包括低溫燃料系統的渦輪發動機組件的制作方法
【專利說明】包括低溫燃料系統的渦輪發動機組件
[0001]相關串請的交叉引用
本申請要求享有所有于2012年12月28日提交的美國臨時專利申請N0.61/746，847、N0.61/746，855、N0.61/746，872、N0.61/746，882、N0.61/746，915 和 N0.61/746，673 的權益，其全部通過引用而完整地結合在本文中。
技術領域
[0002]這里所述的技術總地涉及飛機系統，更具體地說，涉及在航空燃氣渦輪發動機中利用雙燃料的飛機系統和操作它的方法。
【背景技術】
[0003]某些低溫燃料例如液化天然氣(LNG)可能比傳統的噴氣燃料更為便宜。目前在傳統燃氣渦輪應用中冷卻的方式使用了壓縮空氣或傳統的液體燃料。用于冷卻的壓縮機空氣的使用可能降低了發動機系統的效率。
[0004]因此，需要具有在航空燃氣渦輪發動機利用雙燃料的飛機系統。需要的是具有這樣的飛機系統，其可被航空燃氣渦輪發動機推進，航空燃氣渦輪發動機可利用傳統的噴氣燃料和/或更便宜的低溫燃料例如液化天然氣(LNG)進行操作。需要的是在航空燃氣渦輪構件和系統中具有更高效的冷卻。需要的是改善效率和降低發動機中的比燃料消耗，從而降低操作費用。需要的是具有利用雙燃料的航空燃氣渦輪發動機，其可憑借較低的溫室氣體(CO2)、氮氧化物-NOx、一氧化碳-CO、未燃燒的碳氫化合物和煙塵而減少環境影響。
【發明內容】
[0005]—方面，本發明的一個實施例涉及一種渦輪發動機組件，其包括渦輪核心、熱交換器和低溫燃料系統，渦輪核心包括沿軸向對準的壓縮機部段、燃燒部段、渦輪部段和噴嘴部段，其中燃燒部段包括具有內壁和外壁的大致環形的殼體，熱交換器包括位于至少內壁和外壁中的一個附近的多個通道，其中通道圍繞至少殼體的一部分而設置，并彼此處于流體連通，使得流體可流過通道，并且低溫燃料系統具有低溫燃料箱及聯接在一個通道上的供給線路，其中低溫燃料可從低溫燃料箱通過供給線路供給熱交換器的通道，其中通道中的燃料可被燃燒部段加熱。
[0006]另一方面，本發明的一個實施例涉及一種渦輪發動機組件，其具有渦輪核心、低溫燃料系統和多級蒸發器，渦輪核心包括沿軸向對準的壓縮機部段、燃燒部段、渦輪部段和噴嘴部段，低溫燃料系統具有低溫燃料箱和供給線路，并且多級蒸發器包括至少一個與供給線路在流體方面聯接的通道，使得低溫燃料從低溫燃料箱流過多級蒸發器的至少一個通道，其中至少一個通道中的燃料可被加熱。
【附圖說明】
[0007]通過參照結合附圖所做的以下描述可最佳地理解這里所述的技術，其中: 圖1是一種示例性飛機系統的等距視圖，其具有雙燃料推進系統；
圖2是一種示例性燃料傳送/分布系統；
圖2a是一種示例性低溫燃料的示意性的壓力-焓圖中的示例性操作路徑；
圖3是示意圖，其顯示了燃料箱的示例性布置和示例性蒸發用途；
圖4是一種示例性雙燃料飛機燃汽渦輪發動機的示意性的橫截面圖，其具有燃料傳送和控制系統；
圖5是一種示例性雙燃料飛機燃氣渦輪發動機的一部分的示意性的橫截面圖，其顯示了示意性的熱交換器；
圖6a是一種示例性直接熱交換器的示意圖；
圖6b是一種示例性間接熱交換器的示意圖；
圖6c是另一示例性間接熱交換器的示意圖；
圖7是用于該飛機系統的示例性飛行任務分布的示意圖；且圖8至圖12B顯示了特定液體燃料蒸發器的實施例；
圖13是內部安裝的示例性燃燒器殼體蒸發器的橫截面圖；
圖14是外部安裝的示例性燃燒器殼體蒸發器的橫截面圖；
圖15是全部根據至少本公開的某些方面所述的示例性整體燃燒器殼體蒸發器的橫截面圖；
圖16至18顯示了特定的液體燃料蒸發器實施例；
圖19至20顯示了特定的液體燃料蒸發器實施例。
【具體實施方式】
[0008]參照這里的附圖，相同的標號表示遍及不同視圖的相同的元件。
[0009]圖1顯示了根據本發明的一個示例性實施例的飛機系統5。示例性飛機系統5具有機身6和連接在機身上的機翼7。飛機系統5具有推進系統100，其產生了飛行中推進飛機系統所需要的推力。雖然在圖1中顯示推進系統100連接在機翼7上，但是在其它實施例中，其可聯接在飛機系統5的其它部件，例如尾部部分16上。
[0010]示例性飛機系統5具有燃料存儲系統10，其用于儲存一種或多種類型的燃料，該燃料用于推進系統100中。圖1中所示的示例性飛機系統5使用兩種類型的燃料，這將在下面進行進一步地解釋。因此，示例性飛機系統5包括能夠儲存第一燃料11的第一燃料箱21和能夠儲存第二燃料12的第二燃料箱22。在圖1所示的示例性飛機系統5中，至少第一燃料箱21的一部分定位在飛機系統5的機翼7中。在圖1所示的示例性實施例中，第二燃料箱22定位在飛機系統的機身6中，靠近機翼聯接機身的位置。在備選實施例中，第二燃料箱22可定位在機身6或機翼7中的其它合適的位置。在其它實施例中，飛機系統5可包括能夠儲存第二燃料12的可選的第三燃料箱123。可選的第三燃料箱123可定位在飛機系統的機身的后部部分中，例如圖1中示意性地所示。
[0011]如本文后面進一步所述，圖1中所示的推進系統100是一種雙燃料推進系統，其能夠通過利用第一燃料11或第二燃料12，或者利用第一燃料11和第二燃料12而產生推力。示例性雙燃料推進系統100包括燃氣渦輪發動機101，其能夠選擇性地利用第一燃料11或第二燃料21，或者在選定的比例下利用第一燃料和第二燃料而產生推力。第一燃料可為傳統的液體燃料，例如基于煤油的噴氣燃料，例如本領域中已知的Jet-A、JP-8或JP-5或其它已知的類型或級別。在這里所述的示例性實施例中，第二燃料12是低溫燃料，其儲存在非常低的溫度下。在這里所述的一個實施例中，低溫的第二燃料12是液化天然氣(或者這里被稱為“LNG”)。低溫的第二燃料12儲存在低溫的燃料箱中。例如，液化天然氣在大約15psia絕對壓力下在大約-265 °F下儲存在第二燃料箱22中。燃料箱可由已知的材料，例如鈦、因科鎳合金、鋁或復合材料制成。
[0012]圖1中所示的示例性飛機系統5包括燃料傳送系統50，其能夠將燃料從燃料存儲系統10傳送給推進系統100。已知的燃料傳送系統可用于傳送傳統的液體燃料，例如第一燃料11。在這里所述且圖1和圖2所示的示例性實施例中，燃料傳送系統50配置為通過運輸低溫燃料的管道54將低溫液體燃料，例如液化天然氣傳送給推進系統100。為了在傳送期間基本保持低溫燃料的液體狀態，至少燃料傳送系統50的管道54的一部分被隔熱，并且配置為用于運輸加壓的低溫液體燃料。在某些示例性實施例中，至少管道54的一部分具有雙壁結構。管道可由已知的材料，例如鈦、因科鎳合金、鋁或復合材料制成。
[0013]圖1中所示的飛機系統5的示例性實施例還包括燃料電池系統400，其包括能夠利用至少第一燃料11或第二燃料12中的一種燃料而產生電功率的燃料電池。燃料傳送系統50能夠將燃料從燃料存儲系統10傳送給燃料電池系統400。在示例性實施例中，燃料電池系統400利用雙燃料推進系統100所使用的一部分低溫燃料12來發電。
[0014]推進系統100包括燃氣渦輪發動機101，其通過在燃燒器中燃燒燃料而產生推力。圖4是示例性燃氣渦輪發動機101的示意圖，其包括風扇103和核心發動機108，其具有高壓壓縮機105和燃燒器90。發動機101還包括高壓蒸汽渦輪155、低壓蒸汽渦輪157和增壓器104。示例性燃氣渦輪發動機101具有風扇103，其產生至少一部分推力。發動機101具有進氣側109和排氣側110。風扇103和渦輪157通過第一轉子軸114而聯接在一起，并且壓縮機105和渦輪155通過第二轉子軸115而聯接在一起。在某些應用中，例如圖4中所示，風扇103的葉片組件至少部分地定位在發動機殼體116中。在其它應用中，風扇103可形成“開放轉子”的一部分，在這種情況下沒有殼體包圍風扇葉片組件。
[0015]在操作期間，空氣在與穿過發動機101的中心軸線15基本平行的方向上沿軸向流過風扇103，并且將壓縮空氣供給高壓壓縮機105。高度壓縮的空氣輸送至燃燒器90中。來自燃燒器90的熱氣體(圖4中未顯示)驅動渦輪155和157。渦輪157通過軸114驅動風扇103，并且類似地，渦輪155通過軸115驅動壓縮機105。在備選實施例中，發動機101可具有額外的壓縮機，有時在本領域中被稱為中壓壓縮機，其被另一渦輪級(圖4中未顯示)驅動。
[0016]在飛機系統5的操作期間(參見圖7中所示的示例性飛行分布)，燃氣渦輪發動機101在推進系統100中可在推進系統的第一選定操作部分期間使用例如第一燃料11，例如在起飛期間。推進系統100可在推進系統的第二選定操作部分期間例如在巡航期間使用第二燃料12，例如LNG。或者，在飛機系統5的選定的操作部分期間，燃氣渦輪發動機101能夠同時利用第一燃料11和第二燃料12而產生推力。第一燃料和第二燃料的比例可在推進系統的各種操作階段，在0%至100%之間根據情形而變化。
[0017]這里所述的飛機和發動機系統能夠利用兩種燃料進行操作，其中之一可為低溫燃料，例如液化天然氣(LNG)，另外一種是傳統的基于煤油的噴氣燃料，例如Jet-A、JP-8、JP-5或全世界可獲得相似級別的燃料。
[0018]Jet-A燃料系統類似于傳統的飛機燃料系統，除了燃料噴嘴之外，燃料噴嘴能夠按0-100%的比例對燃燒器點燃Jet-A和低溫/LNG。在圖1所示的實施例中，LNG系統包括燃料箱，其可選地包含以下特征:(i)排氣線路，其具有合適的止回閥，以保持箱中規定的壓力；(ii)用于液體低溫燃料的排泄線路；(iii)評估存在于箱中的低溫(LNG)燃料的溫度、壓力和體積的計量能力或其它測量能力；(iv)定位在低溫(LNG)箱中或可選地定位在箱外部的增壓栗，其增加了低溫(LNG)燃料的壓力，以便將其運輸至發動機；和(iv)可選的低溫冷卻器，以便使箱無限期地保持在低溫溫度下。
[0019]燃料箱將優選在大氣壓下或接近大氣壓下操作，但可在O至10psig的范圍內操作。燃料系統的備選實施例可包括高的箱壓力和溫度。從箱和增壓栗延伸至發動機掛架的低溫(LNG)燃料線路可具有以下特征:(i)單