以lng为燃料的航空发动机燃料供应系统及工作方式的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及飞机发动机及燃油供应技术领域，特别是涉及一种应用于LNG为燃料的航空发动机的燃料供应系统及工作方式。
【背景技术】
[0002]为满足未来航空发动机更环保、更经济的要求，各航空工业大国针对控制航空发动机污染物排放、降低航空燃油成本作为重点课题进行了广泛的研宄。降低航空燃油成本、减少对石油基航空燃料的过分依赖目前已成为军用航空和民用航空运输业急需解决的两个主要问题。为实现航空燃油成本的降低及减少对航空煤油的依赖，在未来30?50年内，航空燃料将以不会对飞机和发动机硬件产生影响的"即用型"航空替代燃料为主。
[0003]液化天然气(LNG)是将天然气经过干燥脱酸处理后，在低温下液化成液态的一种液态燃料，主要成分是甲烷(90%以上)、乙烷、氮气及少量C3?C5烷烃的低温液体。液态密度为0.42?0.46丨/1113(3#航空煤油密度为0.78t/m 3)，液态热值50MJ/kg (航空煤油约为42.5MJ/kg)。LNG无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积重量仅为同体积水的45%左右。与航空煤油相比，LNG具有密度低、成本低、热值高(LNG中氢碳比为4，Jet A航空煤油氢碳比为1.8，LNG比Jet A航空煤油热值高16% )的特点，同时LNG燃烧后产生的污染物要比航空煤油低(0)2低20% )。发展LNG发动机技术，使LNG成为航空煤油的替代燃料将是解决航空煤油枯竭和环境问题的有效途径，对于民用航空和国防科技都有着至关重要的作用。
[0004]为实现LNG在航空发动机上的应用，美国通用电气(GE)公司开展了以LNG为燃料的飞机燃料系统的研宄，并申请了多项国际专利:W02012/173651A1、W02014/105328A1，这些专利主要针对航空发动机使用航空煤油/LNG双燃料系统时需要对燃料供应系统、LNG的温度控制及LNG与航空煤油之间的协调控制进行了研宄。采用了在同一个航空发动机中同时使用两种燃料的燃料供应系统，这种燃油供应方式需要一个复杂的燃油控制系统，在燃烧室内实现两种燃料的交替燃烧，这将为燃烧室的设计和工作带来困难，也会增加燃烧室的重量和复杂性。前苏联的图波列夫航空公司曾在图-155客货两用机上将LNG作为航空发动机替代燃料，在飞机上的3台发动机中有I台发动机使用LNG作为燃料，其他2台发动机仍采用航空煤油作为燃料。但文献中未详细报道LNG发动机的燃料供应系统及发动机是如何工作的。为实现LNG在航空发动机上的应用，针对LNG自身的特点，考虑航空发动机的工作特性和飞机的结构特点，设计一种可应用LNG为燃料的航空发动机是目前急需解决的冋题。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是:克服航空发动机应用双燃料时的燃油供应、控制系统和燃烧系统的复杂性，在多发动机的飞机上采用部分发动机使用航空煤油为燃料、剩余发动机使用LNG为燃料的飞机动力系统。通过将涡轮叶片冷却用压气机引气与LNG气化加热装置结合，在实现降低冷却用空气温度改善飞机动力系统性能的同时实现了 LNG冷能的有效利用，同时可以将液态LNG气化，为以天然气为燃料的发动机提供燃料。
[0006]本发明是通过以下技术方案实现的:一种应用于LNG为燃料的航空发动机的燃料供应系统，该系统包括LNG储罐、安全阀、爆破片、止回阀、缓冲罐、机械调压阀、电控节流阀、气化装置、压力传感器、PID控制器、低温泵、流量控制器、燃油歧管、气体燃料喷嘴和燃烧室，LNG储罐下端出口处设置有低温泵，低温泵出口通过管道连接气化装置，气化装置连接压力传感器，压力传感器连接PID控制器，PID控制器连接低温泵，气化装置通过电控节流阀和机械调压阀连接缓冲罐，缓冲罐连接流量控制器，流量控制器依次连接燃油歧管、气体燃料喷嘴和燃烧室，LNG储罐上端出口通过安全阀和止回阀连接缓冲罐。
[0007]所述的气化装置为换热器。
[0008]所述的LNG储罐为双层绝热结构，储罐的内壁和外壁为金属材料，两层壁之间为真空结构。
[0009]所述的管道采用双层中间抽真空的绝热管道。
[0010]所述的LNG储罐和气化装置上均安装有爆破片，当压力超过安全值时气体燃料通过爆破片泄压保证LNG储罐和气化装置的安全。
[0011]所述的应用于LNG为燃料的航空发动机的燃料供应系统的发动机工作方式，在飞机处于不同飞行状态时，可以通过改变所使用的发动机来实现飞机所需推力的变化，在起飞状态下，使用航空煤油的发动机和使用LNG的发动机同时工作产生所需的大推力，在巡航状态时关闭使用航空煤油的发动机，只使用采用LNG的发动机，也可以采用使用航空煤油的发动机和使用LNG的发动机同时工作，在不同的工作状态下，飞机需要不同的推力时通过调节发动机的工作状态来满足飞机对动力系统的要求。
[0012]本发明的有益效果:
[0013]I)本发明采用了在飞机动力系统中分别使用以航空煤油为燃料的航空发动机和以LNG为燃料的发动机，与使用双燃料掺混燃烧的发动机相比减少了复杂的燃油控制系统，降低了系统复杂性，提高了动力系统的可靠性。
[0014]2)本发明采用了将液态LNG增压后再气化的方式，与气体增压设备相比液态LNG增压可减少增压设备的耗功，同时高效利用了液态燃料相变时产生的压力势能。通过气化装置与低温泵的协调配合减少了对设备数量的需求，降低了燃料系统的总质量和系统的复杂性。
[0015]3)本发明采用了通过流量控制器和电控节流阀之间的协调配合实现发动机不同工作状态时对燃料流量的需求，在降低控制系统复杂性的同时可满足发动机对燃料流量的需求。
[0016]4)本发明采用了气体缓冲罐，可实现对气体燃料的流量和压力进行调节缓冲作用，还可以成为LNG储罐和气化装置的泄流装置，在保证系统安全的同时减少了燃料的浪费，同时缓冲罐还可以起到在发动机启动阶段为燃烧室提供燃料的作用。
[0017]5)在飞机飞行的整个过程中，根据对动力系统输出推力的不同采用了发动机交替工作或同时工作的不同工作方式，在保证提供所需推力的同时降低运输成本。
【附图说明】
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[0018]图1是带有4个发动机使用2种燃料的飞机示意图；
[0019]图2是LNG储存和输运系统示意图；
[0020]图3是LNG气化装置示意图；
[0021 ] 图4是LNG航空发动机工作过程示意图；
[0022]图5是飞机运行过程中推力变化示意图；
[0023]图中机翼、2机身、3发动机、4油箱、5LNG储罐、6机尾、7安全阀、8爆破片、9止回阀、10缓冲罐、11机械调压阀、12电控节流阀、13气化装置、14压力传感器、15PID控制器、16低温泵、17流量控制器、18燃油歧管、19气体燃料喷嘴20燃烧室、21热端入口、22热端出口、23冷端入口、24冷端出口、25风扇、26低压压气机、27高压压气机、28、高压涡轮、29低压涡轮、30低压轴、31高压轴、32尾喷管。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和实施对本发明做进一步的描述。