封閉式氣體燃料輸送系統的制作方法

本公開總體上涉及氣體渦輪發動機，并且涉及封閉式氣體燃料輸送系統。

背景技術：

氣體渦輪發動機組通常包括某些支撐系統，例如氣體燃料系統，它們被安裝在包圍整個氣體渦輪發動機組的外殼上或該外殼內。氣體燃料系統可以單獨地位于它們自己的外殼中并且連接至氣體渦輪發動機系統的其余部分。這種氣體渦輪發動機系統可存在于載體(例如船舶)中，并且可以燃燒天然氣、柴油，或者其它類型的液態或氣態燃料。

V.Oevelen等人的歐洲專利公開號2503128公開了一種用于由替代燃料作為燃料的船的燃料供給系統。該系統包括至少一個壓力調節器，該至少一個壓力調節器在供給壓力下接收燃料，并且在與供給壓力不同的輸送壓力下將燃料輸送至供給馬達燃料的噴射器和/或電磁閥。該系統包括至少一個閉合容器，該至少一個閉合容器包括內部容積，該內部容積包含該壓力調節器并且至少部分地包含該供給和輸送裝置。閉合容器對氣態燃料氣密性地緊密密封，并且包括與容器的內部容積流體連通的至少一個通風口。該通風口將內部容積與系統外部環境流體連接，以便朝船的外部引導任何燃料泄漏。

本公開旨在克服發明人發現的問題中的一個或多個。

技術實現要素：

公開了一種氣體燃料輸送系統。氣體燃料輸送系統包括氣體燃料系統和氣環。氣體燃料輸送系統還包括圍繞氣體燃料系統的外殼。外殼包括通風系統。氣體燃料輸送系統還包括將氣體燃料系統連接至氣環的發動機燃料管。發動機燃料管包括第一燃料導管和第一密閉容器。第一密閉容器封閉第一燃料導管。第一燃料導管與氣體燃料系統和氣環流體連通。氣體燃料輸送系統包括連接至氣體燃料系統的源燃料管。源燃料管包括第二燃料導管和第二密閉容器。第二密閉容器封閉第二燃料導管。第二燃料導管與氣體燃料系統流體連通。

附圖說明

圖1是具有氣體燃料輸送系統的船舶的側視圖。

圖2是具有氣體燃料輸送系統的船舶的后視圖。

圖3是具有氣體燃料輸送系統的示意性氣體渦輪發動機的示意圖。

圖4是氣體燃料輸送系統的示意圖。

具體實施方式

公開了一種氣體燃料輸送系統。氣體燃料輸送系統包括氣體燃料系統和氣環。氣體燃料輸送系統還包括圍繞氣體燃料系統的外殼。可以將雙壁燃料管連接至氣體燃料系統以及連接至氣環。雙壁燃料管的部件可以與氣體燃料系統流體連通。氣體燃料輸送系統可被用于由氣體渦輪發動機提供動力的船舶中。在一些實施例中，船舶可以具有多于一個的氣體渦輪發動機，每個發動機連接至單獨的燃料輸送系統。在雙壁燃料管內氣體泄漏的情況下，外殼可包括多個警告/安全機構。此外，與屬于傳統氣體渦輪發動機系統的傳統外殼相比，該外殼可以占據更小的幾何占用面積并且減輕了重量。這可有助于增加由(一個或多個)氣體渦輪發動機產生的推力。

圖1描繪了示意性地示出的具有氣體渦輪發動機系統320的船舶700的側視圖。為了清晰起見，并未示出船舶700的某些結構元件。船舶700可以為海洋艦船，例如雙體船或三體船。在其它實施例中，船舶700可以為機車或卡車，或者一些其它運輸車輛。氣體渦輪發動機系統320可以包括氣體渦輪發動機100和氣體燃料輸送系統330(有時被稱作封閉式氣體燃料輸送系統)。氣體燃料輸送系統330可以包括具有氣體燃料系統350的氣體渦輪發動機100。氣體渦輪發動機100和氣體燃料系統350可以位于船舶700的發動機室720內。此外，氣體燃料系統350還可以被連接至燃料箱340，燃料箱340可以位于燃料室721中。源燃料管384可以將燃料箱340連接至氣體燃料系統350。燃料管371(或者本文可被稱作發動機燃料管371)可以將氣體燃料系統350連接至氣體渦輪發動機100。氣體燃料系統350可以為被配置成用于燃燒氣體燃料或液體燃料的雙燃料系統。例如，氣體燃料(例如天然氣)或液體燃料(例如柴油)可以從燃料箱340被泵送至氣體燃料系統350。

在優選的實施例中，氣體燃料系統350由外殼370圍繞。如下文將解釋的，外殼370可以包括多個系統，例如通風系統345、滅火系統378(在圖4中示出)、氣體檢測系統379(在圖4中示出)，以及氣體處理系統377(在圖4中示出)。通風系統345可以包括至船舶700的外部大氣的空氣入口356以及空氣出口357。在一些實施例中，某些系統(例如滅火系統)可以不位于外殼370內并且代替地被安裝在發動機室720中。其它系統也可以合并在外殼370中或者在發動機室720、燃料室721或船舶700的其它隔室中。隔音材料也可被安裝至發動機室720的壁中。

圖2描繪了示意性地示出的具有連接至氣體渦輪發動機100的氣體燃料系統350的船舶700的后視圖。船舶700可以為雙體船，其可包括兩個船體710。如所示，氣體燃料系統350可以位于氣體渦輪發動機100的后面。氣體燃料系統350可以由外殼370封閉。為了清晰起見，并未示出氣體燃料輸送系統330的某些部件以及船舶700的某些結構元件。在一些實施例中，在船舶700的每側上的船體710的尺寸可以是針對氣體燃料系統350和氣體渦輪發動機100的安裝的限制因素。

圖3是示意性氣體渦輪發動機的示意圖。氣體渦輪發動機100可以連接至由外殼370圍繞的氣體燃料系統350。為了傾斜并便于說明起見，(這里或在其它附圖中)已經省略或放大了表面中的一些表面。而且，本公開可以參考前向和后向。通常地，除非另外說明，對“向前”和“向后”的所有參考與主空氣(即燃燒過程中使用的空氣)的流動方向相關聯。例如，向前是相對于主空氣流的“上游”，以及向后是相對于主空氣流的“下游”。

另外，本公開總體上通常可參考氣體渦輪發動機的旋轉的中心軸線95，該中心軸線95通常可由氣體渦輪發動機的軸120(其由多個軸承組件150來支撐)的縱向軸線來限定。中心軸線95可以與各種其它發動機同心部件公用或共享。除非另外說明，所有對徑向、軸向和周向方向和測量的參考是指中心軸線95，并且術語例如“內部”和“外部”通常表示距離更小或更大的徑向距離，其中徑向96可以在與中心軸線95垂直和從中心軸線95向外輻射的任何方向上。

氣體渦輪發動機100包括入口110、軸120、氣體發生器或壓縮機200、燃燒器300、渦輪機400、排氣裝置500，以及動力輸出耦接裝置600。氣體渦輪發動機100可以具有單軸或雙軸配置。

壓縮機200包括壓縮機轉子組件210、壓縮機導向葉片(有時被稱作定子或固定葉片)250，以及入口導向葉片255。如所示出，壓縮機轉子組件210為軸流式轉子組件。壓縮機轉子組件210包括一個或多個壓縮機輪盤組件220。每個壓縮機輪盤組件220包括周向地裝有壓縮機轉子葉片的壓縮機轉子輪盤。導向葉片250軸向地跟隨壓縮機輪盤組件220中的每一個。與跟隨壓縮機輪盤組件220的鄰近的導向葉片250配對的每個壓縮機輪盤組件220被認為是壓縮機級。壓縮機200包括多個壓縮機級。在一些實施例中，在最初幾個壓縮機級內的導向葉片250是可變的導向葉片。

燃燒器300包括一個或多個噴射器310并且包括一個或多個燃燒腔室390。通過氣體燃料系統350可以將燃料供給至燃燒器300。氣體燃料系統350可以由外殼370封閉，并且可以通過電線束336連接至氣體渦輪機控制系統335。氣體燃料系統350通過燃料管371可以連接至氣環311。氣環311可以連接至噴射器310并且可以將燃料導向至一個或多個噴射器310。

渦輪機400包括渦輪機轉子組件410、渦輪機輪盤組件420，以及渦輪機噴嘴450。

圖4描繪了氣體燃料輸送系統330的示意圖。氣體燃料輸送系統330可以包括氣體燃料系統350、外殼370、發動機燃料管(或燃料管)371、源燃料管384、電接線盒355、氣環311、氣體渦輪機控制系統335，以及各種連接件、閥和管。通常地，氣體燃料系統350可以為用于將燃料輸送至燃燒腔室的泵、閥和管道的系統。在氣體燃料輸送系統330中的管道(例如發動機燃料管371和源燃料管384)可以為用于運輸流體的圓柱狀或管狀管道。氣體燃料系統350可以調節通過系統的燃料的壓力。通過這樣做，氣體燃料系統350可以控制被泵送至所連接的氣體渦輪發動機的燃燒腔室中的燃料的流動速率，以調節發動機的動力或推力。氣體燃料系統350可以自動地或手動地控制流動速率。在一些實施例中，燃料流動速率可由氣體渦輪機控制系統335來控制。氣體渦輪控制系統335可以包括允許操作員來啟動/停止以及增加/降低氣體渦輪發動機的速度的所有功能性過程。氣體渦輪機控制系統還可以控制支撐系統，例如燃料和潤滑系統。

發動機燃料管371可以將氣體燃料系統350連接至氣環311。該連接可以位于第一連接380處。在一些情況下，發動機燃料管371可以通過管連接件365將氣體燃料系統350連接至氣環311。源燃料管384可以將氣體燃料系統350連接至燃料源。該連接可以位于第二連接381處。在氣環311內的燃料可以通過多個噴射器引導線367被引導至氣環311周圍。噴射器引導線可以連接至噴射器，該噴射器將燃料噴射至燃燒腔室中作為霧化噴液。噴射器可以包括燃料噴嘴以使燃料霧化。

通常地，發動機燃料管371和源燃料管384各自可包括由密閉容器封閉的燃料導管。例如，發動機燃料管371可以包括由第一密閉容器(例如發動機燃料管外壁360)封閉的第一燃料導管(例如發動機燃料管內壁361)。第一密閉容器可以封閉第一燃料導管并且可以形成第一外部導管，例如在它們之間的發動機燃料管外部通道375。同樣地，源燃料管384可以包括由第二密閉容器(例如源燃料管外壁385)封閉的第二燃料導管(例如源燃料管內壁386)。第二密閉容器可以封閉第二燃料導管并且可以形成第二外部導管，例如在它們之間的源燃料管外部通道387。

在一些實施例中，發動機燃料管371和源燃料管384可以為雙壁管組件。發動機燃料管371可以包括發動機燃料管外壁360和發動機燃料管內壁361。源燃料管384同樣地可以包括源燃料管外壁385和源燃料管內壁386。在一些實施例中，各自的外壁和內壁可以表示管中管(PIP)組件的兩個管。附圖示出了發動機燃料管371、源燃料管384和外殼370的剖面圖，以便描繪各自的外壁和內壁的定向。因此，發動機燃料管371可以延伸至氣環311中。附圖示出了氣環311的剖面圖，以描繪在氣環311內的發動機燃料管外壁360和發動機燃料管內壁361的定向。在附圖中，發動機燃料管外壁360和發動機燃料管內壁361按不同的長度切割以進一步示出它們的定向。

發動機燃料管外壁360和發動機燃料管內壁361可以是同軸壁，其中，發動機燃料管內壁361由發動機燃料管外壁360封閉，在它們之間形成發動機燃料管外部通道375。在一些實施例中，發動機燃料管外部通道375可以為環形體。發動機燃料管內部通道376可形成在發動機燃料管內壁361內。在優選的實施例中，發動機燃料管內壁361可以為發動機燃料管371內的用于輸送燃料20的導管。

同樣地，源燃料管外壁385和源燃料管內壁386可以是同軸壁，其中，源燃料管內壁386由源燃料管外壁385封閉，在它們之間形成源燃料管外部通道387。在一些實施例中，源燃料管外部通道387可以為環形體。源燃料管內部通道388可形成在源燃料管內壁386內。在優選的實施例中，源燃料管內壁386可以為源燃料管384內的用于輸送燃料20的導管。

源燃料管384可以在入口位置372處連接至外殼370，以及發動機燃料管371可以在出口位置373處連接至外殼370。入口位置372和出口位置373各自可以包括用于使相應的燃料管來配合通過的開口。氣體燃料系統350還可以包括入口位置382和出口位置383。外部管凸緣359可以位于每個開口的外部，以密封相應的燃料管和外殼370的連接。位于出口位置373處的開口外部的外部管凸緣359可被稱作為第一外部管凸緣，以及位于入口位置372處的開口外部的外部管凸緣359可被稱作為第二外部管凸緣。此外，可以在每個外部管凸緣359周圍執行焊接以進一步保證適當的密封，如焊縫358所示。在一些實施例中，每個外部管凸緣359可以為凸緣襯墊。

如所示，發動機燃料管外壁360和源燃料管外壁385各自可以在外部管凸緣359處終止。外部管凸緣359可以位于外殼370的每個端部處，并且可以位于外殼370的外部。在一些實施例中，發動機燃料管外壁360和源燃料管外壁385可以延伸至外殼370中。

因此，發動機燃料管內壁361和源燃料管內壁386可以穿入至外殼370中。如所示，發動機燃料管內壁361和源燃料管內壁386可以在每個相應的端部處延伸通過外殼370的開口。發動機燃料管內壁361和源燃料管內壁386各自可以在內部管凸緣366處終止。內部管凸緣366可以位于氣體燃料系統350的每個端部處。位于氣體燃料系統383的出口位置外部的內部管凸緣366可以被稱作為第一內部管凸緣，以及位于氣體燃料系統382的入口位置外部的內部管凸緣366可以被稱作為第二內部管凸緣。可以在發動機燃料管內壁361與外殼370之間以及在源燃料管內壁386與外殼370之間焊接焊縫358，以提供密封。在一些實施例中，焊縫358可以位于任一外部管凸緣359的表面上。發動機燃料管內壁361和源燃料管內壁386可以在內部管凸緣366處與氣體燃料系統350的部件(例如閥或管)相連接。在一些實施例中，每個內部管凸緣366可以為凸緣襯墊。

在優選的實施例中，外殼370包括通風系統345。通風系統345可以包括空氣入口356、空氣出口357、風扇354，以及阻火器353。空氣入口356可以經由風扇354將空氣吸入至外殼中。吸入空氣可以為氣體燃料系統350的各部件提供冷卻。在一些實施例中，空氣入口356從船舶的船體的外部的一些位置(例如甲板12)處吸入空氣。空氣可以通過空氣出口357離開外殼，其也位于船舶的船體的外部。

另外，發動機燃料管外部通道375和源燃料管外部通道387可以包括正壓。在從發動機燃料管內壁361或源燃料管內壁386有氣體泄漏的情況下，發動機燃料管外部通道375或源燃料管外部通道387內的正壓可以迫使氣體泄漏至外殼370外。利用風扇354可以來維持該正壓。此外，由于外殼370的作用，還可以防止氣體云進入氣體燃料系統350中。

在發生氣體泄漏或快速燃燒的情況下，外殼370可以包括至少一個系統。例如，倘若在外殼370內產生氣體泄漏，則位于空氣入口356和空氣出口357的端部處的阻火器353可以防止在燃料輸送至燃燒腔室過程中可能產生的驟燃。另外，氣體檢測器352可以位于空氣出口357內。氣體檢測器352可以檢測外殼370內部已泄漏的氣體或正在泄漏的氣體并且向氣體渦輪機控制系統335發出信號以切斷氣流。在一些實施例中，在氣體渦輪機控制系統335內的氣體燃料控制系統可被引導以切斷氣流。火阻擋器389可以位于空氣入口356內以及位于空氣出口357內。火阻擋器389可以為當檢測到失火時來自動地切斷通風空氣的機構。在一些實施例中，火阻擋器389可以通過由鋼性百葉窗或卷簾或一些其它機構使耐火板樞轉來切斷管的橫截面區域。

在外殼370內快速燃燒的情況下，外殼370的構造可實質上足以承受任何過壓。過壓可以是由于快速燃燒引起的沖擊波。此外，任何過壓可以通過作為卸載通道的空氣出口357而被排出到外部。

可以向發動機燃料管外部通道375和源燃料管外部通道387噴射惰性氣體，例如氮氣。在氣體渦輪發動機操作之前，可以將發動機燃料管外部通道375和源燃料管外部通道387內的所有空氣排放出去。該排放可通過發動機燃料管371、源燃料管384和氣環311進行。位于沿著發動機燃料管371的某一點處的放氣閥369可以控制空氣排放出發動機燃料管外部通道375。同樣的放氣閥可以位于沿著源燃料管384的某一點處。在排放完之后，可以將氮氣噴射至發動機燃料管外部通道375和源燃料管外部通道387中。惰性氣體閥368可以位于沿著源燃料管384的某一點處。惰性氣體閥368可以控制進入發動機燃料管外部通道375中的氮氣的流動。同樣的惰性氣體閥可以位于沿著發動機燃料管371的某一點處。倘若從發動機燃料管內壁361或源燃料管內壁386發生氣體泄漏，則氣體可以逸出并分別地與發動機燃料管外部通道375或源燃料管外部通道387中的氮氣相互作用。沒有空氣與逸出的氣體相互作用可能是重要的。燃料和氮氣或任何其它惰性氣體的混合物是不可燃的。此外，在從發動機燃料管內壁361或源燃料管內壁386發生氣體泄漏的情況下，發動機燃料管外部通道375或源燃料管外部通道387內的壓力可分別地增加。在一些實施例中，位于氣環311上的惰性氣體壓力傳感器363可以檢測發動機燃料管外部通道375或源燃料管外部通道387內的壓力的增加。在檢測到壓力增加之后，可以采取一些安全措施。例如，氣體渦輪發動機的操作員可以關閉氣體渦輪發動機100，關閉至發動機室的主氣體閥，以及關閉外殼370中的氣體切斷閥。

在一些實施例中，檢修面板351可以位于氣體燃料系統350的至少一側上。多個螺栓374可以被配置成用于將檢修面板351緊固至外殼370。檢修面板351可以被移除，以允許訪問氣體燃料系統350來執行維護或其它服務工作。

外殼370可以包括位于外殼370的底部中的安裝支架364。安裝支架364可以通過螺栓或其它類型的緊固件將外殼370固定至固定設備(例如船舶的地板或氣體渦輪安裝結構)。

在一些實施例中，電接線盒355可以連接至外殼370。電接線盒355可以包括電線端子以連接至外殼370內的部件，例如傳感器、電磁閥和控制裝置。另外，電接線盒355可以是防爆的。電接線盒355可以包含來自外殼370內的功能部件的接線終端連接。電線束336可以連接氣體渦輪機控制系統335和電接線盒355。氣體渦輪機控制系統335的控制系統接線可以在位于電接線盒355中的端子處終止。

計量或節流閥346可以位于氣體燃料系統350內。節流閥346可以為正常的氣體渦輪發動機控制系統的一部分。此外，節流閥346可以由氣體渦輪機控制系統335來控制，以增加或減少至氣體渦輪發動機的氣體的流動，以便增加或減少發動機輸出功率。

氣體處理系統377可以位于外殼370內。這在當燃燒作為燃料源的液化天然氣(LNG)時可能是重要的。氣體處理系統377可被配置成用于使LNG蒸發。LNG可被蒸發以用作燃料。該蒸發的燃料可以包括由于周圍的熱量引起的在燃料箱中蒸發的LNG的一部分，或被稱為汽化氣體(BOG)。在BOG的量可能不足以操作氣體渦輪發動機100的應用中，燃料20還可包括來自燃料箱的有意蒸發的LNG的一部分。有意蒸發的燃料的這部分將被稱作為受迫氣體(FOG)。通過使LNG循環通過熱交換器可以產生FOG。被輸送至氣體渦輪發動機100的燃料20可以包括BOG和FOG，或者在一些情況下僅包括這兩者中的一者。導管(例如存儲過量的BOG的貯存器或其它收集裝置)可以將在燃料箱中形成的BOG輸送至氣體渦輪發動機100。

以上部件(或它們的子部件)中的一個或多個可以由基礎材料制成，基礎材料是不銹鋼和/或被稱為“超級合金”的耐用高溫材料。超級合金或高性能合金為在高溫下展示出良好的機械強度和耐蠕變性、展示出良好的表面穩定性以及耐腐蝕性和抗氧化性的合金。

超級合金可以包括例如合金x、WASPALOY、RENE合金、合金188、合金230、INCOLOY、INCONEL、MP98T、TMS合金以及CMSX單晶合金的材料。

工業實用性

氣體渦輪發動機可適用于多種工業應用，例如石油和天然氣工業的各個方面(包括傳輸、收集、存儲、回收以及石油和天然氣的升舉)、發電工業、熱電聯產工業、航空和其它運輸工業。尤其是海洋運輸已經采用氣體渦輪發動機許多年。這些氣體渦輪發動機中的大多數使用柴油作為燃料源。然而，由于排放標準的變化，有朝著更低排放燃料源發展的趨勢。液化天然氣(LNG)已經上升為海上運輸的可替代燃料源。此外，能夠使用這兩種類型燃料的氣體渦輪發動機與僅能夠使用一種類型燃料的發動機相比可以具有顯著優勢。

包括連接至氣體燃料系統350的氣體渦輪發動機100的氣體燃料輸送系統330可以顯著地減輕氣體渦輪發動機系統320的重量。傳統地，氣體渦輪發動機組包括圍繞氣體渦輪發動機、燃料系統、動力系統以及其它相關系統的外殼。這些傳統氣體渦輪發動機組外殼可提供保護以免受到環境影響，但是它們通常非常重。將這種組安裝在較小的船舶(例如高速渡船)上可影響渡船的性能。此外，傳統的氣體渦輪組可能不符合高速渡船等此類船的船體的尺寸限制。在一些情況下，雙燃料系統還可增加對傳統氣體渦輪組的尺寸限制。僅通過限制氣體燃料系統350周圍的外殼370，可以實現氣體渦輪發動機組的重量的顯著減輕。在一些實施例中，與傳統的氣體渦輪發動機組相比，重量減輕了95％。這可使得氣體渦輪發動機產生更多的推力，而無需升級氣體渦輪發動機。

在操作過程中，在氣體燃料系統的燃料管中可能發生氣體泄漏。氣體泄漏可導致對氣體燃料系統和/或氣體渦輪發動機的損壞，例如失火或爆炸。多個系統可以減少這種損壞的機會。如圖4所示，包括通至外部的阻火器353的通風系統345可使得發動機燃料管371、源燃料管384或外殼370內的火逸出。氣體檢測器352可以檢測通風系統345內的氣體泄漏的存在。發動機燃料管內壁361可由發動機燃料管外壁360圍繞，形成發動機燃料管外部通道375。源燃料管內壁386可由源燃料管外壁385圍繞，形成源燃料管外部通道387。發動機燃料管外部通道375和源燃料管外部通道387可用惰性氣體來填充，其可防止來自發動機燃料管內壁361或源燃料管內壁386的易燃氣體的泄漏。壓力傳感器，例如惰性氣體壓力傳感器363，還可被用于來檢測任一燃料管內增加的壓力，該增加的壓力通常指示氣體泄漏。

傳統上包括在氣體渦輪發動機組外殼中的其它系統可被轉移至船舶的發動機室。例如，許多發動機室包括滅火系統。在已容納在發動機室內的氣體燃料系統內設置滅火系統可能是多余的。

應當強調的是，盡管所公開的具有氣體燃料輸送系統的氣體渦輪發動機已被置于LNG載體應用(例如船舶)中，但是所公開的發動機和氣體燃料輸送系統的實施例可被用于任何應用中。例如，本公開的實施例可被用于LNG運輸卡車或機車的往復式發動機中，或者可被用于發電廠應用中。一些應用可能受到聲學要求限制，其中由氣體渦輪發動機產生的噪聲需要被隔絕。

在一些實施例中，某些部件或系統可以滿足工業或領域中的目標船舶或車輛所使用的代碼或規則要求。

前述詳細描述在本質上僅僅是示例性的，并非意圖限制本發明或本發明的應用和用途。提供了所公開的實施例的上述描述以使本領域技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的各種修改對本領域技術人員來說將是顯而易見的，并且在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，本文描述的一般原理可被應用到其它實施例。因此，應該理解的是，本文給出的描述和附圖代表本發明的當前優選的實施例，且從而代表由本發明寬泛預見的主題。還應該理解的是，本發明的范圍完全包含對于本領域的技術人員可變得顯而易見的其它實施例，并且本發明的范圍相應地僅由所附的權利要求書來限定。