CN101015753A - 具有非金属燃料板组件的燃料脱氧系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于能量转换装置的燃料系统包括多块非金属燃料板、衬垫、氧可透过膜、多孔基体板和真空框板。复杂的三维燃料通道结构如位于所述燃料通道内的层流冲击元件大大增加了FSU中的氧扩散率。所述燃料板由相对较软的非金属材料制成。由于可在所述板上施加压缩而不会损伤所述相对精密的氧可透过膜，因此所述非金属燃料板和衬垫布置在所述燃料板与氧可透过膜之间提供了有效的密封界面。
Description
技术领域
本发明涉及通过脱氧使燃料稳定，且特别是，涉及一种用于燃料稳定单元的燃料板组件。
背景技术
燃料通常在飞行器中用作各种飞行器系统中的冷却剂。由于氧支持氧化反应的进行从而产生了不希望的副产物，因此烃喷气燃料中存在的溶解氧可能是有害的。空气在喷气燃料中的溶解导致产生约70ppm的氧浓度。当燃料被加热至300与850之间时，氧使得燃料开始进行自由基反应，从而导致产生通常被称作“焦炭”或“结焦”的沉积物。焦炭对燃料管线可能是有害的且可能会阻碍燃料的传输。这些沉积物的形成可能损害燃料系统或相对于预期的热交换功能或相对于燃料的高效喷射而言的正常运行。
多种常规的燃料脱氧技术当前被用于对燃料进行脱氧。通常，将氧浓度降低至6ppm或更低足以克服结焦问题。
用于飞行器燃料系统中的一种常规的燃料稳定单元(FSU)通过在氧可透过膜上产生氧分压梯度而从喷气燃料中去除氧。FSU包括在外部壳体内夹有可透过膜和多孔基体板的多块燃料板。每块燃料板限定出一部分燃料通路且由多孔板支承的可透过膜限定出燃料通路的其余部分。所述可透过膜包括与所述燃料通路内的燃料接触以防止液体燃料本体迁移通过可透过膜和多孔板的Teflon AF或其它类型的无定形玻璃态聚合物涂层。
利用多块具有相似构造的平板提高了制造效率且降低了总成本。进一步地，FSU的尺寸和重量被大大降低且同时提高了从燃料中去除溶解氧的能力。此外，与以前的管形设计相比，平面设计易于实现规模化生产。
不利的是，平面燃料板通常是加工起来相对困难、耗时且昂贵的不锈钢，而氧可透过膜是可能缺乏机械整体性的相对精密的薄(～2-5微米)膜。金属燃料板与氧可透过膜之间的接触可能导致损伤可透过膜，这使得需要小心地进行制造和组装以避免多块板之间出现泄漏。
板之间的密封不良或受到损伤的可透过膜可能允许产生流间泄漏(inter-stream leakage)，这可能大大降低FSU的性能。密封燃料板之间的界面、密封燃料板与氧可透过膜之间的燃料通道、以及为防止出现泄漏到环境中的潜在可能而密封真空路径对于FSU的有效操作而言是关键的。此外，为了增加氧扩散率并提高燃料脱氧器的性能，燃料板包括相对复杂的三维燃料通道结构，所述结构使密封和制造进一步复杂化。
尽管存在用于生产相对复杂的三维燃料通道结构和高精度FSU密封衬垫的有效制造技术，但这些常规技术过度耗时且昂贵。
因此，所希望的是提供一种用于脱氧系统的有效的相对便宜且简单的燃料板和密封衬垫布置，从而有利于制造复杂的三维燃料通道结构以增加燃料和脱氧。
发明内容
根据本发明的用于能量转换装置的燃料系统包括脱氧器系统，所述脱氧器系统包括多块非金属燃料板、衬垫、氧可透过膜、多孔基体板、环氧膜粘结剂、液体环氧材料和真空框板。所述脱氧器系统是一种对燃料进行脱氧以用于飞行器的热管理应用中的在线燃料稳定单元(FSU)。燃料板是FSU的重要元件。复杂的三维燃料通道结构如位于所述燃料通道内的层流冲击元件大大增加了FSU中的氧扩散率。所述燃料板由相对较软的非金属材料，如多种塑料或KAPTON制成。对非金属材料使用激光切割技术允许以成本有效的方式制造出以前对于金属燃料板而言无法得到的具有复杂的三维燃料通道结构的面积相对较大的燃料板。
由于可在所述板上施加压缩而不会损伤所述相对精密的氧可透过膜，因此所述非金属燃料板有利地在所述燃料板与氧可透过膜之间提供了有效的密封界面。所述非金属燃料板允许提供用于制造所述复杂的三维燃料通道结构和相应的复杂的密封衬垫的技术，所述密封衬垫密封且软化所述燃料板、所述氧可透过膜以及所述非金属燃料板之间的接触，且允许在所述燃料通道内进行密封。
因此，本发明提供了一种用于脱氧系统的有效的相对便宜且简单的燃料板和密封衬垫布置，从而有利于制造复杂的三维燃料通道结构以增加燃料紊流和脱氧。
附图说明
通过对目前优选实施例的下列详细描述，本领域的技术人员将易于理解本发明的多个特征和优点。与详细描述相关的附图可简要描述如下：
图1是根据本发明的使用燃料脱氧器的能量转换装置(ECD)和相关联的燃料系统的总示意框图；
图2A是本发明的燃料脱氧器的透视图；
图2B是本发明的燃料脱氧器的分解视图；
图2C是脱氧器系统的截面透视图和放大视图；
图2D是燃料脱氧器的衬垫的平面视图；
图2E是燃料脱氧器的放大剖视图；
图3是流动通道的放大剖视示意图；
图4A是燃料脱氧器中的燃料板的平面放大视图；
图4B是图4A所示的燃料板的放大底视图；
图4C是沟槽和直立构件与位于第一燃料板与第二燃料板之间的衬垫的界面的放大透视图；
图4D是燃料板的平面放大视图，图中示出了燃料衬垫的位置；
图4E是燃料板的平面放大视图，图中示出了真空衬垫的位置；
图4F是多块燃料板的放大透视图，图中示出了燃料孔口和真空孔口的位置；
图4G是沿燃料脱氧器的短轴截取的放大剖视图，图中示出了板间真空孔口；和
图4H是沿燃料脱氧器的长轴截取的放大剖视图，图中示出了板间燃料连通。
具体实施方式
图1示出了用于能量转换装置(ECD)12的燃料系统10的总示意图。脱氧器系统14接收来自贮存装置16如燃料罐的液体燃料F。燃料F通常是液态烃如喷气燃料。ECD 12可以多种形式存在，其中如果在液态烃中存在达任何明显量的溶解氧的话，那么液态烃在最终用作润滑剂、或用于进行处理、用于进行燃烧、或用于进行一些形式的能量释放之前的一些位置处获得了足够多的热量以支持进行自氧化反应和结焦过程。
ECD 12的一种形式是燃气轮机引擎，且具体而言为飞行器中的这种引擎。通常，燃料还用作飞行器中的一个或多个子系统的冷却剂且当其在就要进行燃烧之前被输送至燃料喷射器时受到加热。
热交换部段18代表燃料以热交换关系通过其中的系统。应该理解，热交换部段18可与ECD 12直接相关联和/或被分布在更大的系统10中的其它位置处。另一种可选方式是或此外，热交换系统18可包括分布在整个系统中的多个热交换装置。
正如通常理解地，贮存在贮存装置16中的燃料F通常包含溶解氧，所述溶解氧可能具有70ppm的饱和水平。燃料泵20从贮存装置16中抽取燃料F。燃料泵20通过燃料贮存装置的导管22和阀24与贮存装置16连通且被连通至脱氧器系统14的燃料入口26。燃料泵20施加的压力有助于使燃料F循环通过脱氧器系统14和燃料系统10的其它部分。当燃料F通过脱氧器系统14时，氧被选择性地去除并进入真空系统28内。
脱氧的燃料Fd通过脱氧燃料导管32从脱氧系统14的燃料出口30流至热交换系统18且流至ECD 12如燃气轮机引擎的燃料喷射器。如再循环导管33所示，脱氧燃料的一部分可再循环至脱氧系统14和/或贮存装置16。应该理解，尽管所示实施例中披露了一种特定的部件布置，但其它布置也将受益于本发明。
参见图2A，脱氧器系统14优选包括多个真空/燃料流动通道组件34(图2B)。组件34包括位于燃料通道38与可由支承网格形成的氧接收真空通道40之间的氧可透过膜36(图3)。应该理解，所述通道可具有多种形状和布置以提供氧分压差，所述氧分压差保持膜上的氧浓度差以对燃料进行脱氧。
氧可透过膜36允许溶解氧(和其它气体)扩散通过尺寸大小达到埃级的孔隙但排除了更大的燃料分子。另一种可选方式是，或与孔隙结合，可透过膜36利用溶解扩散机理使氧(和/或其它气体)溶解且扩散通过膜，同时排除了燃料。Teflon AF族和Hyflon AD族被证实提供了有效的燃料脱氧结果，Teflon AF是全氟-2，2-二甲基-1，3-间二氧杂环戊烯(PDD)的无定形共聚物，所述无定形聚合物通常被标称为注册给E.I.DuPont de Nemours of Wilmington，Del.，USA的商标名“Teflon AF”，Hyflon AD是注册给Solvay Solexis，Milan，Italy的2，2，4-三氟-5-三氟甲氧基-1，3-间二氧杂环戊烯(TDD)的共聚物。
流动通过燃料通道38的燃料与氧可透过膜36接触。真空在燃料通道38的内壁与氧可透过膜36之间形成了氧分压差，所述氧分压差导致溶解在燃料内的氧进行扩散从而迁移通过支承膜36的多孔支承体42且通过与燃料通道38分开的氧接收通道40而离开脱氧器系统14。为了进一步理解一种基于膜的燃料脱氧器系统及其相关联部件的其它方面，可以关注美国专利No.6,315,815和转让给本发明的受让人的题目为PLANAR MEMBRANE DEOXYGENATOR(平面膜脱氧器)的美国专利申请No.：6,709,492，且所述专利的整体内容在此作为参考被引用。
参见图2B，构成脱氧器系统14的一个流动通道组件34的一组板包括被夹在氧可透过膜36附近的流板组件44，所述氧可透过膜受到多孔支承体42如无纺聚酯的支承(同样如图3所示)。应该理解，尽管图中示意性地示出的多孔基板可呈现多种形式。与一个或多个组件34相邻的是分隔板48。分隔板48防止燃料泄漏穿过由流板组件34限定出的预定燃料通路。无论流动通道组件34的数量有多少，脱氧系统14被界面板46和外部壳体板50a、50b密封住，所述外部壳体板分别包括燃料入口26、真空孔口29和燃料出口30(同样如图2A和图2E所示)。
外部壳体板50a、50b优选通过多个紧固件如螺栓或类似部件被附接在一起以使得流动通道组件34被夹在所述外部壳体板之间。外部壳体板50a、50b优选是相对刚性的部件，所述相对刚性的部件对流动通道组件34进行压缩以使得由此保持板之间的密封。尽管在所示实施例中示出了直线构型，但本领域的技术人员应认识到包括非刚性壳体的其它可选形状、尺寸或构型是适合的且落入本发明的范围内。
每个流板组件44限定了位于入口26与出口30之间的一部分燃料通道38。真空孔口29(图2A)通过流板52、54中的真空孔口29与界面板46和多孔支承体42相连通。真空在每个多孔支承体42内产生分压梯度从而通过氧可透过膜36从燃料通道38中提取出溶解氧。氧随后通过真空孔口29被排出。
流动通道组件34的具体数量由所述应用的特定要求，如燃料类型、燃料温度和引擎的质量流需求决定。进一步地，包含不同量溶解氧的不同燃料可能需要不同的脱氧量以去除所需量的溶解氧。
每个流板组件44限定出位于入口26与出口30(图2A)之间的一条燃料通道38(图3)。优选通过脱氧器系统14内的多个流动通道组件34限定出位于入口26与出口30之间的多条平行的流动通道38。每条燃料通道38的构型优选被限定以使暴露于氧可透过膜36的燃料最大化从而使从燃料中去除的溶解氧的量最大化。燃料通道38优选足够小以使得燃料与氧可透过膜36接触而且足够大以便不限制燃料流。
每个流板组件44包括第一流板52、第二流板54和位于其间的流板衬垫56(图2D还单独示出了所述部件)。应该理解，为清晰起见，所示实施例中披露的流板组件44仅示出了两块流板和一个衬垫，但应该理解，任何数量的板组件可被设置在外部壳体板50a、50b之间。
第一流板52和第二流板54优选由非金属材料，例如热塑性塑料如聚苯硫醚(PPS)，或更优选地填充达20wt％的碳纤维的PPS制成。第一燃料板52和第二燃料板54优选由非金属材料如由E.I.du Pontde Nemours and Company of Delaware USA生产的KAPTON膜制成。应该理解，另一种可选方式是，可使用与燃料相容且导电(以防止积聚静电荷)的其它塑料以及经过机加工而不是模制成型的材料。
第一流板52和第二流板54包括氧传输得到增强的流冲击元件55(图2C和图3)。当流板52、54被组装在一起时，流冲击元件55彼此交错且交替以提供由具有复杂的二维流特征(图4)的流板52、54限定出的燃料通道38。换句话说，每块流板52、54上的流冲击元件55在其各自的流板52、54的平面表面上进行延伸。当流板52、54与衬垫56组装在一起以形成流板组件44时，流冲击元件55形成完整的燃料通道38，其中流冲击元件55从相邻的流板52、54延伸出来(图3)。
流冲击元件55增强了氧从本体流向膜表面的传输，而非金属材料使重量和要不然可能损伤氧可透过膜36的尖锐边缘最小化。脱氧器系统14的流冲击元件55增强了燃料流与复合氧可透过膜36之间的接触从而增强了溶解氧的质量传输。
流动通过燃料通道38的燃料与氧可透过膜36接触。真空在燃料通道38的内壁与复合氧可透过膜36之间产生氧分压差，所述氧分压差导致溶解在燃料内的氧进行扩散从而迁移通过支承膜36的多孔支承体42且通过与燃料通道38分开的氧接收通道40而离开脱氧器系统14。为了进一步理解一种基于膜的燃料脱氧器系统及其相关联部件的其它方面，可以关注题目为MEMBRANE BASED FUEL DEOXYGENATOR(基于膜的燃料脱氧器)的美国专利No.6,315,815；题目为SYSTEM ANDMETHOD FOR THERMAL MANAGEMENT(热管理的系统和方法)的美国专利No.6,939,392和转让给本发明的受让人的题目为PLANAR MEMBRANEDEOXYGENATOR(平面膜脱氧器)的美国专利No.6,709,492，且所述专利的整体内容在此作为参考被引用。
第一燃料板52与第二燃料板54包括形成脊部的流冲击元件55(图2)，所述脊部通过燃料搅动而增大了氧扩散率。
参见图4A和图4B，每块燃料板52、54包括在一侧52a、54a上的对燃料流进行密封的沟槽58和在相对侧52b、54b上的直立脊部构件60。沟槽58接收燃料板衬垫56以对燃料板组件44进行密封(图4C)。应该理解，除了衬垫56以外(图3D)，另一种可选方式是或此外，可利用其它密封材料如粘结剂膜和环氧液体。沟槽58和直立脊部构件60优选在可能成为燃料泄漏路径的位置处被限定在燃料板52、54周围(图4D)。沟槽58和直立脊部构件60优选直接相对以使得燃料板52、54的材料厚度始终相等。即，沟槽58延伸进入燃料板52、54的平面表面52a、54a内的深度大体上等于直立脊部构件60从燃料板52、54的平面表面52b、54b延伸出来的深度。
每块燃料板52、54进一步包括在一侧52a、54a上的对真空通道进行密封的沟槽62(图4E)和在相对侧52b、54b上的接收燃料板真空衬垫66(图4C)的直立脊部构件64，从而以与沟槽58和直立脊部构件60相似的方式对燃料板组件44进行密封。沟槽62和直立脊部构件64优选在可能成为真空泄漏路径的位置处被限定在燃料板52、54周围(图4E)。应该理解，尽管在所披露的实施例中仅示出了燃料板52、54，但每块板优选包括沟槽-衬垫-直立脊部构件界面以确保密封且在相邻板的组装过程中提供对准和互锁。在多块燃料板组件44之间提供连通(图3C)的真空孔口29以及燃料入口26和燃料出口29分别位于脱氧器系统14(图4F)的长侧(图4G)和短侧(图4H)上。
激光切割是制造高精确密封衬垫和燃料板52、54的一种优选技术。优选通过计算机控制的高容差激光器如CO2激光器以及所需的密封衬垫和燃料板构型的CAD设计文件对KAPTON或其它这种类似的非金属材料进行切割。对激光器进行编程以沿循切割密封衬垫和燃料板的燃料通道形状的图案。可在分级或分层的材料中实施激光切割，所述分级或分层的材料随后可被组装在一起，或可在单次操作过程中实施切割以提供完整的燃料板，例如燃料板52、54被形成单块板。激光切割为大批量生产高容差密封衬垫和燃料板提供了成本有效的制造技术。激光切割出的高容差密封衬垫，具体而言由橡胶型密封材料制成的高容差密封衬垫，提供了无泄漏组件。利用激光切割技术制造高容差密封衬垫和相邻燃料板的优点尤其与多层FSU组件(图3A)相关。
正如通常理解地，水喷射切割是制造根据本发明的高精度FSU密封件和燃料板的另一种有效的技术。水喷射切割具有绝对的可重复性且不会影响材料性质或温度。
正如通常理解地，电火花放电加工(EDM)是制造根据本发明的高精度FSU密封件和燃料板的又一种有效的技术。EDM制造工艺在经济上易于承受且当需要低成本或高准确性时，这种工艺是一种非常有希望的制造工艺。
尽管图示、描述且要求保护特定的步骤工序，但应该理解所述步骤可通过所说明方式以外的其它方式以任何顺序单独或组合地进行实施，且仍将受益于本发明。
前面进行的描述是示例性的而不受到其中的限制。根据上面的教导可对本发明作出多种变型和改变。尽管已经披露了本发明的优选实施例，然而本领域的技术人员应该认识到，某些变型将落入本发明的范围内。因此应该理解，在所附权利要求书的范围内，可以除了特定描述以外的其它方式实践本发明。为此，应该对下面的权利要求书进行研究以确定本发明的真实范围和内容。
Claims (14)
1、一种用于脱氧器系统的燃料板组件，所述燃料板组件包括：
限定出燃料通道的第一部分的第一非金属燃料板；
限定出所述燃料通道的第二部分的第二非金属燃料板；和
安装在所述第一非金属燃料板与所述第二非金属燃料板之间的衬垫。
2、根据权利要求1所述的燃料板组件，其中所述第一非金属燃料板限定出至少部分地在所述燃料通道的所述第一部分内形成的多个层流冲击元件。
3、根据权利要求2所述的燃料板组件，其中所述多个层流冲击元件至少部分地在由所述第一非金属燃料板限定出的表面上进行延伸。
4、根据权利要求2所述的燃料板组件，其中所述第二非金属燃料板限定出至少部分地在与位于所述燃料通道的所述第一部分内的所述多个层流冲击元件彼此交错的所述第二多个层流冲击元件内形成的第二多个层流冲击元件。
5、根据权利要求1所述的燃料板组件，其中所述第一非金属燃料板和所述第二非金属燃料板由Kapton制成。
6、根据权利要求1所述的燃料板组件，其中所述第一非金属燃料板和所述第二非金属燃料板是相同的。
7、根据权利要求1所述的燃料板组件，其中所述第一非金属燃料板和所述第二非金属燃料板包括在一侧上的沟槽和在相对侧上的直立脊部构件。
8、根据权利要求1所述的燃料板组件，其中所述第一非金属燃料板包括接收所述衬垫的沟槽且所述第二非金属燃料板包括装配在所述沟槽内且接触所述衬垫的直立脊部构件。
9、一种脱氧器系统，所述脱氧器系统包括：
第一非金属燃料板，所述第一非金属燃料板限定出在燃料通道的第一部分内形成的第一多个层流冲击元件和在所述第一非金属燃料板内形成的沟槽；
第二非金属燃料板，所述第二非金属燃料板限定出在所述燃料通道的第二部分内形成的第二多个层流冲击元件和直立脊部构件，所述第二多个层流冲击元件与所述第一多个层流冲击元件彼此交错；
安装在所述沟槽内的衬垫，所述直立脊部构件可被接收在所述沟槽内以接触所述衬垫且对所述燃料通道的所述第一部分以及所述燃料通道的所述第二部分进行密封；
氧接收通道；和
与所述燃料通道和所述氧接收通道连通的氧可透过膜。
10、根据权利要求9所述的脱氧器系统，其中所述第一非金属燃料板和所述第二非金属燃料板由Kapton制成。
11、根据权利要求9所述的脱氧器系统，其中所述第一多个层流冲击元件和所述第二多个层流冲击元件是激光切割成的。
12、根据权利要求9所述的脱氧器系统，其中所述第一多个层流冲击元件和所述第二多个层流冲击元件是水喷射切割成的。
13、根据权利要求9所述的脱氧器系统，其中所述第一多个层流冲击元件和所述第二多个层流冲击元件是通过电火花放电加工制成的。
14、根据权利要求9所述的脱氧器系统，进一步包括对所述第一非金属燃料板、所述第二非金属燃料板、所述衬垫和所述氧可透过膜进行压缩的第一外部壳体板和第二外部壳体板。
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