飞行器和改型低温燃料系统的制作方法
【专利说明】飞行器和改型低温燃料系统
[0001]相关申请的交叉引用
本申请主张均在2012年12月28日申请的美国临时专利申请N0.61/746，930和61/747，171的益处，将其两者全部合并入本文。
技术领域
[0002]在本文中描述的技术大体涉及飞行器系统，并且更具体地涉及在航空燃气涡轮发动机中使用双燃料的飞行器系统和操作其的方法。
【背景技术】
[0003]某些低温燃料(例如，液化天然气(LNG))可比常规的喷射燃料更廉价。在常规燃气涡轮应用中冷却的现有方法为使用压缩空气或常规液体燃料。用于冷却的压缩机空气的使用可降低发动机系统的效率。
[0004]由此，将期望具有在航空燃气涡轮发动机中使用双燃料的飞行器系统。将期望具有可由如下的航空燃气涡轮发动机推动的飞行器系统:其可使用常规喷射燃料和/或更廉价的低温燃料(例如，液化天然气(LNG))操作。将期望具有在航空燃气涡轮部件和系统中的更有效的冷却。将期望具有改善的效率和在发动机中的更低的比燃料消耗来降低操作成本。期望具有使用双燃料的航空燃气涡轮发动机，该燃料可降低环境影响，带有更低的温室气体(C02)、氮氧化物-NOx、一氧化碳-CO、未燃烧的碳氢化合物和烟雾。
【发明内容】
[0005]在一方面中，本发明的实施例涉及一种飞行器，具有:涡轮发动机，其具有抽气输出管线；低温燃料系统，其具有用于贮存低温燃料的低温燃料箱和操作地将箱联接至涡轮发动机的供应管线；和机上惰性气体产生系统(OBIGGS)，其流体地联接至抽气输出并且具有富氮流输出管线和富氧流输出管线。
[0006]在另一方面中，本发明的实施例涉及一种用于具有货物库和由低温燃料供燃料的涡轮发动机的飞行器的改型低温燃料系统，包括:抽空封套，其构造为容纳在货物库内；低温燃料箱，其定位在抽空封套内；以及至少一个排出管线或燃料供应管线，其流体地联接至抽空封套。
【附图说明】
[0007]可通过参照结合附图做出的下列描述而最好地理解在本文中描述的技术，其中: 图1是具有双燃料推进系统的示例性飞行器系统的等距视图；
图2是示例性燃料输送/分配系统；
图2a是在示例性低温燃料的示意压焓图中的示例性操作路径；
图3是显示燃料箱的示例性布置和示例性汽化使用的示意图；
图4是具有燃料输送和控制系统的示例性双燃料飞行器燃气涡轮发动机的示意截面图；
图5是显示示意换热器的示例性双燃料飞行器燃气涡轮发动机的一部分的示意截面图；
图6a是示例性直接换热器的示意图；
图6b是示例性间接换热器的示意图；
图6c是另一示例性间接换热器的示意图；
图7是用于飞行器系统的示例性飞行任务剖面的示意图；以及图8示出了具体的惰化系统实施例；
图9示出了示例性通风和净化系统实施例。
【具体实施方式】
[0008]参考本文中的附图，遍及各种视图相同的标号代表相同的元件。
[0009]图1显示了根据本发明的示例性实施例的飞行器系统5。示例性飞行器系统5具有机身6和附接至机身的机翼7。飞行器系统5具有推进系统100，其在飞行中产生推动飞行器系统所需要的推进推力。尽管在图1中推进系统100显示为附接至机翼7，但是在其它实施例中，其可联接至飞行器系统5的其它部分，例如，尾部部分16。
[0010]示例性飞行器系统5具有燃料贮存系统10，其用于贮存在推进系统100中使用的一种或更多种类型的燃料。如在下面本文中进一步所说明，在图1中显示的示例性飞行器系统5使用两种类型的燃料。由此，示例性飞行器系统5包括能够贮存第一燃料11的第一燃料箱21，和能够贮存第二燃料12的第二燃料箱22。在图1中显示的示例性飞行器系统5中，第一燃料箱21的至少一部分定位在飞行器系统5的机翼7中。在图1中显示的一个示例性实施例中，第二燃料箱22定位在机翼联接至机身的位置附近的飞行器系统的机身6中。在备选实施例中，第二燃料箱22可定位在机身6或机翼7中的其它适当的位置处。在其它实施例中，飞行器系统5可包括能够贮存第二燃料12的可选的第三燃料箱123。可选的第三燃料箱123可例如在图1中示意地所显示，定位在飞行器系统的机身的后部部分中。
[0011]如在下面本文中进一步所描述，在图1中显示的推进系统100是双燃料推进系统，其能够通过使用第一燃料11或第二燃料12或使用第一燃料11和第二燃料12两者产生推进推力。示例性双燃料推进系统100包括燃气涡轮发动机101，其能够选择性地使用第一燃料11、或第二燃料21或以选择的比例使用第一燃料和第二燃料产生推进推力。第一燃料可为常规液体燃料，例如，基于煤油的喷射燃料，例如在本领域中公知为Jet-A、JP-8、或JP-5或其它已知类型或等级。在本文中描述的示例性实施例中，第二燃料12是在十分低的温度下贮存的低温燃料。在本文中描述的一个实施例中，低温第二燃料12是液化天然气(备选地，在本文中称为“LNG”)。低温第二燃料12在低温下贮存在燃料箱中。例如，LNG在大约-265° F下在大约15psia的绝对压力下贮存在第二燃料箱22中。燃料箱可由已知的材料(例如，钛、因科镍合金、铝或复合材料)形成。
[0012]在图1中显示的示例性飞行器系统5包括燃料输送系统50，其能够从燃料贮存系统10向推进系统100输送燃料。已知的燃料输送系统可用于输送常规的液体燃料，例如，第一燃料11。在本文中描述并在图1和图2中显示的示例性实施例中，燃料输送系统50构造为通过运输低温燃料的管道54向推进系统100输送低温液体燃料(例如，LNG)。为了在输送期间充分维持低温燃料的液体状态，燃料输送系统50的管道54的至少一部分被隔热且构造用于运输加压低温液体燃料。在一些示例性实施例中，管道54的至少一部分具有双壁构造。管道可由已知的材料(例如，钛、因科镍合金、铝或复合材料)形成。
[0013]在图1中显示的飞行器系统5的示例性实施例还包括燃料电池系统400，其包括能够使用第一燃料11或第二燃料12中的至少一者产生电功率的燃料电池。燃料输送系统50能够从燃料贮存系统10向燃料电池系统400输送燃料。在一个示例性实施例中，燃料电池系统400使用由双燃料推进系统100使用的低温燃料12的一部分产生功率。
[0014]推进系统100包括燃气涡轮发动机101，其通过在燃烧器中燃烧燃料产生推进推力。图4是示例性燃气涡轮发动机101的示意图，该燃气涡轮发动机101包括风扇103、和具有高压压缩机105的芯部发动机108、以及燃烧器90。发动机101还包括高压涡轮155、低压涡轮157、以及增压器104。示例性燃气涡轮发动机101具有风扇103，其产生推进推力的至少一部分。发动机101具有进气侧109和排气侧110。风扇103和涡轮157使用第一转子轴114联接在一起，并且压缩机105和涡轮155使用第二转子轴115联接在一起。在例如图4中显示的一些应用中，风扇103叶片组件至少部分地定位在发动机外壳116内。在其它应用中，风扇103可形成不存在围绕风扇叶片组件的外壳的“开放转子”。
[0015]在操作期间，空气在大体平行于延伸穿过发动机101的中心线轴线15的方向上轴向地流动穿过风扇103，并且压缩空气被供应至高压压缩机105。将高度压缩的空气输送至燃烧器90。来自燃烧器90的热气体(在图4中未显示)驱动涡轮155和157。涡轮157借助于轴114驱动风扇103，并且相似地，涡轮155借助于轴115驱动压缩机105。在备选实施例中，发动机101可具有在本领域中有时公知为中压压缩机的额外的压缩机，其由另一涡轮级(在图4中未显示)驱动。
[0016]在飞行器系统5的操作(见在图7中显示的示例性飞行剖面)期间，在推进系统100中的燃气涡轮发动机101可在推进系统的操作的第一选择部分期间(例如，在起飞期间)使用例如第一燃料11。推进系统100可在推进系统的操作的第二选择部分期间(例如，在巡航期间)使用第二燃料12，例如，LNG。备选地，在飞行器系统5的操作的选择部分期间，燃气涡轮系统101能够同时使用第一燃料11和第二燃料12两者，来产生推进推力。当在推进系统的操作的各种阶段期间适当时，第一燃料和第二燃料的比例可在0%至100%之间改变。
[0017]在本文中描述的飞行器和发动机系统能够进行使用两种燃料的操作，它们中的一者可为低温燃料，例如，LNG (液化天然气)，另一种为常规的基于煤油的喷射燃料，例如世界通用的Jet-A、JP-8、JP-5或相似的等级。
[0018]Jet-A燃料系统与常规的飞行器燃料系统相似，除了燃料喷嘴外，该燃料喷嘴能够以从O至100%的比例向燃烧器点燃Jet-A和低温/LNG。在图1中显示的实施例中，LNG系统包括燃料箱，其可选择地包含下列特征:(i)排出管线，其带有适当的止回阀来维持在箱中的指定的压力；(ii)用于液体低温燃料的排放管线；(iii)获得存在于箱中的低温(LNG)燃料的温度、压力、以及体积的计量或其它测量能力；(iv)定位在低温(LNG)箱中或可选地在箱外的增压泵，其增加低温(LNG)燃料的压力来将其运输至发动机；以及(iv)可选的制冷机，来保持箱无限期地处于低温。
[0019]燃料箱将优选地在大气压力下或附近操作，但是可在O至10psig的范围下操作。燃料系统的备选实施例可包括高箱压力和温度。从箱和增压泵行进至发动机挂架的低温(LNG)燃料管线可具有下列特征:(i)单壁或双壁构造；(ii)真空隔热件或低热传导性材料隔热件；和(iii)可选的制冷机，来将LNG流再循环至箱而不向LNG箱增加热。低温(LNG)燃料箱可在飞行器中定位于常规的Jet-A辅助燃料箱定位在现有系统之处，例如，在前或后货舱中。备选地，低温(LNG)燃料箱可定位在中心机翼箱位置中。利用低温(LNG)燃料的辅助燃料箱可设计为，使得如果低温(LNG)燃料将不被使用扩展的时期，那么该辅助燃料箱可被移除。
[0020]高压泵可定位在挂架中或在发动机上，来将低温(LNG)燃料的压力提高至足以向燃气涡轮燃烧器喷入燃料的水平。泵可或可不将LNG/低温液体的压力提高至低温(LNG)燃料的临界压力(Pc)之上。可安装在发动机上或附近的在本文中称为“蒸发器”的换热器向液化天然气燃料增加热能，从而升高温度并体积地膨胀低温(LNG)燃料。来自蒸发器的热(热能)可来源于许多源。这些包括但不限于:(i)燃气涡轮排气；(ii)压缩机中间冷却；(iii)高压和/或低压涡轮间隙控制空气；(iv)LPT配管冷却依附空气；(V)来自HP涡轮的冷却的冷却空气；(vi)润滑油；或(vii)机上航空电子或电子器件。换热器可为各种设计，包括壳和管、双配管、板翅等，并且可以并流、逆流、或横流方式流动。热交换可通过