低温燃料成分及双燃料飞行器系统的制作方法
【专利说明】低温燃料成分及双燃料飞行器系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请请求享有2012年12月28日提交的美国临时专利申请第61/746，900号的权益，该申请以其整体并入本文中。
技术领域
[0003]本文中公开的技术大体上涉及飞行器系统，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及其操作方法。
【背景技术】
[0004]某些低温燃料如液化天然气(LNG)可比常规喷气燃料廉价。用以在常规燃气涡轮应用中冷却的当前途径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。
[0005]因此，将合乎需要的是具有在航空燃气涡轮发动机中使用双燃料的飞行器系统。将合乎需要的是具有飞行器系统，其可由航空燃气涡轮发动机推进，该航空燃气涡轮发动机可使用常规喷气燃料和/或较廉价的低温燃料如液化天然气(LNG)来操作。将合乎需要的是具有航空燃气涡轮构件和系统中的更有效的冷却。将合乎需要的是在发动机中具有改进的效率和较低的比燃料消耗以降低操作成本。合乎需要的是具有使用双燃料的航空燃气涡轮发动机，其可利用较少的温室气体(C02)、氮氧化物N0X、一氧化碳C0、未燃烃和烟来减小环境影响。
【发明内容】
[0006]在一方面，本发明的实施例涉及一种低温燃料成分，其包括液化天然气(LNG)和以足以增大成分中的润滑性同时能够溶于LNG中的量的对二甲苯。
[0007]在另一方面，本发明的实施例涉及一种低温燃料成分，其包括主要量的LNG和次要量的对二甲苯，该次要量的对二甲苯具有1到120ppm的低温燃料成分中的浓度。
[0008]在又一方面，本发明的实施例涉及一种具有至少一个涡轮发动机的用于飞行器的双燃料飞行器系统，其具有用于将第一燃料从第一燃料箱提供至涡轮发动机的第一燃料系统，以及第二燃料系统，其用于提供低温燃料成分，并且具有储存LNG且流体地联接于涡轮发动机的第二燃料箱、储存添加剂且流体地联接于涡轮发动机的添加剂箱，以及混合装置，其构造成产生包括主要量的LNG和选自包括对二甲苯、苯、甲苯和间二甲苯的组的次要量的添加剂的低温燃料成分至飞行器燃气涡轮发动机。
【附图说明】
[0009]可通过参照连同附图进行的以下描述而最佳地理解本文中所述的技术，在该附图中:
[0010]图1为具有双燃料推进系统的示例性飞行器系统的等距视图；
[0011]图2为示例性燃料输送/分配系统；
[0012]图2a为示例性低温燃料的示例性压焓图中的示例性操作路径；
[0013]图3为示出燃料箱和示例性沸溶物使用的示例性布置的示意图；
[0014]图4为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性截面视图；
[0015]图5为示出示意性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性截面视图；
[0016]图6a为不例性直接换热器的不意图；
[0017]图6b为示例性间接换热器的示意图；
[0018]图6c为另个不例性间接换热器的不意图；
[0019]图7为用于飞行器系统的示例性飞行任务曲线的示意图；以及
【具体实施方式】
[0020]参照本文中的附图，相同附图标记遍及各个视图表示相同元件。
[0021]图1示出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和附接于机身的机翼7。飞行器系统5具有推进系统100，其产生在飞行中推进飞行器系统所需的推进推力。尽管推进系统100在图1中示为附接于机翼7，但在其它实施例中，其可联接于飞行器系统5的其它部分，如例如，尾部16。
[0022]示例性飞行器系统5具有燃料储存系统10，用于储存用于推进系统100中的一种或更多种类型的燃料。如本文中在下面进一步所阐释，图1中所示的示例性飞行器系统5使用两种类型的燃料。因此，示例性飞行器系统5包括能够储存第一燃料11的第一燃料箱21，以及能够储存第二燃料12的第二燃料箱22。在图1中所示的示例性飞行器系统5中，第一燃料箱21的至少一部分位于飞行器系统5的机翼7中。在图1中所示的一个示例性实施例中，第二燃料箱22在机翼联接于机身的位置附近位于飞行器系统的机身6中。在备选实施例中，第二燃料箱22可位于机身6或机翼7中的其它适合的位置处。在其它实施例中，飞行器系统5可包括能够储存第二燃料12的可选的第三燃料箱123。可选的第三燃料箱123可位于飞行器系统的机身的后部中，如例如图1中示意性所示。
[0023]如本文中随后进一步所述，图1中所示的推进系统100为双燃料推进系统，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12两者生成推进推力。示例性双燃料推进系统100包括燃气涡轮发动机101，其能够有选择地使用第一燃料11或第二燃料21或以选择比例使用第一燃料和第二燃料两者来生成推进推力。第一燃料可为常规液体燃料，如，基于煤油的喷射燃料，如，现有技术中称为Jet-A、JP-8或JP-5的，或其它已知的类型或等级。在本文中所述的示例性实施例中，第二燃料12为在非常低的温度下储存的低温燃料。在本文中所述的一个实施例中，低温第二燃料12为液化天然气(作为备选在本文中称为"LNG")。低温第二燃料12在低温下储存在燃料箱中。例如，LNG在大约-265° F下，在大约15psia的绝对压力下储存在第二燃料箱22中。燃料箱可由已知的材料如钛、铬镍铁合金、铝或复合材料制成。
[0024]LNG其较弱的润滑特征广为人知，导致了低LNG栗部分寿命、轴承故障和增加的维护。此外，操作限制可置于某些LNG栗上，这导致一个或仅一些稳态条件下的有限瞬态操作。根据本发明的实施例，添加剂可添加至LNG混合物来改进其润滑性。
[0025]根据本发明的实施例，可使用包括但不限于对二甲苯、苯、甲苯和间二甲苯的添加剂。具体而言，对二甲苯提供高溶解性和优异润滑性。
[0026]航空涡轮燃料Jet-A和Jet-Al中的当前润滑性增强剂可包括若干品牌润滑性增强剂，其目前在达到但不超过23ppm(见ASTM D1655)的浓度下使用，这是用于此类Jet_A和Jet-Al燃料的规格。此类水平示出了显著地改进流体的润滑性所需的浓度水平。
[0027]确定了对二甲苯将产生优异的润滑增强剂，因为其在LNG中的其溶解性和其润滑特征方面是独特的。对二甲苯具有高溶解性和优异润滑性的组合。对二甲苯可以以足以增大成分的润滑性同时能够溶解在LNG中的量被包括，该量可包括1到120ppm之间的范围。这具有减小旋转和静止燃料润湿硬件之间的摩擦，主动地影响多种性能和维护相关的问题的效果。
[0028]添加剂可包括大部分对二甲苯和较低浓度的苯、甲苯和间二甲苯中的一种。不管添加剂是单独的对二甲苯或是与附加的(多种)添加剂组合的对二甲苯，添加剂都可具有高于23ppm的浓度，包括添加剂可具有达到大约120ppm的浓度，从而将增大的润滑性提供至LNG混合物。
[0029]以该方式，使用的低温燃料可包括主要量LNG和包括对二甲苯的次要量添加剂。在本发明的另一个实施例中，添加剂如苯、甲苯和间二甲苯可以以较低浓度单独地或与对二甲苯组合被包括。以该方式，使用的低温燃料可包括主要量LNG和次要量添加剂，其选自包括对二甲苯、苯、甲苯和间二甲苯的组。至少LNG和对二甲苯的所得溶液具有期望的润滑性质，并且保持为溶液。
[0030]添加剂可通过本领域中已知的任何方法混合到LNG燃料混合物中。例如，用于具有至少一个涡轮发动机101的飞行器5的双燃料飞行器系统可包括用于将第一燃料11从第一燃料箱提供至涡轮发动机101的第一燃料系统，以及第二燃料系统，其用于提供低温燃料成分，并且具有储存LNG且流体地联接于涡轮发动机101的第二燃料箱、储存添加剂且流体地联接于涡轮发动机101的添加剂箱，以及构造成产生包括主要量LNG和选自包括对二甲苯、苯、甲苯和间二甲苯的组的次要量添加剂的低温燃料成分至飞行器燃气涡轮发动机的混合装置。将理解的是，在双燃料飞行器系统中，第一燃料可为基于液体煤油的燃料。次要量添加剂可超过23ppm，包括达到120ppm的浓度。如上文所述，次要量添加剂可包括大部分对二甲苯和较低浓度的苯、甲苯和间二甲苯中的一种。作为备选，添加剂可仅包括对二甲苯。
[0031]添加剂如对二甲苯的添加提供了极大改进的LNG栗可靠性和改进的操作包络线。此外，提供其效果所需的其宽可用性和相对低浓度使对二甲苯将低成本添加至LNG混合物。
[0032]图1中所示的示例性飞行器系统5包括燃料输送系统50，其能够将燃料从燃料储存系统10输送至推进系统100。已知的燃料输送系统可用于输送常规的液体燃料，如，第一燃料11。在本文中所述和图1和2中所示的示例性实施例中，燃料输送系统50构造成将低温液体燃料(如例如LNG)通过传输低温燃料的导管54输送至推进系统100。为了在输送期间大致保持低温燃料的液态，燃料输送系统50的导管54的至少一部分被隔离，并且构造用于传输加压低温液体燃料。在一些示例性实施例中，导管54的至少一部分具有双壁构造。导管可由已知的材料如钛、铬镍铁合金、铝或复合材料制成。
[0033]图1中所示的飞行器系统5的示例性实施例还包括燃料电池