以LNG为燃料的通用飞机动力系统及其燃料供应方法与流程

本发明属于飞机动力系统技术领域，特别是涉及一种以LNG为燃料的通用飞机动力系统及其燃料供应方法。

背景技术：
近年来，随着通用飞机技术的逐渐成熟，其安全性和可靠性大大提高。随着2011年由国务院和中央军委发布的《关于深化我国低空空域管理改革的意见》文件的执行，截至2020年，中国将至少有80%的低空领域开放，这将为通用飞机的发展提供发展空间和机遇。可以预测，在不久的将来，通航产业必将在中国市场占有一席之地，也必将成为中国未来经济发展的中流砥柱之一。目前通用飞机基本是以汽油发动机和柴油发动机为动力。根据我国汽车产业和船舶产业的发展经验来看，采用石油基的汽油和柴油为动力的通用飞机动力系统，随着其产业的发展必然会产生对石油基燃料的依赖性及严重的环境污染问题。清洁能源替代传统燃料的应用已经成为动力行业发展的大趋势，在通用飞机技术发展的同时就将低污染清洁能源的使用考虑进去将会促进通用飞机技术的发展。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（96%以上）。液态密度为0.42～0.46t/m3，液态热值50MJ/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。与汽油和柴油相比，LNG具有密度低、成本低、热值高的特点，同时LNG燃烧后产生的污染物要比柴油低很多。在汽车上的试验表明，应用LNG为燃料时尾气中CO减少97%，HC+NOx减少72%，CO2减少90，噪声减少40%，C6H6铅粉尘等减少100%。将LNG作为通用飞机动力系统的燃料还是一个全新的领域，目前还未见相关报道。如果能将LNG作为通用飞机动力系统的燃料，在降低通用飞机产生的环境污染的同时还将大幅度减少燃料成本，提升通过用飞机的经济性。由于LNG与汽油和柴油存在很大的差别，因此在使用LNG作为动力系统的燃料时要进行合理的燃料供应和输运管路系统的设计，在实现LNG作为通用飞机燃料的同时提高燃料使用率。

技术实现要素：
本发明为了克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种节能高效、设计科学合理、易于实现、便于操作、在保证LNG汽化的同时实现了LNG冷能的有效利用，同时降低了发动机冷却系统冷却液的温度，提高了发动机的性能的以LNG为燃料的通用飞机动力系统及其燃料供应方法。本发明所采用的技术解决方案是包括一个用于储存低温LNG燃料的LNG储罐，一个用于为LNG输运过程中提供所需压力的LNG储罐自增压系统，一个用于将LNG储罐输出的LNG中转为气态并输送至发动机参与燃烧的低温燃料气化和气体燃料供应系统，所述的LNG储罐的LNG输出端通过LNG储罐自增压系统与低温燃料气化和气体燃料供应系统的输入端相连接。所述LNG储罐为双层绝热结构，LNG储罐的内壁和外壁的两层壁之间为真空结构，在内壁外缠绕有多层绝热层，所述的LNG储罐还包括充液接头、喷淋管、液位计、显示器、压力表、信号转换器、过滤器、出液阀、单向阀、调节阀、过渡保护阀和出液单向阀，外部LNG储存装置的出液口与LNG储罐的充液接头相连，所述的充液接头的一端连接有喷淋管，所述的液位计和压力表设置在LNG储罐内，所述的LNG储罐外部设置有显示器和信号转换器，所述的信号转换器用于接收液位计和压力表采集的信号并将转换后的信号输入给显示器，所述的过滤器设置在LNG储罐内部，所述的过滤器与单向阀、调节阀、过渡保护阀和出液单向阀依次相连，所述的出液单向阀的输出端与低温燃料气化和气体燃料供应系统的LNG汽化器相连接。所述的充液接头和喷淋管之间设置有二级安全阀。所述的单向阀和调节阀之间设置有一级安全阀和放空阀。所述LNG储罐自增压系统包括增压出液截止阀、增压调节阀、增压汽化器、三通阀、增压回气管、增压回气管和增压回气阀，所述的增压出液截止阀一端通过管路与LNG储罐内部相连接，另一端与增压调节阀相连接，第一增压调节阀的输出与增压汽化器相连接，增压汽化器的输出端依次与三通阀和增压回气管相连接，所述的增压回气管的一端进入到LNG储罐的内顶部，所述的三通阀的另一端与减压调节阀相连接，所述的减压调节阀通过增压回气管与调节阀相连接。所述的低温燃料气化和气体燃料供应系统包括LNG汽化器、缓冲罐、电磁阀、天然气滤清器和稳压器，所述的LNG汽化器的LNG输出端依次与缓冲罐、电磁阀、天然气滤清器和稳压器相连接，稳压器的输出端与发动机相连接。所述LNG汽化器的发动机冷却液进口和液化气的进口同向设置，所述LNG汽化器的发动机冷却液出口与液化气的出口同向设置。所述LNG汽化器的安装位置不能高于发动机散热器顶部。一种以LNG为燃料的通用飞机动力系统的燃料供应方法，在外部动力装置的作用下LNG通过充液接头和喷淋管进入LNG储罐；LNG储罐内的液位通过液位计和压力表将信号传递给信号转换器后可以在显示器上显示，可随时看到LNG储罐内的液位和压力情况，同时压力表的信号也用于控制位于充液接头和喷淋管之间的二级安全阀，当LNG储罐内的压力超过设定的安全值后，二级安全阀自动开启，降低LNG储罐内的压力；当飞机需要燃料供应时，出液阀开启，在LNG自增压系统所提供的压力的驱动下，LNG通过过滤器流出LNG储罐，连续流过单向阀、调节阀、过渡保护阀和出液单向阀后进入LNG的气化系统，放空阀可实现紧急情况时手动放空LNG储罐内的气体和液体燃料，一级安全阀在LNG储罐内压力高于安全值时自动开启，降低LNG储罐内的压力；当LNG储罐内的压力低于增压调节阀设定的压力时，少量的LNG通过增压液截止阀和增压调节阀后进入增压汽化器与空气进行热交换，液体变成蒸汽通过三通阀由增压回气管进入到LNG储罐的顶部，当压力等于增压调节阀的压力后，增压调节阀自动关闭，LNG储罐内的压力不再升高；当LNG储罐内的压力高于设定值时，减压调节阀自动开启，LNG储罐内的气体燃料通过增压回气管、增压回气阀、三通阀、减压调节阀、调节阀进入发动机的燃料供应系统，降低LNG储罐内的压力；在LNG汽化器内，利用发动机工作过程中产生的热能对LNG进行加热，使液态的LNG转化为气体燃料，气体燃料经管道流入缓冲罐，经天然气滤清器过滤掉燃料中的杂质后进入稳压器，在满足发动机所需的压力后进入发动机参与燃烧。所述的一级安全阀的开启压力设定为供气系统1.0-1.2倍公称工作压力，二级安全阀的开启压力设定为供气系统1.5-1.8倍公称工作压力。与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明提供的一种适用于以LNG为燃料的通用飞机动力系统的燃料供应方式，设计科学合理、易于实现、便于操作，低温LNG储存在LNG储罐内，在自增压系统的作用下保证LNG储罐内的压力，使LNG可以在储罐内压力的作用下通过管道流出LNG储罐，并进入LNG汽化器实现LNG由液态转化为气体燃料以供发动机的使用。自增压系统除了可以满足LNG储罐内对压力的要求外，当LNG储罐内压力过高时还可以通过增压回气管、减压调节阀和调节阀的配合使用实现将气体燃料输送进入LNG燃料供应系统中去，即降低了LNG储罐内的压力又实现了燃料的高效利用，达到了节约的效果。LNG储罐上设有一级安全阀和二级安全阀，根据设定的安全阀开启压力，当LNG储罐内的压力高于安全值时一级安全阀和二级安全阀相继开启，保证LNG储罐内的压力处于安全值之内。LNG汽化器利用发动机工作过程中产生的热能（发动机冷却系统的冷却液）对LNG进行加热，使液态的LNG转化为气体燃料。在保证LNG汽化的同时实现了LNG冷能的有效利用，同时降低了发动机冷却系统冷却液的温度，提高了发动机的性能。附图说明图1是通用飞机动力系统图；图2是燃气供给系统示意图；图3是双介质LNG汽化器结构图；图4是三介质LNG汽化器结构图。图中标号：1：LNG储罐2：充液接头3：放空阀4：单向阀5：调节阀6：出液阀7：过滤器8：过渡保护阀9：出液单向阀10：LNG汽化器11：缓冲罐12：电磁阀13：天然气滤清器14：稳压器15：发动机16：螺旋桨17：增压出液截止阀18：增压调节阀19：增压汽化器20：三通阀21：增压回气管22：增压回气阀23：减压调节阀24：调节阀25：发动机冷却液出口26：发动机冷却液入口27：液位计28：压力表29：信号转换器30：显示器31：二级安全阀32：一级安全阀33：内壁34：外壁35：喷淋管36：燃料供应系统37：空气供应系统38：燃气产生系统。具体实施方式如图1所示，一种以LNG为燃料的通用飞机动力系统，包括一个用于储存低温LNG燃料的LNG储罐1，一个用于为LNG输运过程中提供所需压力的LNG储罐自增压系统，一个用于将LNG储罐输出的LNG中转为气态并输送至发动机参与燃烧的低温燃料气化和气体燃料供应系统，所述的LNG储罐1的LNG输出端通过LNG储罐自增压系统与低温燃料气化和气体燃料供应系统的输入端相连接。其中LNG储罐1为双层绝热结构，储罐的内壁33和外壁34可采用优质耐低温的不锈钢或其他材料制成，两层壁之间为真空结构。在内壁外缠绕有多层绝热材料，外壁34用来与内壁33形成真空夹层及对内壁起到支撑作用。其中，LNG的装液过程通过充液接头2和喷淋管35的联合使用来完成，将外部LNG储存装置的出液口与LNG储罐1的充液接头2相连，在外部动力装置的作用下LNG通过充液接头2和喷淋管35进入LNG储罐1。LNG储罐1内的液位通过液位计27将信号传递给信号转换器29后可以在显示器30上显示，可随时看到LNG储罐1内的液位情况。LNG储罐1在装液和使用过程中储罐内压力的变化可以通过压力表28将信号传递给信号转换器29再在显示器30上显示出来。同时压力表28的信号也用于控制位于充液接头2和喷淋管35之间的二级安全阀31，当LNG储罐1内的压力超过二级安全阀31设定的安全值后，二级安全阀31自动开启，降低LNG储罐1内的压力；其中，LNG的使用过程通过过滤器7和一系列阀门之间的配合来完成。当飞机需要燃料供应时，出液阀6开启，在LNG自增压系统所提供的压力的驱动下，LNG通过过滤器7流出LNG储罐1，连续流过单向阀4、调节阀5、过渡保护阀8和出液单向阀9后进入LNG的气化系统。在单向阀4和调节阀5之间安装有放空阀3和一级安全阀32，放空阀3可实现紧急情况时手动放空LNG储罐1内的气体和液体燃料，一级安全阀32在LNG储罐1内压力高于一级安全阀32设定的安全值时自动开启，降低LNG储罐1内的压力；其中，一级安全阀32和二级安全阀31用于控制LNG储罐1内压力。一级安全阀32的开启压力设定为供气系统1.0-1.2倍公称工作压力，二级安全阀31的开启压力设定为供气系统1.5-1.8倍公称工作压力。当LNG储罐1内的压力高于一级安全阀32的设定压力后，一级安全阀32自动打开，气体从排空口排出，LNG储罐1泄压。当LNG储罐1内的压力低于一级安全阀32的开启压力后，一级安全阀32自动关闭。二级安全阀31是在一级安全阀32失效无法排气放空时起到备用排气放空的作用，当LNG储罐1内的压力超过二级安全阀31的限定值时，二级安全阀31才开启。二级安全阀31通过排空口将气体排除后，LNG储罐1内的压力降低至二级安全阀31的开启压力，二级安全阀31自动关闭；所述的LNG储罐1自增压系统包括增压出液截止阀17、增压调节阀18、增压汽化器19、三通阀20、增压回气管21和增压回气阀22等。该系统能够保证稳定的提供LNG储罐1的正常供液压力和流量的要求。当LNG储罐1内的压力低于增压调节阀18设定的压力时，少量的LNG通过增压出液截止阀17和增压调节阀18进入增压汽化器19与空气进行热交换，液体变成蒸汽后通过三通阀20由增压回气管21进入到LNG储罐1的顶部。当压力等于增压调节阀18设定的压力后，增压调节阀18自动关闭，LNG储罐1内的压力不再升高；其中，增压回气管21还可以起到降低LNG储罐1内压力的作用。当LNG储罐1内的压力高于设定值时，减压调节阀23自动开启，LNG储罐1内的气体燃料通过增压回气管21、增压回气阀22、三通阀20、减压调节阀23、调节阀24进入发动机的燃料供应系统，降低LNG储罐1内的压力；其中，减压调节阀23为自动阀，当LNG储罐1内的压力高于设定值时减压调节阀23自动开启，当LNG储罐1内的压力恢复到设定值以内后减压调节阀23自动关闭；所述的低温燃料气化和气体燃料供应系统包括LNG汽化器10、缓冲罐11、电磁阀12、天然气滤清器13、稳压器14和发动机冷却液的入口26、出口25和连接管道。在LNG汽化器10内，利用发动机工作过程中产生的热能（发动机冷却系统的冷却液）对LNG进行加热，使液态的LNG转化为气体燃料。气体燃料经管道流入缓冲罐11，经天然气滤清器13过滤掉燃料中的杂质后进入稳压器14，在满足发动机15所需的压力后进入发动机15参与燃烧。在发动机15内燃料的化学能转化为机械能，通过驱动螺旋桨16将机械能转化为飞机所需的推力；其中，LNG汽化器10的主要作用是将LNG经过加热汽化为气态的天然气，布置LNG汽化器10时要尽可能靠近发动机，以减少流程阻力。LNG汽化器10使用发动机冷却液来加热LNG，因此LNG汽化器10的安装位置不能高于发动机散热器顶部，避免发动机的冷却液不能流经LNG汽化器10，造成LNG汽化器10结冰冻裂；其中，所述LNG汽化器10的发动机冷却液进口26和液化气的进口同向设置，所述LNG汽化器的发动机冷却液出口25与液化气的出口同向设置；其中，LNG汽化器10可采用两种介质换热，即LNG与发动机冷却液之间进行直接换热，也可以采用三种介质换热，即除LNG与发动机冷却液外还需一种中间介质实现该介质与LNG和发动机冷却液间的换热，该种介质在LNG汽化器内采用闭环换热方式。图2是燃气供给系统示意图，包括燃料供应系统36、空气供应系统37和燃气产生系统38。其中，燃料供应系统工作过程中，储存在LNG储罐内的液态燃料经过LNG汽化器、缓冲罐、天然气滤清器后转化为洁净、稳定、具有一定压力的气态燃料。在燃气产生系统38内，气态燃料经过稳压器、电磁阀和电控调节器后进入混合器，在混合器内与空气进行预混形成均匀的预混燃料，在节气门的控制下进入发动机燃烧室进行燃烧。混合器内的空气由空气供应系统37提供，经过净化后的空气首先在涡轮增压器内进行增压，再经过中冷器的冷却后进入混合器与燃料进行混合。其中，涡轮增压器由发动机的冷却液带动。图3是双介质LNG汽化器，图4为三介质LNG汽化器。采用双介质LNG汽化器时，汽化器的热源为发动机冷却液，冷源为LNG，利用发动机工作过程中产生的热能将LNG气化，即降低了发动机冷却液的温度实现LNG冷能的有效利用又避免了气化LNG过程中所需要的额外的能量。采用三介质LNG汽化器时，第三种介质为封闭在汽化器内的界于发动机冷却液和LNG之间的介质。在与冷却液换热时作为冷源吸收冷却液的热量，在与LNG换热时作为热源将热量传递给LNG，实现LNG的汽化。采用三介质汽化器的优点是可以降低冷源和热源之间的温差，提高能量利用率；缺点是换热器体积增大以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。