用于在飞机中传送燃料的低温燃料系统和方法
【专利说明】用于在飞机中传送燃料的低温燃料系统和方法
[0001]相关串请的交叉引用
本申请要求享有于2012年12月28日提交的美国临时申请N0.61/747，169的权益，其通过引用而完整地结合在本文中。
技术领域
[0002]这里所述的技术总地涉及飞机系统，更具体地说，涉及在航空燃气涡轮发动机中利用双燃料的飞机系统和运行它的方法。
【背景技术】
[0003]某些低温燃料例如液化天然气(LNG)可能比传统的喷气燃料更为便宜。目前在传统燃气涡轮应用中冷却的方法使用了压缩空气或传统的液体燃料。用于冷却的压缩机空气的使用可能降低了发动机系统的效率。
[0004]因此，需要具有在航空燃气涡轮发动机中利用双燃料的飞机系统。需要的是具有这样的飞机系统，其可被航空燃气涡轮发动机推进，航空燃气涡轮发动机可利用传统的喷气燃料和/或更便宜的低温燃料例如液化天然气(LNG)进行操作。需要的是在航空燃气涡轮构件和系统中具有更有效的冷却。需要的是改善效率和降低发动机中的比燃料消耗，从而降低操作费用。需要的是具有利用双燃料的航空燃气涡轮发动机，其可凭借较低的温室气体(CO2)、氮氧化物-NOx、一氧化碳-CO、未燃烧的碳氢化合物和烟尘而减少环境影响。
【发明内容】
[0005]—方面，本发明的一个实施例涉及一种用于飞机的低温燃料系统，飞机具有涡轮发动机，其具有压缩机部段和燃烧室，低温燃料系统包括用于储存低温燃料的箱、可操作地将箱联接到燃烧室上的供给线路以及栗，栗将箱联接到供给线路上，从而在高压下抽送低温燃料穿过供给线路，其中栗可操作地联接在压缩机上，使得涡轮发动机的运行驱动栗。
[0006]另一方面，本发明的一个实施例涉及一种用于将燃料系统中的燃料传送到具有燃烧部段和压缩机部段的涡轮发动机的方法，其包括利用涡轮栗对提供给涡轮发动机的燃烧部段的燃料进行加压，涡轮栗由来自涡轮发动机的压缩机排出压力进行驱动。
【附图说明】
[0007]通过参照结合附图所做的以下描述可最佳地理解这里所述的技术，其中:
图1是一种示例性的飞机系统的等距视图，其具有双燃料推进系统；
图2显示了一个示例性的加压系统实施例；
图3是一种示例性的燃料传送/分配系统；
图3a是一种示例性的低温燃料的示意性的压力-焓图中的示例性的操作路径；
图4是示意图，其显示了燃料箱的示例性布置和示例性的蒸发物用途；
图5是一种示例性的双燃料飞机燃汽涡轮发动机的示意性的横截面图，其具有燃料传送和控制系统；
图6是一种示例性的双燃料飞机燃气涡轮发动机的一部分的示意性的横截面图，其显示了示意性的热交换器；
图7a是一种示例性的直接热交换器的示意图；
图7b是一种示例性的间接热交换器的示意图；
图7c是另一示例性的间接热交换器的示意图；且图8是用于该飞机系统的示例性飞行任务分布的示意图。
【具体实施方式】
[0008]参照这里的附图，相同的标号表示遍及不同视图的相同的元件。
[0009]图1显示了根据本发明的一个示例性实施例的飞机系统5。示例性的飞机系统5具有机身6和连接在机身上的机翼7。飞机系统5具有推进系统100，其产生了飞行中推进飞机系统所需要的推力。虽然在图1中显示推进系统100连接在机翼7上，但是在其它实施例中，其可联接在飞机系统5的其它部件，例如尾部部分16上。
[0010]示例性的飞机系统5具有燃料存储系统10，其用于储存用于推进系统100中的一种或多种类型的燃料。图1中所示的示例性的飞机系统5使用两种类型的燃料，其将在下面进行进一步地解释。因此，示例性的飞机系统5包括能够储存第一燃料11的第一燃料箱21和能够储存第二燃料12的第二燃料箱22。在图1所示的示例性的飞机系统5中，至少第一燃料箱21的一部分定位在飞机系统5的机翼7中。在图1所示的示例性的实施例中，第二燃料箱22定位在飞机系统的机身6中，靠近机翼联接机身的位置。在备选实施例中，第二燃料箱22可定位在机身6或机翼7中的其它合适的位置。在其它实施例中，飞机系统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可定位在飞机系统的机身的后部部分中，例如图1中示意性地所示。
[0011]如本文后面进一步所述，图1中所示的推进系统100是一种双燃料推进系统，其能够通过利用第一燃料11或第二燃料12，或者利用第一燃料11和第二燃料12而产生推力。示例性的双燃料推进系统100包括燃气涡轮发动机101，其能够选择性地利用第一燃料11或第二燃料21，或者在选定的比例下利用第一燃料和第二燃料而产生推力。第一燃料可为传统的液体燃料，例如基于煤油的喷气燃料，例如本领域中已知的Jet-A、JP-8或JP-5或其它已知的类型或级别。在这里所述的示例性的实施例中，第二燃料12是低温燃料，其储存在非常低的温度下。在这里所述的一个实施例中，低温的第二燃料12是液化天然气(或者这里被称为“LNG”)。低温的第二燃料12储存在低温的燃料箱中。例如，液化天然气在大约15psia绝对压力下在大约-265 °F下储存在第二燃料箱22中。燃料箱可由已知的材料，例如钛、因科镍合金、招或复合材料制成。
[0012]图1中所示的示例性的飞机系统5包括燃料传送系统50，其能够将燃料从燃料存储系统10传送给推进系统100。已知的燃料传送系统可用于传送传统的液体燃料，例如第一燃料11。在这里所述且图1和图3所示的示例性的实施例中，燃料传送系统50配置为通过运输低温燃料的管道54将低温液体燃料，例如液化天然气传送给推进系统100。为了在传送期间基本保持低温燃料的液体状态，至少燃料传送系统50的管道54的一部分是隔热的，并且配置成运输加压的低温液体燃料。在某些示例性的实施例中，至少管道54的一部分具有双壁结构。管道可由已知的材料，例如钛、因科镍合金、铝或复合材料制成。
[0013]图1中所示的飞机系统5的示例性实施例还包括燃料电池系统400，其包括能够利用至少第一燃料11或第二燃料12的其中一种燃料而产生电功率的燃料电池。燃料传送系统50能够将燃料从燃料存储系统10传送给燃料电池系统400。在示例性的实施例中，燃料电池系统400利用双燃料推进系统100所使用的一部分低温燃料12来发电。
[0014]在燃气涡轮应用中利用低温燃料的其中一个挑战是需要在较高的压力下将燃料注入到喷气发动机101的燃烧部段中，该压力高于从燃气涡轮的压缩机部段进入燃烧器或燃烧部段中的空气压力。在燃料和空气之间的压力差需要足够高，以克服跨越从燃料箱至燃料喷嘴的燃料线路中的所有构件，以及跨越燃料喷嘴的压力降，从而确保恰当的化学计量的燃料空气比以及避免回流。低温燃料可以各种方式进行加压，包括:1)加热箱内的燃料并容许其在箱中蒸发，这对箱中的燃料进行加压；2)利用电驱动的栗对箱下游的燃料进行加压；3)利用涡轮栗，其通过压缩机排出压力而对燃料进行加压。在减少复杂性、重量和外部功率要求方面，利用涡轮栗带来显著的优点。
[0015]图2显示了用于飞机5的低温燃料系统500，飞机5具有涡轮发动机506，其具有压缩机部段和燃烧室。低温燃料系统包括用于储存低温燃料的箱515、可操作地将箱515联接到燃烧室上的供给线路514以及栗502，栗502将箱515联接到供给线路514上，从而在高压下抽送低温燃料穿过供给线路514。栗502可操作地联接在504所示的压缩机上，使得喷气发动机的运行驱动栗502。
[0016]更具体地说，低温燃料系统500可利用涡轮栗技术对燃气涡轮应用中的低温燃料进行加压。如图所示，设想涡轮发动机506可配置为由第一燃料和第二燃料来加注燃料，并且可包括燃烧器部段和压缩机部段。例如，用于将第一燃料从第一燃料箱532传送给涡轮发动机506的第一燃料系统530已经与第二燃料系统或低温燃料系统500 —起进行了显不O
[0017]栗502可将第二燃料加压至较高的压力下，该压力高于从涡轮发动机506的压缩机部段进入涡轮发动机506的燃烧部段的空气压力。更具体地说，栗502可为涡轮栗502，其具有涡轮部段510和离心栗部段512。虽然涡轮栗502在这里将参照离心栗部段512进行描述，但是应该懂得，在涡轮栗502中可利用任何合适的栗部段，包括往复栗、螺旋栗、叶片栗、齿轮栗等等。所利用的栗部段的类型可能依赖于抽送的具体流体而变化。
[0018]如图所示，涡轮部段510可在流体方面联接在涡轮发动机506的压缩机部段上，如504处所示，使得涡轮栗502可利用由燃气涡轮506的压缩机排出压力进行加压的空气来驱动。通过涡轮栗502的涡轮部段510的加压空气的膨胀将驱动离心栗部段512，实现其旋转，使得离心栗部段512对低温燃料系统500中的液体低温燃料进行加压。通过这种方式，涡轮栗502利用了来自由压缩机排出压力放出的加压空气的机械能。这种机械能则驱动离心栗部段512，其连接在与涡轮部段510中的空气涡轮相同的轴上，从而对液体低温燃料进行加压。低温燃料必须处于足够高的压力下，以克服跨越涡轮栗502直至燃料喷嘴518的线路中所有构件的压力降以及跨越燃料喷嘴518至燃烧器中的压力差。
[0019]为了确保离心栗部段512不会产生气穴，可将小栗520安装在涡轮栗502的上游，以增加燃料压力，并为流体饱和点提供余量。栗520可将箱515在流体方面联接到涡轮栗502的离心栗部段512上，从而提高传送给涡轮栗502的离心栗部段512的低温燃料的压力。栗520可为小型电动驱动的加压栗或进料栗。栗520可能备选地由其它机械方法而非电动机来驱动。或者，可利用其它方法来避免气穴现象，包括增加箱的压力或吸入线路上的低温燃料压头，冷却箱外部的燃料，或者在饱和点以下操作箱。
[0020]空气阀522可在流体方面联接在压缩机部段和涡轮栗502之间。来自压缩机的空气流向涡轮栗502，如504所示，空气流可利