，或與孔隙結合，可透過膜36利用溶解擴散機理使氧(和/或其它氣體)溶解且擴散通過膜，同時排除了燃料。Teflon AF族和Hyflon AD族被證實提供了有效的燃料脫氧結果，Teflon AF是全氟-2，2-二甲基-1，3-間二氧雜環(huán)戊烯(PDD)的無定形共聚物，所述無定形聚合物通常被標稱為注冊給E.I.DuPont de Nemours of Wilmington，Del.，USA的商標名“Teflon AF”，Hyflon AD是注冊給Solvay Solexis，Milan，Italy的2，2，4-三氟-5-三氟甲氧基-1，3-間二氧雜環(huán)戊烯(TDD)的共聚物。
流動通過燃料通道38的燃料與氧可透過膜36接觸。真空在燃料通道38的內壁與氧可透過膜36之間形成了氧分壓差，所述氧分壓差導致溶解在燃料內的氧進行擴散從而遷移通過支承膜36的多孔支承體42且通過與燃料通道38分開的氧接收通道40而離開脫氧器系統(tǒng)14。為了進一步理解一種基于膜的燃料脫氧器系統(tǒng)及其相關聯(lián)部件的其它方面，可以關注美國專利No.6,315,815和轉讓給本發(fā)明的受讓人的題目為PLANAR MEMBRANE DEOXYGENATOR(平面膜脫氧器)的美國專利申請No.6,709,492，且所述專利的整體內容在此作為參考被引用。
參見圖2B，構成脫氧器系統(tǒng)14的一個流動通道組件34的一組板包括被夾在氧可透過膜36附近的流板組件44，所述氧可透過膜受到多孔支承體42如無紡聚酯的支承(同樣如圖3所示)。應該理解，盡管圖中示意性地示出的多孔基板可呈現(xiàn)多種形式。與一個或多個組件34相鄰的是分隔板48。分隔板48防止燃料泄漏穿過由流板組件34限定出的預定燃料通路。無論流動通道組件34的數量有多少，脫氧系統(tǒng)14被界面板46和外部殼體板50a、50b密封住，所述外部殼體板分別包括燃料入口26、真空孔口29和燃料出口30(同樣如圖2A和圖2E所示)。
外部殼體板50a、50b優(yōu)選通過多個緊固件如螺栓或類似部件被附接在一起以使得流動通道組件34被夾在所述外部殼體板之間。外部殼體板50a、50b優(yōu)選是相對剛性的部件，所述相對剛性的部件對流動通道組件34進行壓縮以使得由此保持板之間的密封。盡管在所示實施例中示出了直線構型，但本領域的技術人員應認識到包括非剛性殼體的其它可選形狀、尺寸或構型是適合的且落入本發(fā)明的范圍內。
每個流板組件44限定了位于入口26與出口30之間的一部分燃料通道38。真空孔口29(圖2A)通過流板52、54中的真空孔口29與界面板46和多孔支承體42相連通。真空在每個多孔支承體42內產生分壓梯度從而通過氧可透過膜36從燃料通道38中提取出溶解氧。氧隨后通過真空孔口29被排出。
流動通道組件34的具體數量由所述應用的特定要求，如燃料類型、燃料溫度和引擎的質量流需求決定。進一步地，包含不同量溶解氧的不同燃料可能需要不同的脫氧量以去除所需量的溶解氧。
每個流板組件44限定出位于入口26與出口30(圖2A)之間的一條燃料通道38(圖3)。優(yōu)選通過脫氧器系統(tǒng)14內的多個流動通道組件34限定出位于入口26與出口30之間的多條平行的流動通道38。每條燃料通道38的構型優(yōu)選被限定以使暴露于氧可透過膜36的燃料最大化從而使從燃料中去除的溶解氧的量最大化。燃料通道38優(yōu)選足夠小以使得燃料與氧可透過膜36接觸而且足夠大以便不限制燃料流。
每個流板組件44包括第一流板52、第二流板54和位于其間的流板襯墊56(圖2D還單獨示出了所述部件)。應該理解，為清晰起見，所示實施例中披露的流板組件44僅示出了兩塊流板和一個襯墊，但應該理解，任何數量的板組件可被設置在外部殼體板50a、50b之間。
第一流板52和第二流板54優(yōu)選由非金屬材料，例如熱塑性塑料如聚苯硫醚(PPS)，或更優(yōu)選地填充達20wt％的碳纖維的PPS制成。第一燃料板52和第二燃料板54優(yōu)選由非金屬材料如由E.I.du Pontde Nemours and Company of Delaware USA生產的KAPTON膜制成。應該理解，另一種可選方式是，可使用與燃料相容且導電(以防止積聚靜電荷)的其它塑料以及經過機加工而不是模制成型的材料。
第一流板52和第二流板54包括氧傳輸得到增強的流沖擊元件55(圖2C和圖3)。當流板52、54被組裝在一起時，流沖擊元件55彼此交錯且交替以提供由具有復雜的二維流特征(圖4)的流板52、54限定出的燃料通道38。換句話說，每塊流板52、54上的流沖擊元件55在其各自的流板52、54的平面表面上進行延伸。當流板52、54與襯墊56組裝在一起以形成流板組件44時，流沖擊元件55形成完整的燃料通道38，其中流沖擊元件55從相鄰的流板52、54延伸出來(圖3)。
流沖擊元件55增強了氧從本體流向膜表面的傳輸，而非金屬材料使重量和要不然可能損傷氧可透過膜36的尖銳邊緣最小化。脫氧器系統(tǒng)14的流沖擊元件55增強了燃料流與復合氧可透過膜36之間的接觸從而增強了溶解氧的質量傳輸。
流動通過燃料通道38的燃料與氧可透過膜36接觸。真空在燃料通道38的內壁與復合氧可透過膜36之間產生氧分壓差，所述氧分壓差導致溶解在燃料內的氧進行擴散從而遷移通過支承膜36的多孔支承體42且通過與燃料通道38分開的氧接收通道40而離開脫氧器系統(tǒng)14。為了進一步理解一種基于膜的燃料脫氧器系統(tǒng)及其相關聯(lián)部件的其它方面，可以關注題目為MEMBRANE BASED FUEL DEOXYGENATOR(基于膜的燃料脫氧器)的美國專利No.6,315,815；題目為SYSTEM ANDMETHOD FOR THERMAL MANAGEMENT(熱管理的系統(tǒng)和方法)的美國專利No.6,939,392和轉讓給本發(fā)明的受讓人的題目為PLANAR MEMBRANEDEOXYGENATOR(平面膜脫氧器)的美國專利No.6,709,492，且所述專利的整體內容在此作為參考被引用。
第一燃料板52與第二燃料板54包括形成脊部的流沖擊元件55(圖2)，所述脊部通過燃料攪動而增大了氧擴散率。
參見圖4A和圖4B，每塊燃料板52、54包括在一側52a、54a上的對燃料流進行密封的溝槽58和在相對側52b、54b上的直立脊部構件60。溝槽58接收燃料板襯墊56以對燃料板組件44進行密封(圖4C)。應該理解，除了襯墊56以外(圖3D)，另一種可選方式是或此外，可利用其它密封材料如粘結劑膜和環(huán)氧液體。溝槽58和直立脊部構件60優(yōu)選在可能成為燃料泄漏路徑的位置處被限定在燃料板52、54周圍(圖4D)。溝槽58和直立脊部構件60優(yōu)選直接相對以使得燃料板52、54的材料厚度始終相等。即，溝槽58延伸進入燃料板52、54的平面表面52a、54a內的深度大體上等于直立脊部構件60從燃料板52、54的平面表面52b、54b延伸出來的深度。
每塊燃料板52、54進一步包括在一側52a、54a上的對真空通道進行密封的溝槽62(圖4E)和在相對側52b、54b上的接收燃料板真空襯墊66(圖4C)的直立脊部構件64，從而以與溝槽58和直立脊部構件60相似的方式對燃料板組件44進行密封。溝槽62和直立脊部構件64優(yōu)選在可能成為真空泄漏路徑的位置處被限定在燃料板52、54周圍(圖4E)。應該理解，盡管在所披露的實施例中僅示出了燃料板52、54，但每塊板優(yōu)選包括溝槽-襯墊-直立脊部構件界面以確保密封且在相鄰板的組裝過程中提供對準和互鎖。在多塊燃料板組件44之間提供連通(圖3C)的真空孔口29以及燃料入口26和燃料出口29分別位于脫氧器系統(tǒng)14(圖4F)的長側(圖4G)和短側(圖4H)上。
激光切割是制造高精確密封襯墊和燃料板52、54的一種優(yōu)選技術。優(yōu)選通過計算機控制的高容差激光器如CO2激光器以及所需的密封襯墊和燃料板構型的CAD設計文件對KAPTON或其它這種類似的非金屬材料進行切割。對激光器進行編程以沿循切割密封襯墊和燃料板的燃料通道形狀的圖案。可在分級或分層的材料中實施激光切割，所述分級或分層的材料隨后可被組裝在一起，或可在單次操作過程中實施切割以提供完整的燃料板，例如燃料板52、54被形成單塊板。激光切割為大批量生產高容差密封襯墊和燃料板提供了成本有效的制造技術。激光切割出的高容差密封襯墊，具體而言由橡膠型密封材料制成的高容差密封襯墊，提供了無泄漏組件。利用激光切割技術制造高容差密封襯墊和相鄰燃料板的優(yōu)點尤其與多層FSU組件(圖3A)相關。
正如通常理解地，水噴射切割是制造根據本發(fā)明的高精度FSU密封件和燃料板的另一種有效的技術。水噴射切割具有絕對的可重復性且不會影響材料性質或溫度。
正如通常理解地，電火花放電加工(EDM)是制造根據本發(fā)明的高精度FSU密封件和燃料板的又一種有效的技術。EDM制造工藝在經濟上易于承受且當需要低成本或高準確性時，這種工藝是一種非常有希望的制造工藝。
盡管圖示、描述且要求保護特定的步驟工序，但應該理解所述步驟可通過所說明方式以外的其它方式以任何順序單獨或組合地進行實施，且仍將受益于本發(fā)明。
前面進行的描述是示例性的而不受到其中的限制。根據上面的教導可對本發(fā)明作出多種變型和改變。盡管已經披露了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，然而本領域的技術人員應該認識到，某些變型將落入本發(fā)明的范圍內。因此應該理解，在所附權利要求書的范圍內，可以除了特定描述以外的其它方式實踐本發(fā)明。為此，應該對下面的權利要求書進行研究以確定本發(fā)明的真實范圍和內容。
權利要求
1.一種用于脫氧器系統(tǒng)的燃料板組件，所述燃料板組件包括限定出燃料通道的第一部分的第一非金屬燃料板；限定出所述燃料通道的第二部分的第二非金屬燃料板；和安裝在所述第一非金屬燃料板與所述第二非金屬燃料板之間的襯墊。
2.根據權利要求1所述的燃料板組件，其中所述第一非金屬燃料板限定出至少部分地在所述燃料通道的所述第一部分內形成的多個層流沖擊元件。
3.根據權利要求2所述的燃料板組件，其中所述多個層流沖擊元件至少部分地在由所述第一非金屬燃料板限定出的表面上進行延伸。
4.根據權利要求2所述的燃料板組件，其中所述第二非金屬燃料板限定出至少部分地在與位于所述燃料通道的所述第一部分內的所述多個層流沖擊元件彼此交錯的所述第二多個層流沖擊元件內形成的第二多個層流沖擊元件。
5.根據權利要求1所述的燃料板組件，其中所述第一非金屬燃料板和所述第二非金屬燃料板由Kapton制成。
6.根據權利要求1所述的燃料板組件，其中所述第一非金屬燃料板和所述第二非金屬燃料板是相同的。
7.根據權利要求1所述的燃料板組件，其中所述第一非金屬燃料板和所述第二非金屬燃料板包括在一側上的溝槽和在相對側上的直立脊部構件。
8.根據權利要求1所述的燃料板組件，其中所述第一非金屬燃料板包括接收所述襯墊的溝槽且所述第二非金屬燃料板包括裝配在所述溝槽內且接觸所述襯墊的直立脊部構件。
9.一種脫氧器系統(tǒng)，所述脫氧器系統(tǒng)包括第一非金屬燃料板，所述第一非金屬燃料板限定出在燃料通道的第一部分內形成的第一多個層流沖擊元件和在所述第一非金屬燃料板內形成的溝槽；第二非金屬燃料板，所述第二非金屬燃料板限定出在所述燃料通道的第二部分內形成的第二多個層流沖擊元件和直立脊部構件，所述第二多個層流沖擊元件與所述第一多個層流沖擊元件彼此交錯；安裝在所述溝槽內的襯墊，所述直立脊部構件可被接收在所述溝槽內以接觸所述襯墊且對所述燃料通道的所述第一部分以及所述燃料通道的所述第二部分進行密封；氧接收通道；和與所述燃料通道和所述氧接收通道連通的氧可透過膜。
10.根據權利要求9所述的脫氧器系統(tǒng)，其中所述第一非金屬燃料板和所述第二非金屬燃料板由Kapton制成。
11.根據權利要求9所述的脫氧器系統(tǒng)，其中所述第一多個層流沖擊元件和所述第二多個層流沖擊元件是激光切割成的。
12.根據權利要求9所述的脫氧器系統(tǒng)，其中所述第一多個層流沖擊元件和所述第二多個層流沖擊元件是水噴射切割成的。
13.根據權利要求9所述的脫氧器系統(tǒng)，其中所述第一多個層流沖擊元件和所述第二多個層流沖擊元件是通過電火花放電加工制成的。
14.根據權利要求9所述的脫氧器系統(tǒng)，進一步包括對所述第一非金屬燃料板、所述第二非金屬燃料板、所述襯墊和所述氧可透過膜進行壓縮的第一外部殼體板和第二外部殼體板。
全文摘要
一種用于能量轉換裝置的燃料系統(tǒng)包括多塊非金屬燃料板、襯墊、氧可透過膜、多孔基體板和真空框板。復雜的三維燃料通道結構如位于所述燃料通道內的層流沖擊元件大大增加了FSU中的氧擴散率。所述燃料板由相對較軟的非金屬材料制成。由于可在所述板上施加壓縮而不會損傷所述相對精密的氧可透過膜，因此所述非金屬燃料板和襯墊布置在所述燃料板與氧可透過膜之間提供了有效的密封界面。
文檔編號F02C7/12GK101015753SQ20071000205
公開日2007年8月15日 申請日期2007年1月18日 優(yōu)先權日2006年1月18日
發(fā)明者C·C·科芬, T·G·蒂爾曼, H·黃, B·M·維爾奇 申請人:聯(lián)合工藝公司