CN106166404A - 飞行器燃料系统 - Google Patents

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CN106166404A CN201610341626.8A CN201610341626A CN106166404A CN 106166404 A CN106166404 A CN 106166404A CN 201610341626 A CN201610341626 A CN 201610341626A CN 106166404 A CN106166404 A CN 106166404A
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Abstract

本发明提供了一种飞行器燃料系统，该飞行器燃料系统包括燃料箱和旋风分离器。该旋风分离器包括分离室、与燃料箱和分离室流体连通的入口、与分离室流体连通的燃料出口、以及水出口。该旋风分离器适于从水出口排放水以及从燃料出口排放密度相对较低的液态燃料，并且其中，该旋风分离器还包括由透水性材料形成的渗透构件，该渗透构件使分离室中的水能够流动通过透水性材料并且流出水出口，但基本上阻止分离室中的液态燃料流动通过透水性材料并且流出水出口。

Description

飞行器燃料系统
技术领域
本发明涉及包括旋风分离器的飞行器燃料系统。
背景技术
US 2012/0000864中描述了已知的旋风分离器。该旋风分离器具有通过流体的方式连接至燃料箱的入口、通过流体的方式连接至发动机燃料供给系统的水出口、以及燃料出口。该旋风分离器适于从水出口排放密度相对较大的材料(包括水)以及从燃料出口排放密度相对较小的材料。
这种已知的旋风分离器的问题在于，尽管整个旋风作用使水旋转出来至分离器壁，但流体动力会将水与壁剪断并且由于紊流的作用而会将水带回至主体(bulk)流体，由此降低了分离的效率。
2012年1月27日出版的《Science》第335卷第6067期第442-444页刊登的DOI(数字对象标识符)为10.1126/science.1211694的R.R Nair等人的“Unimpeded Permeation ofWater Through Helium-Leak–Tight Graphene-Based Membranes”(下文称为“Nair等人”)证明由氧化石墨烯制成的亚微米厚的膜对液体、蒸气以及气体(包括氦气)能够完全不可渗透，但这些膜允许水畅通无阻地渗透。
WO 2014/174247描述了一种储箱组件，该储箱组件具有用于存储液态烃的储箱，该储箱具有用于支承一定重量的液态烃的底板。该储箱的底板配装有过滤器。该过滤器设置成允许储箱中的液态水经由过滤器而排出储箱但基本上阻止储箱中的液态烃经由过滤器而排出储箱。该过滤器具有渗透构件，比如膜，其由允许储箱中的液态水通过渗透穿过渗透构件而排出储箱但基本上阻止储箱中的液态烃通过渗透穿过渗透构件而排出储箱的诸如氧化石墨烯之类的材料形成。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种飞行器燃料系统，该飞行器燃料系统包括燃料箱和旋风分离器，该旋风分离器包括分离室、与燃料箱和分离室流体连通的入口、与分离室流体连通的燃料出口、以及水出口，其中，旋风分离器适于从水出口排放水以及从燃料出口排放密度相对较小的液态燃料，并且其中，旋风分离器还包括由透水性材料形成的渗透构件，该渗透构件使分离室中的水能够流动通过透水性材料并且流出水出口，但基本上阻止分离室中的液态燃料流动通过透水性材料并且流出水出口。
用于将固体与液体分离或者用以分离(或至少凝聚)不同密度的液体的旋风分离器还已知为水力旋风器或水力旋流器。
在运行时，燃料中自然出现的并且密度比燃料的密度大的水被旋风分离器分离出来并且可选地被供给至发动机以被耗尽。离开旋风分离器的燃料出口的密度较低的净化的燃料优选地被供给回到燃料箱中。通过将水从燃料箱中去除而不是仅仅将凝聚物散回到燃料箱中，并且即使在温度低的情况下，可以将燃料箱中的水的浓度保持在低浓度，并且可以防止与燃料箱内的水冷凝相关联的问题。
可选地，该旋风分离器包括限定分离室的壁，其中，所述壁围绕居中设置的纵向轴线对称地延伸；渗透构件形成所述壁的至少一部分；并且渗透构件也围绕居中设置的纵向轴线对称地延伸。替代性地，可以以非对称的方式设置渗透构件——例如仅在分离室的一侧上设置渗透构件，或者可以将渗透构件设置在轴线上。
典型地，分离室被包括渗透构件的壁限定；旋风分离器还包括围绕内壁的外壁、以及位于内壁与外壁之间的腔；并且水出口与腔流体连通，其中，旋风分离器适于使水经由腔而从水出口排放以及从燃料出口排放密度相对较小的液态燃料，并且渗透构件使分离室中的水能够流动通过透水性材料而进入到腔中，但基本上阻止旋风分离器中的液态燃料流动通过透水性材料而进入到腔中。
内壁能够阻止或至少抑制上面就US 2012/0000864所描述的流体动力，使得水不会被卷吸回到主体流体中。此外，内壁可以使外壁的直径变得更小，这是因为透水性材料会具有水分离的效果，而这能够补充旋风作用的效果。
可选地，外壁的内表面包括疏水性涂层。该涂层可以是油漆或其它涂层材料。
透水性材料可以包括氧化石墨烯(典型地为层状结构的氧化石墨烯晶粒)、具有纳米孔阵列的结构、竖向对齐的中空的纳米管(比如碳纳米管)阵列、或者使水能够流动通过但基本上阻止液态燃料流动通过的任何其它适合的材料。
典型地，液态燃料为液态烃燃料，比如汽油或煤油。
来自水出口的水可以被供给至发动机供给系统中。替代性地，来自水出口的水可以被排出至大气或收集容器。
可选地，多孔支承结构对渗透构件进行支承。
可选地，内壁、外壁和腔各自具有呈截头锥状形状的部分。
可选地，旋风分离器的燃料出口与燃料箱流体连通。
就飞行器燃料系统而言，在飞行的巡航部分期间会遇到燃料箱内的最低温度，因此旋风分离器优选地在巡航期间运行，以便在最可能出现凝聚的情况下去除水。尽管旋风分离器优选地在巡航期间运行，但旋风分离器可以在飞行的任何阶段(滑行、起飞、巡航或着陆)期间运行。例如，在飞行的早期阶段(滑行和起飞)期间，水可以通过射流泵被从燃料箱的储槽引入到引入管线中并且可以与动力流一起被排放至旋风分离器。
该旋风分离器的入口优选地连接至下述的燃料供给管线：其中，该燃料供给管线适于卷吸来自燃料箱的其中水或冰——优选地仍处于悬浮状态——趋于积聚的区域的燃料和水或冰的混合物。当燃料在燃料供给管线中流动时，混合物被卷吸到流中。供给管线可以包括多孔表面，混合物流动通过该多孔表面而开始被卷吸在燃料流中。多孔表面可以是格栅、网状物或燃料供给管线的壁中的一系列穿孔。
燃料供给管线优选地连接至燃料泵或者形成用于输送燃料的加压系统的一部分。所述泵可以是射流泵或类似物。
发动机燃料供给系统优选地适于卷吸来自燃料箱的燃料。为了降低供给至发动机的水的浓度，来自水出口的水在被供给至发动机之前可以与来自燃料箱的燃料相混合。可以控制供给至发动机的水的浓度使得其不会超过发动机制造商建议的极限值。
可以改装该旋风分离器以适应现有的燃料系统。
本发明的第二方面提供了一种燃料系统，该燃料系统包括燃料箱、设置成将来自燃料箱的液态燃料供给到发动机中的发动机供给系统、以及旋风分离器，该旋风分离器包括分离室、与燃料箱和分离室流体连通的入口、与分离室流体连通的燃料出口、以及水出口，其中，该旋风分离器适于从水出口排放水以及从燃料出口排放密度相对较小的液态燃料，并且其中，该旋风分离器还包括由透水性材料形成的渗透构件，该渗透构件使分离室中的水能够流动通过透水性材料并且流出水出口，但基本上阻止分离室中的液态燃料流动通过透水性材料并且流出水出口，其中，该旋风分离器的水出口与发动机供给系统流体连通。本发明的第二方面的燃料系统可以是飞行器燃料系统、另外的交通工具的燃料系统、或者具有向发动机供给燃料的发动机供给系统的任何其它燃料系统。替代性地，燃料系统可以是燃料存储仓或没有发动机的其它燃料系统。
本发明的另外的方面提供了一种旋风分离器，该旋风分离器包括分离室、与分离室流体连通的入口、与分离室流体连通的燃料出口、以及水出口，其中，该旋风分离器适于从水出口排放水以及从燃料出口排放密度相对较小的液态燃料，并且其中，该旋风分离器还包括由透水性材料形成的渗透构件，该渗透构件使分离室中的水能够流动通过透水性材料并且流出水出口，但基本上阻止分离室中的液态燃料流动通过透水性材料并且流出水出口，其中，透水性材料包括氧化石墨烯。
附图说明
现将参照附图对本发明的实施方式进行描述，其中，在附图中：
图1示意性地示出了旋风分离器；
图1a示出了旋风分离器的内壁的支承结构的一部分；
图2a示意性地示出了旋风分离器的俯视图；
图2b示意性地示出了在运行期间旋风分离器内的流的3D视图；
图3示意性地示出了包括图1的旋风分离器的燃料系统；
图4示意性地示出了图3的燃料系统中的旋风分离器的入口上游处的流布置的细节；
图5示意性地示出了用以替代图4中示出的流布置的图3的燃料系统中的旋风分离器的入口上游处的替代性流布置；
图6示意性地示出了图3的燃料系统中的旋风分离器的水出口下游处的流布置的细节；
图7示意性地示出了用以替代图6中示出的流布置的图3的燃料系统中的旋风分离器的水出口下游处的替代性流布置；
图8示出了图3的燃料系统的总体布置的框图；
图9示出了图3的燃料系统的总体布置的框图，该框图的控制原理是图8中示出的框图的控制原理的替代性方案；
图10示意性地示出了根据本发明的另外的实施方式的旋风分离器的俯视图；
图11为图10的旋风分离器的侧视图；
图12示出了图10和图11的旋风分离器，其中，旋风分离器的盖处于打开位置；以及
图13为根据本发明的另外的实施方式的旋风分离器的侧视图。
具体实施方式
图1示意性地示出了旋风分离器1，旋风分离器1具有入口2、水出口3和燃料出口4。旋风分离器1具有筒状的上部和锥状的下部。锥状的下部具有锥状的外壁5，该锥状的外壁5具有围绕居中设置的纵向轴线对称地延伸的呈向下变窄的截头锥状形状。旋风分离器1的上端6的直径较大，并且旋风分离器1的上端6设置在直径较小的旋风分离器1的下端7的上方。入口2设置在上端6附近，水出口3设置在下端7附近。管8延伸到旋风分离器1的上部中并且通过流体的方式连接至燃料出口4。
图2a示意性地示出了旋风分离器1的俯视图以示出入口2至旋风分离器1的上端6的布置。图2b示出了在运行期间旋风分离器1内的三维流。
外壁5内侧配装有内壁5a。如同外壁5，内壁5a具有筒状的上部和围绕居中设置的纵向轴线对称地延伸的呈向下变窄的截头锥状形状的锥状下部。内壁的内部限定分离室，并且内壁5a与外壁5之间设置有腔14(图2a中最清楚地示出)。内壁和外壁的嵌套式布置意味着腔14如同内壁和外壁那样也具有筒状的上部和围绕居中设置的纵向轴线对称地延伸的呈向下变窄的截头锥状形状的锥状下部。
内壁5a包括具有孔21的多孔蜂窝状支承结构20(图1a中示意性地示出)和由透水性过滤材料形成的渗透构件(在该情况下为渗透层22)。如图1的放大部分中示出的，渗透层22由支承结构20承载。可选地，层22例如通过粘合剂被结合至支承结构20。如图1中示出的，层22可以配装至支承结构20的内侧，或者层22可以配装在支承结构20的外侧上。替代性地，层22可以被夹置在一对多孔蜂窝状支承结构之间。渗透层22围绕居中设置的纵向轴线对称地延伸。
穿过入口2的液体被切向地引入到分离室的筒状的上部中并且以螺旋路径9(见图1和图2b)向下流动通过朝向分离室的下部10向下延伸时渐缩或变窄的锥状的下部。分离室的下部10被可拆装的(旋入式)塞10a封闭。
由于切向进入和内壁5a的下部的筒状/锥状形状，流被迫使形成螺旋路径9。旋转(螺旋)流产生很高的离心G力，使得悬浮在液体中的密度较大的材料将移动至分离器的锥状的下部的横截面区域内的最外周，而密度较小的材料被留在螺旋流的芯部中。
由于分离室的横截面面积朝向分离器的底部减小，因此过量的流被迫使以紧密的内(芯部)螺旋向上(见图2b)。管8的入口11设置成使得密度相对较小的材料从燃料出口4排放。
通过旋风分离器1的主螺旋流9的总体流动方向以及锥状壳体5、5a的几何形状致使密度相对较大的分子、冰和颗粒材料积聚在分离室的下部区域10中。
透水性渗透层22使水能够流动通过透水性渗透层22而经由支承结构中的孔21进入到腔14中并且随后从水出口3排放，但透水性渗透层22基本上阻止液态燃料、冰或颗粒材料流动通过透水性渗透层22而经由支承结构中的孔21进入到腔14中并且随后从水出口3排放。因而，水出口3通过渗透层22和腔14与分离室间接地流体连通。另一方面，入口2和燃料出口4与分离室直接流体连通。
形成渗透层22的透水性材料可以包括氧化石墨烯(典型地为层状结构的氧化石墨烯晶粒)、具有纳米孔阵列的结构、竖向对齐的中空的纳米管(比如碳纳米管)阵列、或者使水能够流动通过但基本上阻止液态燃料、冰或颗粒材料流动通过的任何其它适合的材料。
图1b为根据一个实施方式的透水性材料22的示意图。该材料包括通过Nair等人中描述的方法而制造而成的层状结构的氧化石墨烯晶粒。
尽管图1示出了竖向定向的旋风分离器1，但本领域技术人员应当理解的是，在空间需求不允许竖向取向的情况下，可以非竖向地定向旋风分离器1。
在运行时，旋风分离器在燃料系统中用于将来自燃料中的大量的悬浮水、冰和颗粒材料与燃料分离或者至少凝聚来自燃料中的大量的悬浮水、冰和颗粒材料。大体积的燃料流被迫使进入到旋风分离器1的入口2中。入口2中的流垂直于壁5、5a的锥状部分的中心轴线。离心力将致使密度较大的冰、水和颗粒材料移动至分离室的外周部分并且随着流沿着螺旋路径9行进而抵靠内壁5a的内表面移动。密度较小的净化的燃料将在中央区域内流通并且将流通到管8的入口11中。管8将净化的燃料传送至燃料出口4。
水流动通过渗透层22的透水性材料并且经由腔14流出水出口3。冰和颗粒材料将积聚在分离室的下部10中。当冰融化时，冰随后将流动通过渗透层22进入到腔14中并且流出水出口3。通过移除塞10a(例如，通过将塞10a旋出螺纹连接)以及将颗粒材料冲洗出分离室，能够定期地去除颗粒材料。
通过旋风分离器1的流的主要的驱动力来自进入入口2的大体积流量流。水出口3可以向提供将流抽吸通过旋风分离器这样的一些效果的静压力相对较低的区域排放。然而，这种效果只是次要的。来自燃料出口4的排出流由旋风分离器1中的流驱动。水出口3和燃料出口4的直径的尺寸设定成使得旋风分离器1具有期望的运行特性。燃料出口4的直径可以大于、小于或者等于水出口3直径。燃料出口4的排出流可以连接至抽吸装置或系统以优化排出流特性。
旋风分离器1具有用以阻止冰粘在外壁5的内表面上的两条防护线。主防护是外壁5的内表面上的疏水性和/或防冰涂层。副防护是通过热交换器(未示出)实现的对外壁的内表面的加热。所施加的热量被优化成使得外壁5的内表面上的任何冰颗粒将在接触位置处融化。应当指出的是，并不意在使螺旋流9中的悬浮的冰颗粒融化。水被疏水性涂层阻止或阻碍而不会粘至外壁的内表面。
图3示出了安装在燃料系统中的旋风分离器1。应当指出的是，为了清楚起见，图3中省去了分离器的内壁5a。燃料系统包括旋风分离器1、具有底板21的燃料箱20、以及消耗燃料的发动机(图3中未示出)。至旋风分离器的入口2的流52由除水射流泵系统30输送。旋风分离器1的燃料出口4使净化的燃料流71返回至燃料箱20的优化区域(典型地为上部区域)。从旋风分离器1的水出口3排放的水流61通过发动机供给系统80被供给至发动机。
下面现将更详细地描述除水射流泵系统30。除水射流泵系统30包括具有泵31的动力流管线34、引入流管线32、射流泵35以及混合流管线36。泵31抽吸来自燃料箱20的流40，并且将动力流管线34中的受压的流41输送至射流泵35。引入流管线32将来自燃料箱20的储槽22的流42输送至射流泵35。射流泵35将来自动力流管线34的流与来自引入流管线32的流相混合，并且将混合流50排放在混合流管线36中。
燃料箱储槽22为燃料箱20的一体部分。燃料箱储槽22位于燃料箱20的最低的位置处。经过一段时间，燃料箱中的任何自由水将如水流24那样向下流动并且积聚在储槽22中。引入流管线32具有喇叭口入口33，喇叭口入口33设置在储槽22附近。
在除水射流泵系统30开始运行时，储槽22中积聚的水的量有限。动力流41引起引入流管线32中的流42。储槽22中的任何自由水将通过卷吸的方式被吸起在从燃料箱20进入喇叭口入口33的流43中。射流泵35将水雾化成流50中的小滴。混合流50通过流布置(下面将参照图4更详细的描述)被输送至旋风分离器入口2。当储槽22中的所有的自由水被消耗完时，引入流管线32将引入来自燃料箱20的燃料，这是因为储槽是燃料箱的一体部分。
参照图4，图4示意性地示出了图3的燃料系统中的旋风分离器1的入口2紧上游处的流布置的细节。混合流管线36承载大体积的混合流50。旋风分离器的入口2具有流管线14，流管线14具有喇叭口形状的入口15，入口15与混合流管线36的出口37分离。当混合流管线36中的流50在混合流管线36的出口37与流管线14的入口15之间流通时，流50卷吸来自燃料箱20内的燃料流51和悬浮在燃料流51中的任何水。
流管线36和流管线14优选地设置在燃料箱20的底部附近，主要是因为发动机供给系统80安装在燃料箱的底部。另外，由于旋风分离器1设计成使净化的燃料流4返回至燃料箱的上部区域，因此在运行一段时间后，旋风分离器1将产生悬浮水浓度分层，使得燃料箱的底部附近的浓度较高。因此，通过将流管线36和流管线14设置在燃料箱的底部附近，具有较高浓度的悬浮水的燃料被卷吸到流管线14中的流52中，使得该系统能够受益于这种分层并且能够以最佳的状况运行。然而，本领域技术人员应当理解的是，流管线36、14不是必须设置在燃料箱的底部处。
燃料和水以及任何冰或其它颗粒材料形成的流52在射流泵35的压力作用下被从流管线36供给到旋风分离器1的入口2中。
现参照图5，图5示意性地示出了可以替代图4中示出的流布置的旋风分离器1的入口2紧上游处的第二、替代性流布置。在第二、替代性流布置中，流管线36和流管线14通过多孔流管线136而被连接，其中，多孔流管线136承载大体积的燃料混合流50，大体积的燃料混合流50可以包含来自除水射流泵系统30的一些悬浮水、冰或其它颗粒材料。当流50穿过多孔流管线136时，流50卷吸来自燃料箱20内的燃料流51和悬浮在燃料流51中的任何水。多孔流管线具有多孔壁，该多孔壁可以包括一系列穿孔，或者可以是网状物，或者类似物。由此形成的流52被排放至旋风分离器1的入口2。出于与就图4中描绘的布置所概述的原因相同的原因，多孔流管线136优选地设置在燃料箱20的底部附近。
回到图3，旋风分离器1的水出口3排放水流61。经由燃料出口4离开旋风分离器1的净化的燃料被供给回到燃料箱中，优选地被供给回至燃料箱的上部区域。这样，与来自燃料箱的进入旋风分离器1的入口2的燃料相比，重新循环回到燃料箱中的燃料具有浓度非常低的水、冰或颗粒材料。
下面现将更详细地描述发动机供给系统80。发动机供给系统80包括发动机供给管线81和发动机供给泵82。发动机供给管线81具有喇叭口入口83，喇叭口入口83设置在燃料箱底板21附近。入口83具有用于过滤掉进入发动机供给管线81的较大的颗粒物质的横跨其嘴部的网状物(未示出)。发动机供给系统80中其它位置处可以设置用于过滤掉精细的颗粒物质的另外的过滤装置。发动机供给泵82将燃料流64引导至燃料系统的发动机。当发动机供给泵82运行时，燃料流62经由入口83被从燃料箱20抽吸到发动机供给管线81中。入口83设置在燃料箱的底部附近是为了将燃料箱中的不能够使用的燃料减至最少。由于来自旋风分离器1的水出口3的流61，悬浮水的浓度将会较高。在运行期间，从旋风分离器1的水出口3排放的水流61被卷吸到发动机供给管线81中用流线63表示的流中。
参照图6，图6示意性地示出了图3的燃料系统的旋风分离器1的水出口3紧下游处的流布置的细节。从旋风分离器1的水出口3流出的水流61在排放管线84中流动。排放管线84具有出口85，出口85定位在燃料箱的底板21附近并且定位在发动机供给管线81的入口83附近。当发动机供给泵82运行时，水流61被卷吸到抽吸到发动机供给管线81的入口83中的燃料流62中。
重要的是，发动机供给管线81中的水的浓度被控制成使得水的浓度不超过发动机制造商所建议的极限值。可以通过适合的阀或其它燃料控制装置来控制发动机供给管线81中的流63中的水的浓度。发动机消耗被供给至发动机的燃料中的水，从而在运行期间水被从燃料箱20中去除。
图7中示意性地示出了位于旋风分离器1的水出口3下游处的发动机供给系统中的第二、替代性流布置。发动机供给系统180与发动机供给系统80相同，不同之处在于，从旋风分离器1的水出口3流出的水流61直接流动到发动机供给管线中。富含水的燃料流61在排放管线184中流动，其中，排放管线184在发动机供给管线181的喇叭口入口183与发动机供给泵(图7中未示出)之间通过流体的方式连接至发动机供给管线181。当发动机供给泵运行时，来自燃料箱底板21的燃料流62在入口183处被抽吸到动机供给管线181中。流61被卷吸到发动机供给管线181中的流62中而形成流63，流63被发动机供给泵泵送至位于更下游处的发动机。发动机消耗流63中的燃料和水。以类似于图6中描绘的流布置的方式，可以通过适合的阀或其它燃料管控装置来控制燃料流63中的水的浓度。
图8是图3中示出的燃料系统的总体布置的框图。用实线示出了流动路径和流部件，用虚线示出了控制链路和控制部件。上面参照图3描述了流动路径和流部件。燃料系统还包括位于发动机供给管线81(或181)中的用以检测至发动机88的发动机供给管线81中的流63中的悬浮水的浓度的传感器86。来自传感器86的信号在控制器87中被处理以控制输送在射流泵35中的动力流41的泵31。
通过对泵31进行控制，可以改变动力流41，并且最终可以改变混合流50。输送至旋风分离器1的流对旋风分离器1的运行特性有两方面的影响。在至入口2的流量较低的情况下，会产生较低的旋转(角)速率，由此产生较低的G-力(离心力)，从而不太能够有效地将密度大的材料从旋风分离器1中分离出来。另外，在流量较低的情况下，通过旋风分离器1的流通过量减小，从而在旋风分离器1的水出口3和燃料出口4这两者处出来的流都很少。这样，能够控制至发动机88的流63中的悬浮水的浓度。
另外，对泵31进行控制会控制引入流42和动力流41在射流泵35中的混合，这能够用于改变供给至旋风分离器1的混合流50中水的浓度。在飞行的早期阶段期间，引入流管线32将引入来自储槽22的水，因此对泵31进行控制主要是控制混合流50中的水的浓度。当储槽22中的水被消耗完并且引入流管线32引入来自燃料箱20的燃料流时，混合流50的水浓度不会随变化的动力流41而改变，这是因为动力流中的水浓度与引入流42中的水浓度相同。
图9是图3中示出的燃料系统的总体布置的框图，该框图的控制原理是图8中示出的框图的控制原理的替代性方案。用实线示出了流动路径和流部件，用虚线示出了控制链路和控制部件。图8的燃料系统与图9的燃料系统之间的不同之处仅在于，图9的燃料系统还包括设置在旋风分离器1的燃料出口4下游处用以将流71中的一些流沿着净化流管线73转送至泵31的阀72。阀72由控制器87基于来自传感器86的信号进行控制，以将流71中的适合量的净化的燃料转送至泵31以被卷吸到供给至射流泵35的动力流74中。射流泵35将混合流75排放至旋风分离器1的入口2。
在这种情况下，控制器87并不影响被输送至旋风分离器1的入口2的流量。因此，旋风分离器1的运行特性(即，通过量和G-力)不会被控制器87改变。通过控制至泵31的净化燃料流73，可以改变动力流74中的水的浓度，并且最终可以改变混合流75中的水的浓度。至泵31的较大的净化燃料流量会降低混合流75中的悬浮水的浓度，并且反之亦然。这样，能够控制至发动机88的流63中的悬浮水的浓度。
US 2012/0000864——其内容通过参引并入本文并且本文将不会对其进行进一步详细的描述——的图10至图12中描述了燃料系统的其它可能的布置。
如下所述，可以改变包括燃料箱、发动机、发动机供给泵和发动机供给管线的现有的燃料系统以适应本发明。燃料箱与发动机供给管线之间需通过流体的方式连接一个或更多个旋风分离器，其中，水出口朝向发动机供给管线排放并且燃料出口向燃料箱回排。
飞行器燃料系统可以包括通过管网被连接的多个燃料箱，并且可以具有一个或更多个发动机供给系统。发动机供给系统可为用于给用于推进和/或用于飞行器设备/系统的一个或更多个发动机提供动力。术语“发动机”指的是消耗燃料的任何装置，即，内燃机、气轮机、燃料电池等。
对于每个发动机供给系统，将会使用至少一个旋风分离器。在一些情况下，将会使用更多个旋风分离器以满足发动机供给系统的燃料需求。通常，这些旋风分离器被并联设置。然而，替代性地，可以级联(串联)设置这些旋风分离器以提高分离效率，其中，位于上游处的旋风分离器的水出口向位于下游处的旋风分离器的入口进行排放。
另外，可以用旋风分离器来降低一个燃料箱中的水浓度，但是会以增大另一燃料箱中的水浓度为代价。可以使用该策略来限制燃料箱中的如下有限个数量的燃料箱(例如，一个或两个燃料箱)中的水，其中，与其它燃料箱相比，所述燃料箱中的用以将水经由储槽中的排水阀进行排放的通路更易接近。
被供给至旋风分离器的燃料箱中的燃料可以包括一些悬浮水滴。另外，来自燃料箱的燃料可以与从燃料箱的底部处的贮槽除去的水相混合，其中，所述水在被供给至旋风分离器之前通过射流泵或类似装置被散布在燃料中。现有的燃料系统可以包括除水射流泵系统，或者在安装旋风分离器时可以安装这种系统。例如可以如图8或图9中示出的那样设置燃料系统。替代性地，燃料系统可以不具有除水射流泵系统，从而旋风分离器设置在加压的燃料系统中。不论在哪种情况下，燃料都被从燃料箱供给至旋风分离器的入口。
旋风分离器的水出口将水排放在发动机供给管线的方向上以使得水被发动机供给泵抽吸并且被供给至发动机。例如可以如图3(图6中为细节)中示出的那样或者如图7中示出的那样设置旋风分离器的水出口之间的流体连接。
燃料系统中安装有用于对供给至旋风分离器的入口的流进行控制的控制系统。该控制系统例如可以如图8或图9中示出的那样。这些布置中的控制系统包括位于发动机供给管线中的传感器、以及根据所述传感器的输出信号对旋风分离器的入口上游处的燃料流进行控制的控制器。
旋风分离器的燃料出口连接成以便将净化的燃料排放至燃料箱(如图8和图9的布置中示出的那样)并且还能够排放至位于旋风分离器的入口上游处的射流泵或加压燃料系统。
应当理解的是，类似地可以使用其它流布置。重要地，必须经由加压系统或射流泵或者类似装置从燃料箱抽吸水的浓度相对较高的大体积的燃料流，并且所述燃料流被供给至旋风分离器的入口。
可以在旋风分离器上游处设置适合的过滤装置以在流进入旋风分离器之前过滤掉较大的颗粒物质。需定期地清洁或更换这种过滤器。旋风分离器用于防止任何残余的颗粒物质在燃料箱中到处重新循环，因为颗粒物质将积聚在旋风分离器的分离室的下部10中而不是从燃料出口4排放。
包括燃料箱、旋风分离器、发动机以及各种供给管线的燃料系统可以是飞行器燃料系统。然而，燃料系统实质上可以位于任何陆上或水上交通工具(比如船只或货车)中。
在上面描述的本发明的实施方式中，水出口3与发动机供给系统流体连通，使得来自分离器的水被供给到发动机中。在替代性实施方式(未示出)中，水出口3可以通向位于燃料箱的低位置处的水槽，而不是将来自分离器的水直接供给到发动机供给系统中。所述水槽包括定期打开以将水排出水槽的排水阀。例如可以在交通工具(比如飞行器)上或者在燃料存储仓中使用这种布置。
图10至图12示意地示出了根据本发明的另一实施方式的旋风分离器。用虚线示出了透水性部件。该分离器具有入口102、水出口103和燃料出口104，入口102、水出口103和燃料出口104均与分离室119或者直接流体连通(在入口102和燃料出口104的情况下)或者间接流体连通(在水出口103的情况下)。该旋风分离器的上部具有锥状壁105a，锥状壁105a限定具有围绕居中设置的纵向轴线对称地延伸的呈向下变窄的截头锥状形状的分离室119。该分离室的底部由旋风分离器的下部105b封闭。下部105b包括壁105c和盖105d，壁105c和盖105d各自具有围绕纵向轴线对称地延伸的呈向下变宽的截头锥状形状。
旋风分离器的下部105b外侧配装有筒状的集水壳体105，并且该筒状的集水壳体105限定集水室114。水出口103与集水室114流体连通。
壁105c和盖105d各自由夹置在一对多孔蜂窝状的支承结构120之间的渗透层122(由透水性材料形成)形成。壁105a具有不透水的实心结构。
该旋风分离器以与上述旋风分离器1相似的方式运行。即，穿过入口102的液体被切向地引入到分离室119中并且以螺旋路径向下流动。悬浮在液体中的密度较大的材料将移动至分离室119的横截面区域内的最外周，而密度较小的材料被留在螺旋流的芯部中。密度较小的材料被从燃料出口104排放。
渗透层122的透水性材料使水能够流动通过渗透层122而经由支承结构120中的孔进入到集水室114中。随后，水被从集水室经由水出口3排放。渗透层122的透水性材料基本上阻止液态燃料、冰或颗粒材料流动进入集水室114中。与前述实施方式一样，透水性材料可以包括氧化石墨烯(典型地为层状结构的氧化石墨烯晶粒)、具有纳米孔阵列的结构、竖向对齐的中空的纳米管(比如碳纳米管)阵列、或者使水能够流动通过但基本上阻止液态燃料、冰或颗粒材料流动通过的任何其它适合的材料。
冰和颗粒材料将积聚在旋风分离器的下部105b中。当冰融化时，冰随后将流动通过透水性材料进入到集水室114中并且流出水出口3。通过将盖105d与壁105c分开(如图12所示)以及将颗粒材料冲洗出室114，能够定期地去除颗粒材料。壁105c配装有密封环118，密封环118与盖105d形成密封。可以手动地移动盖105d，或者盖105d可以承载在如下致动器(未示出)上，所述致动器降低以及升高以使盖105d在其闭合位置(图11)与打开位置(图12)之间移动。
图13示出了替代性实施方式，该实施方式与图10至图12的实施方式相同，不同之处在于，筒状的集水壳体105沿着分离器向上进一步延伸，并且分离室119的下部由呈向下变窄的截头锥状形状的透水性壁105e限定。
尽管上面参照一个或更多个优选实施方式对本发明进行了描述，但应当理解的是，在不脱离如所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可以进行各种改变或修改。

Claims (14)

1.一种飞行器燃料系统，包括燃料箱和旋风分离器，所述旋风分离器包括分离室、与所述燃料箱和所述分离室流体连通的入口、与所述分离室流体连通的燃料出口、以及水出口，其中，所述旋风分离器适于从所述水出口排放水以及从所述燃料出口排放密度相对较低的液态燃料，并且其中，所述旋风分离器还包括由透水性材料形成的渗透构件，所述渗透构件使所述分离室中的水能够流动通过所述透水性材料并且流出所述水出口，但基本上阻止所述分离室中的液态燃料流动通过所述透水性材料并且流出所述水出口。
2.根据权利要求1所述的飞行器燃料系统，包括限定所述分离室的壁，其中，所述壁围绕居中设置的纵向轴线对称地延伸；其中，所述渗透构件形成所述壁的至少一部分；并且所述渗透构件也围绕所述居中设置的纵向轴线对称地延伸。
3.根据权利要求1或2所述的飞行器燃料系统，其中，所述分离室由包括所述渗透构件的壁限定；所述旋风分离器还包括围绕内壁的外壁、以及位于所述内壁与所述外壁之间的腔；并且所述水出口与所述腔流体连通，其中，所述旋风分离器适于使水经由所述腔而从所述水出口排放以及从所述燃料出口排放密度相对较低的液态燃料，并且所述渗透构件使所述分离室中的水能够流动通过所述透水性材料而进入到所述腔中，但基本上阻止所述旋风分离器中的液态燃料流动通过所述透水性材料而进入到所述腔中。
4.根据权利要求3所述的飞行器燃料系统，其中，所述外壁的内表面包括疏水性涂层。
5.根据权利要求3或4所述的飞行器燃料系统，其中，所述内壁、所述外壁和所述腔各自具有呈截头锥形形状的部分。
6.根据任一项前述权利要求所述的飞行器燃料系统，其中，所述透水性材料包括氧化石墨烯。
7.根据任一项前述权利要求所述的飞行器燃料系统，还包括对所述渗透构件进行支承的多孔支承结构，其中，所述多孔支承结构具有孔，所述孔使所述分离室中的水能够流动通过所述孔并且流出所述水出口。
8.根据任一项前述权利要求所述的飞行器燃料系统，还包括发动机供给系统，所述发动机供给系统设置成将来自所述燃料箱的液态燃料供给到发动机中，其中，所述旋风分离器的所述水出口与所述发动机供给系统流体连通。
9.根据任一项前述权利要求所述的飞行器燃料系统，其中，所述旋风分离器的所述燃料出口与所述燃料箱流体连通。
10.根据任一项前述权利要求所述的飞行器燃料系统，其中，所述液态燃料的密度比水小。
11.根据任一项前述权利要求所述的飞行器燃料系统，其中，所述分离室的横截面面积朝向所述分离器的底部减小。
12.根据任一项前述权利要求所述的飞行器燃料系统，其中，所述旋风分离器的所述入口连接至如下燃料供给管线：所述燃料供给管线适于卷吸来自所述燃料箱的其中水或冰趋于积聚的区域中的燃料和水或冰的混合物。
13.根据任一项前述权利要求所述的飞行器燃料系统，其中，所述旋风分离器的所述入口连接至如下燃料供给管线：所述燃料供给管线适于卷吸来自所述燃料箱的储槽的燃料和水或冰的混合物。
14.一种飞行器，所述飞行器包括根据任一项前述权利要求所述的飞行器燃料系统。
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