CN111140365A - 燃料氧减少单元控制系统 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于操作交通工具或交通工具的燃气涡轮发动机的燃料氧减少单元的方法。燃料氧减少单元包括混合器和燃料气体分离器,并且进一步限定与混合器的汽提气体入口和燃料气体分离器的汽提气体出口处于流动连通的汽提气体流径。该方法包括:接收数据,该数据指示通过汽提气体流径的汽提气体流的参数或通过汽提气体流径与汽提气体流处于流动连通的成分的参数;以及基于接收到的指示汽提气体流的参数或与汽提气体流处于流动连通的成分的数据,确定燃料氧减少单元或可与燃料氧减少单元一起操作的构件的可操作性条件。
Description
技术领域
本主题大体上涉及一种用于发动机的燃料氧减少单元及操作其的方法。
背景技术
典型的飞行器推进系统包括一个或多个燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机大体上包括涡轮机,该涡轮机按串流的顺序包括压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。在操作中,空气被提供至压缩机区段的入口,在此一个或多个轴向压缩机逐渐压缩空气直到其到达燃烧区段。燃料在燃烧区段内与压缩空气混合且燃烧,以提供燃烧气体。燃烧气体被从燃烧区段导送到涡轮区段。通过涡轮区段的燃烧气体的流驱动涡轮区段,且然后被导送通过排气区段,例如,至大气。
燃气涡轮发动机和飞行器的某些操作和系统可产生相对大量的热量。燃料已被确定为用以在操作期间接收这些热量中的至少一些的高效散热物,这至少部分地归因于其热容量和在燃烧操作中可由燃烧较高温燃料导致的提高的效率。
然而,在没有适当地调节燃料的情况下加热燃料可致使燃料“结焦”,或形成可堵塞燃料系统的某些构件(如燃料喷嘴)的固体颗粒。减少燃料中的氧的量可有效地降低燃料将结焦超过不可接受的量的可能性。出于这样的目的,已提出了燃料氧减少系统。
在燃料氧减少系统的下游,燃气涡轮发动机可包括一个或多个燃料氧传感器,以确保燃料氧减少系统在期望的水平下操作。然而,本公开的发明人已经发现,在这样的(一个或多个)燃料氧传感器发生故障或以其它方式不提供准确信息的情况下,通过继续将燃料用作散热物,而又没有使此燃料从中移除足够量的氧,则可例如引起对燃气涡轮发动机的损坏。
因此,发明人已经发现,具有用于确定燃料氧减少系统下游的燃料流的氧水平的一个或多个备用系统的燃料氧减少系统将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中得到阐述,或可根据描述而为显而易见的,或可通过实践本发明而习知。
在本公开的一个示例性方面,提供了一种操作用于交通工具或交通工具的燃气涡轮发动机的燃料氧减少单元的方法,该燃料氧减少单元包括混合器(contactor)和燃料气体分离器,并且进一步限定与混合器的汽提(stripping)气体入口和燃料气体分离器的汽提气体出口处于流动连通的汽提气体流径。该方法包括:接收数据,该数据指示通过汽提气体流径的汽提气体流或通过汽提气体流径与汽提气体流处于流动连通的成分的参数;以及基于接收到的指示汽提气体流或与汽提气体流处于流动连通的成分的参数,确定燃料氧减少单元或可与燃料氧减少单元一起操作的构件的可操作性条件。
在某些示例性方面中,接收指示汽提气体流或与汽提气体流处于流动连通的成分的参数的数据包括接收指示通过汽提气体流径的汽提气体流的氧水平的数据。
例如,在某些示例性方面中,接收指示通过汽提气体流径的汽提气体流的氧水平的数据包括利用定位成与汽提气体流径处于流动连通的氧传感器感测指示通过汽提气体流径的汽提气体流的氧水平的数据。
在某些示例性方面中,接收指示汽提气体流或与汽提气体流处于流动连通的成分的参数的数据包括接收指示至汽提气体流径的补充气体流的数据。
例如,在某些示例性方面中,接收指示至汽提气体流径的补充气体流的数据包括利用补充气体传感器感测提供至汽提气体流径的补充气体的量。
在某些示例性方面中,接收指示汽提气体流或与汽提气体流处于流动连通的成分的参数的数据包括接收指示通过汽提气体流径的汽提气体流的压力、通过汽提气体流径的汽提气体流的温度或通过汽提气体流径的汽提气体流的流速中的至少一个的数据。
在某些示例性方面中,接收指示汽提气体流或与汽提气体流处于流动连通的成分的参数的数据包括在沿汽提气体流径的第一位置处接收指示该参数的第一数据集,以及在沿汽提气体流径的第二位置处接收指示该参数的第二数据集。
例如,在某些示例性方面中,燃料氧减少单元包括与汽提气体流径处于流动连通的催化器,并且其中第一位置在催化器的上游,并且其中第二位置在催化器的下游。
例如,在某些示例性方面中,该参数是汽提气体流的温度。
例如,在某些示例性方面中,第一位置在气体增压泵的上游,并且其中第二位置在气体增压泵的下游。
例如,在某些示例性方面中,该参数是汽提气体流的温度、汽提气体流的压力或两者的组合。
在某些示例性方面中,汽提气体流径是从燃料气体分离器的汽提气体出口延伸至混合器的汽提气体入口的循环气体流径,其中燃料氧减少单元包括与循环气体流径处于流动连通的催化器,并且其中该方法还包括:在混合器内将接收的液体燃料的流与通过循环气体流径的汽提气体的流混合以产生燃料/气体混合物;在燃料气体分离器内将燃料/气体混合物分离回成汽提气体的流和液体燃料的流,并将所分离的汽提气体的流提供至循环气体流径;以及利用催化器降低通过汽提气体流径的汽提气体流的氧含量。
例如,在某些示例性方面中,利用催化器降低通过汽提气体流径的汽提气体流的氧含量包括产生副产物,并且其中接收指示汽提气体流或与汽提气体流处于流动连通的成分的参数的数据包括接收指示副产物的数据。
例如,在某些示例性方面中,确定燃料氧减少单元或可与燃料氧减少单元一起操作的构件的可操作性条件包括间接地确定燃料氧减少单元的催化器的健康参数。
在某些示例性方面中,确定燃料氧减少单元或可与燃料氧减少单元一起操作的构件的可操作性条件包括确定来自燃料氧减少单元的脱氧燃料流的氧水平。
在某些示例性方面中,该方法还包括基于所确定的燃料氧减少单元的可操作性条件来控制交通工具或燃气涡轮发动机的操作。
在本公开的示例性实施例中,提供了一种用于交通工具或交通工具的发动机的燃料氧减少单元。燃料氧减少单元包括:混合器,其限定液体燃料入口、汽提气体入口和燃料/气体混合物出口;燃料气体分离器,其限定与混合器的燃料/气体混合物出口、液体燃料出口和汽提气体出口处于流动连通的入口,燃料氧减少单元限定与混合器的汽提气体入口和燃料气体分离器的汽提气体出口处于流动连通的汽提气体流径;以及包括一个或多个处理器和存储器的控制器,存储器存储指令,当该指令由一个或多个处理器执行时,致使控制器执行功能。该功能包括:接收指示通过汽提气体流径的汽提气体流或通过气体流径与汽提气体流处于流动连通的成分的参数的数据;以及基于接收的指示汽提气体流或与汽提气体流处于流动连通的成分的参数的数据,确定燃料氧减少单元或可与燃料氧减少单元一起操作的构件的可操作性条件。
在某些示例性实施例中,燃料氧减少单元还包括传感器,该传感器可操作地联接至循环气体流径,其中接收指示汽提气体流或与汽提气体流处于流动连通的成分的参数的数据包括接收来自传感器的数据。
在某些示例性实施例中,燃料氧减少单元还包括与汽提气体流径处于流动连通的补充气体源,其中接收指示汽提气体流或与汽提气体流处于流动连通的成分的参数的数据包括接收指示从补充气体源到汽提气体流径的补充气体的流的数据。
在某些示例性实施例中,汽提气体流径是从燃料气体分离器的汽提气体出口延伸至混合器的汽提气体入口的循环气体流径,其中燃料氧减少单元包括与循环气体流径处于流动连通的催化器。
本发明的这些及其它特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求书而变得更好理解。结合到本说明书中且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例,且连同描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在参照附图的说明书中阐述了本发明(包括其最佳模式)的针对本领域普通技术人员而言完整且充分的公开,在附图中:
图1是根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性横截面视图。
图2是根据本公开的示例性实施例的燃料氧减少单元的示意图。
图3是根据本公开的示例性方面的用于操作燃料氧减少单元的方法的流程图。
图4是接收指示图3的示例性方法的参数的数据的各个示例性方面的流程图。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的本实施例,其一个或多个实例在附图中被示出。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和说明书中同样或类似的标记用于指代本发明的同样或类似的部分。
如本文使用的,用语“第一”、“第二”和“第三”可能够互换地使用,以将一个构件与另一个构件区分开,且不旨在表示独立构件的位置或重要性。
用语“上游”和“下游”是指相对于流体通路中的流体流的相对方向。例如,“上游”是指流体流自的方向,且“下游”是指流体流至的方向。
用语“联接”、“固定”、“附接到”等是指直接联接、固定或附接,以及通过一个或多个中间构件或特征的间接联接、固定或附接,除非本文另有规定。
单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数引用,除非上下文清楚地另外指出。
如本文在说明书和权利要求书各处使用的近似语言被应用于修饰如下的任何数量表达:在不会导致其涉及的基本功能的变化的情况下可容许改变。因此,由一个或多个用语如“大约”、“近似”和“基本上”修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下,近似语言可对应于用于测量值的仪器的精度,或用于构造或制造构件和/或系统的方法或机器的精度。例如,近似语言可指代处于10%的裕度内。
在此和说明书和权利要求书各处,范围限制被组合和互换,此范围被识别且包括包含在其中的所有子范围,除非上下文或语言另外指示。例如,本文公开的所有范围都包括端点,且端点可与彼此独立地组合。
现在参照附图,其中在所有附图中,相同的数字指示相同的元件,图1提供了根据本公开的示例性实施例的发动机的示意性横截面视图。发动机可结合到交通工具中。例如,发动机可为结合到飞行器中的航空发动机。然而,备选地,发动机可为用于任何其它合适的飞行器的任何其它合适类型的发动机。
对于所描绘的实施例,发动机构造为高旁通涡扇发动机100。如图1所示,涡扇发动机100限定轴向方向A(平行于被提供用于参照的纵向中心线101延伸)、径向方向R和周向方向(围绕轴向方向A延伸;未在图1中描绘)。大体上,涡扇100包括风扇区段102和设置在风扇区段102下游的涡轮机104。
所描绘的示例性涡轮机104大体上包括基本上管状的外壳106,外壳106限定环形入口108。外壳106包围成串流关系的:包括增压或低压(LP)压缩机110和高压(HP)压缩机112的压缩机区段;燃烧区段114;包括高压(HP)涡轮116和低压(LP)涡轮118的涡轮区段;以及喷气排气喷嘴区段120。压缩机区段、燃烧区段114和涡轮区段一起至少部分地限定从环形入口108延伸到喷气喷嘴排气区段120的核心空气流径121。涡扇发动机还包括一个或多个驱动轴。更确切地说,涡扇发动机包括将HP涡轮116传动地连接到HP压缩机112的高压(HP)轴或转轴122,以及将LP涡轮118传动地连接到LP压缩机110的低压(LP)轴或转轴124。
对于所描绘的实施例,风扇区段102包括风扇126,风扇126具有以间隔开的方式联接到盘130的多个风扇叶片128。风扇叶片128和盘130可通过LP轴124一起绕纵向轴线201旋转。盘130由可旋转的前毂132覆盖,前毂132的空气动力学轮廓设计成促进空气流穿过多个风扇叶片128。此外,提供了环形风扇壳或外机舱134,其沿周向包绕风扇126和/或涡轮机104的至少一部分。机舱134可相对于涡轮机104由多个沿周向间隔开的出口导叶136支承。机舱134的下游区段138在涡轮机104的外部上延伸,以便在它们之间限定旁通空气流通路140。
仍参照图1,涡扇发动机100另外包括附件变速箱142、燃料氧减少单元144和燃料输送系统146。对于所示的实施例,附件变速箱142位于涡轮机104的整流罩/外壳106内。另外,将意识到的是,尽管未在图1中示意性地描绘附件变速箱142,但是附件变速箱142可机械地联接至涡轮机104的一个或多个轴或转轴,并且可与一个或多个轴或转轴一起旋转。例如,在至少某些示例性实施例中,附件变速箱142可机械地联接到HP轴122,并且可与HP轴122一起旋转。此外,对于所示的实施例,燃料氧减少单元144联接至附件变速箱142或可以其它方式与附件变速箱142一起旋转。以此方式,将意识到的是,示例性燃料氧减少单元144由附件变速箱142驱动。值得注意的是,如本文所使用的,用语“燃料氧减少”大体意味着能够减少燃料的自由氧含量的装置,如氧转换单元、氧提取单元等。
此外,燃料输送系统146大体上包括燃料源148(如燃料罐)和一个或多个燃料管路150。一个或多个燃料管路150通过燃料输送系统146向涡扇发动机100的涡轮机104的燃烧区段114提供燃料流。
然而,将意识到的是,图1所描绘的示例性涡扇发动机100仅通过实例的方式被提供。在其它示例性实施例中,任何其它合适的发动机可与本公开的方面一起被使用。例如,在其它实施例中,发动机可为任何其它合适的燃气涡轮发动机,如涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气发动机等。以此方式,将进一步意识到的是,在其它实施例中,燃气涡轮发动机可具有任何其它合适的构造,如任何其它合适的数量或布置的轴、压缩机、涡轮、风扇等。此外,尽管在图1中描绘的示例性燃气涡轮发动机被示意性地示为直接驱动的、固定桨距式涡扇发动机100,但在其它实施例中,本公开的燃气涡轮发动机可为齿轮式燃气涡轮发动机(即,包括风扇126和驱动风扇的轴(如LP轴124)之间的变速箱),可为可变桨距式燃气涡轮发动机(即,包括具有可绕其相应的桨距轴线旋转的多个风扇叶片128的风扇126)等。此外,尽管未本文中被描绘,但是在其它实施例中,燃气涡轮发动机可为任何其它合适类型的燃气涡轮发动机,如结合到发电系统中的工业燃气涡轮发动机、航海燃气涡轮发动机等。此外,仍在备选实施例中,本公开的方面可结合到任何其它类型的发动机(如往复式发动机)或以其它方式与任何其它类型的发动机(如往复式发动机)一起被使用。
此外,将意识到的是,尽管对于所描绘的实施例,涡扇发动机100包括定位在涡轮机104内(即,涡轮机104的壳106内)的燃料氧减少单元144,但是在其它实施例中,燃料氧减少单元144可定位在任何其它合适的位置。例如,在其它实施例中,燃料氧减少单元144可改为定位成远离涡扇发动机100,如定位成靠近燃料输送系统146的罐或定位在燃料输送系统146的罐内。另外,在其它实施例中,燃料氧减少单元144可另外或备选地由其它合适的功率源(如电动马达、液压马达或联接至HP或LP轴的独立机械等)驱动。
现在参照图2,提供了根据本公开的示例性方面的用于交通工具(如航空交通工具)或例如交通工具的燃气涡轮发动机的燃料氧减少单元200的示意图。在至少某些示例性实施例中,图2中描绘的示例性燃料氧减少单元200可结合到例如以上参照图1描述的示例性发动机100中(例如,可为图1中描绘的且上文描述的燃料氧减少单元144)。
如从本文的论述中将意识到,图2的燃料氧减少单元200大体上包括混合器202和燃料/气体分离器204。如将在下面描述的,所描绘的示例性混合器202可以任何合适的方式构造成基本上混合所接收的气体和液体流。例如,混合器202可为机械驱动的混合器(例如,具有用于混合所接收的流的桨叶),或备选地可为使用例如所接收的气体和液体的压力和/或流速来混合两种流体的被动混合器。例如,被动混合器可包括一个或多个湍流器、文丘里混合器等。
此外,示例性燃料氧减少单元200限定与混合器202的气体入口227(在下文被论述)和燃料气体分离器204的汽提气体出口214(也在下文被论述)处于流动连通的汽提气体流径。确切的说,对于所描绘的实施例,汽提气体流径是从燃料气体分离器204延伸至混合器202的循环气体流径206。在某些示例性实施例中,循环气体流径206可由一个或多个导管、管、管道等的任意组合以及循环气体流径206内的构件结构形成。然而,值得注意的是,在其它示例性实施例中,汽提气体流径可改为与合适的汽提气体源处于流动连通的开环流径。
如下面将更详细地解释的,燃料氧减少单元200大体上在操作期间提供用于通过汽提气体流径206的汽提气体220的流。将意识到的是,用语“汽提气体”在本文中用作方便用语以指代大体上能够执行本文所描述的功能的气体。流过汽提气体流径/循环气体流径206的汽提气体220可为实际的汽提气体,其作用是从混合器内的燃料中汽提氧,或备选地可为鼓泡(sparging)气体,其鼓泡通过液体燃料以降低此燃料的氧含量。例如,如将在下面更详细地论述的,汽提气体220可为惰性气体,如氮气或二氧化碳(CO2),由至少50%质量的惰性气体组成的气体混合物,或具有相对低的氧含量的一些其它气体或气体混合物。
此外,对于图2所描绘的示例性氧减少单元,燃料氧减少单元200还包括气体增压泵208、催化器210和预热器212。对于所示的实施例,气体增压泵208、催化器210和预热器212各自以串联流的方式布置在循环气体流径206内。另外,气体增压泵208构造为通过机械连接件205机械地联接至燃料气体分离器204并由燃料气体分离器204驱动的旋转气体泵。以此方式,气体增压泵208可与燃料气体分离器204一起旋转。此外,将意识到的是,对于所描绘的实施例,气体增压泵208和分离器204联接至功率源207,在某些实施例中,该功率源207可为附件变速箱或任何其它合适的功率源(如电机)。
然而,在其它实施例中,气体增压泵208可以任何其它合适的方式被构造。例如,在其它实施例中,气体增压泵208可与燃料气体分离器204机械地断开连接并且相对于燃料气体分离器204可独立地旋转。例如,在某些实施例中,气体增压泵208可独立地联接至附件变速箱,或可为电联接至合适的电功率源的电动泵。在此实施例中,气体增压泵208可与燃料气体分离器204以不同的转速旋转。
仍参照图2的实施例,将意识到的是,燃料气体分离器204大体上限定出气体出口214、液体燃料出口216和入口218。还将意识到的是,所描绘的示例性燃料氧减少单元200可与燃料输送系统146(如包括燃料氧减少单元200的燃气涡轮发动机的燃料输送系统146(例如,见图1))一起操作。示例性燃料输送系统146大体上包括多条燃料管路,且特别是入口燃料管路222和出口燃料管路224。入口燃料管路222流体地连接到混合器202,以将液体燃料226的流(例如,从燃料源,如燃料罐)提供到混合器202的液体燃料入口225,而出口燃料管路224流体地连接到燃料气体分离器204的液体燃料出口216,以用于接收脱氧的液体燃料226的流。
在典型操作期间,汽提气体220从燃料气体分离器204的气体出口214沿从燃料气体分离器204到混合器202的方向流过循环气体流径206。更确切地说,在典型操作期间,汽提气体220从燃料气体分离器204的气体出口214流过预热器212(其构造为对流过其中的气体增添热能),流过催化器210,并流至气体增压泵208,在其中增加汽提气体220的压力以提供用于通过循环气体流径206的汽提气体220的流。然后将相对高压的汽提气体220(即,相对于增压泵208上游的压力和进入混合器202的燃料而言)提供至混合器202的汽提气体入口227,在其中汽提气体220与来自入口燃料管路222的液体燃料流226混合以产生燃料气体混合物228。在混合器202内产生的燃料气体混合物228被从混合器202的出口229提供至燃料气体分离器204的入口218。
然而,值得注意的是,在本公开的其它实施例中,循环气体流径206内的构件可以任何其它合适的流动顺序(例如,增压泵208在催化器210的上游)布置,燃料氧减少单元200可在循环气体流径206中包括附加的构件,或可不包括所描绘的每个构件(例如,可组合这些构件中的一个或多个(如预热器212和催化器210),或省略这些构件中的一个或多个)。
大体上,将意识到的是,在燃料氧减少单元200的操作期间,通过入口燃料管路222提供至混合器202的液体燃料226可具有相对高的氧含量。提供至混合器202的汽提气体220可具有相对低的氧含量或其它特定的化学结构。在混合器202内,液体燃料226与汽提气体220混合,产生燃料气体混合物228。由于这种混合,可能发生物理交换,由此燃料226内的至少一部分氧转移到汽提气体220,使得混合物228的燃料成分具有相对低的氧含量(与通过入口燃料管路222提供的燃料226相比),并且混合物228的汽提气体成分具有相对高的氧含量(与通过循环气体流径206提供至混合器202的汽提气体220相比)。
然后在燃料气体分离器204内,将相对高氧含量的汽提气体220与相对低氧含量的燃料226分离。值得注意的是,对于所描绘的实施例,燃料气体分离器204是机械燃料气体分离器,并且更确切地说是旋转燃料气体分离器。以此方式,将意识到的是,燃料气体分离器204包括可绕中心轴线旋转的一个或多个构件。例如,燃料气体分离器可包括一个或多个桨叶,桨叶构造成将相对重的液体燃料226沿径向向外离心,同时允许相对轻的汽提气体220沿径向向内流动。以此方式,燃料气体分离器204可将提供至其的燃料/气体混合物228又分离回成液体燃料226的流和汽提气体220的流。确切地说,以此方式,如指示的那样,液体燃料226可通过燃料气体分离器204的液体燃料出口216离开,并且汽提气体220可通过燃料气体分离器204的气体出口214离开。
因此,将意识到的是,提供至液体燃料出口216的已与汽提气体220相互作用的液体燃料226可具有相对低的氧含量,使得由于燃料焦化(即发生化学反应以形成固体颗粒,这些固体颗粒可能会堵塞或以其它方式损坏燃料流径内的构件)的风险降低而可对其增添相对大量的热量。例如,在至少某些示例性方面,提供至液体燃料出口216的燃料226可具有小于大约百万分之五(5)份(“ppm”)的氧含量,如小于大约三(3)ppm,如小于大约两(2)ppm,如小于大约一(1)ppm,如小于大约0.5 ppm。
此外,如将意识到的是,所描绘的示例性燃料氧减少单元200再循环并再使用汽提气体220(即,汽提气体220在基本上闭合的回路中被操作,使得汽提气体路径构造为“循环”气体路径206)。然而,离开燃料气体分离器204的已与液体燃料226相互作用的汽提气体220可具有相对高的氧含量。因此,为了再使用汽提气体220,可能需要降低来自燃料气体分离器204的出口214的汽提气体220的氧含量。对于所描绘的实施例,并且如上所指出的,在到达气体增压泵208之前,汽提气体220流过预热器212和催化器210。在催化器210内,可减少汽提气体220的氧含量。更确切地说,在催化器210内,相对富氧的汽提气体220可反应以减少其氧含量。
将意识到的是,催化器210可以任何合适的方式构造来执行这种功能。例如,在某些实施例中,催化器210可构造成燃烧相对富氧的汽提气体220以降低其氧含量。然而,在其它实施例中,催化器210可另外或备选地包括催化构件的几何形状,相对富氧的汽提气体220流过该催化构件,以降低其氧含量。在这些实施例中的一个或多个中,催化器210可构造成将汽提气体220中的氧含量减少到按质量小于大约百分之三(3%)的氧(O2),如按质量小于大约百分之一(1%)的氧(O2)。
然后,通过循环气体流径206的其余部分提供所得的相对低的氧含量的汽提气体220,并将其提供回至混合器202,使得可重复该循环。以此方式,将意识到的是,汽提气体220可为能够经历上文描述化学转变的任何合适的气体。例如,汽提气体可为来自例如包括燃料氧减少单元200的燃气涡轮发动机的核心空气流径的空气(例如,从HP压缩机112排出的压缩空气;见图1)。然而,在其它实施例中,汽提气体可改为任何其它合适的气体,如惰性气体(如氮气或二氧化碳(CO2))、由按质量至少50%的惰性气体构成的气体混合物,或具有相对低的氧含量的一些其它气体或气体混合物。
此外,将意识到的是,在某些示例性实施例中,催化器210内汽提气体220的反应可化学转化汽提气体220的至少一部分,从而留下这种反应的某些副产物。例如,在某些示例性实施例中,汽提气体220可反应以产生二氧化碳(CO2)和水(H2O)副产物。对于所描绘的实施例,燃料氧减少单元200还包括流体连接到催化器210的副产物出口管路230,以用于从催化器210中移除例如水(H2O)或其它副产物。然而,在其它实施例中,可产生任何其它合适的副产物,或备选地,可不产生副产物。
简要地,还将意识到的是,所描绘的示例性燃料氧减少单元200包括通过补充气体管路234流体地连接至循环气体流径206的补充气体源232。补充气体源232可为任何合适的气体源。例如,在某些实施例中,补充气体源232可为包括燃料氧减少单元200的燃气涡轮发动机的压缩机区段,如这种压缩机区段的高压压缩机112(见图1)。另外或备选地,补充气体源232可为位于燃气涡轮发动机内或备选地位于远离燃气涡轮发动机的位置(如在飞行器内)的气体罐。值得注意的是,在其中汽提气体路径是开环路径的实施例中,补充气体源232可将基本上所有的汽提气体提供给燃料氧减少单元200,并且汽提气体路径可将用过的汽提气体例如排出到燃料气体分离器204下游的大气。
仍参照所描绘的实施例,补充气体源232或更确切地说补充气体管路234通过可变流量阀236与循环气体流径206处于空气流连通,该可变流量阀可受致动以将附加气体按需要输送到循环气体流径206。补充气体对于确保在操作期间循环气体流径206中存在期望量的汽提气体可为必需的。例如,在至少某些示例性实施例中,循环气体流径206内的汽提气体220的体积可在典型操作期间减小,如例如由催化器210中产生的副产物作为证明。另外或备选地,汽提气体220可通过燃料气体分离器204的液体燃料出口216(例如,当分离器204未以峰值效率操作时)等通过一次或多次泄漏而离开燃料氧减少单元200。
仍然参照图2所描绘的示例性燃料氧减少单元200,将意识到的是,燃料氧减少单元200包括一系列传感器,用于感测指示燃料氧减少的各种参数的数据。
例如,燃料氧减少单元200包括第一补充气体传感器238,该第一补充气体传感器238与从补充气体源232延伸至可变流量阀236的补充气体管路234处于可操作的连通。补充气体传感器238可配置为感测指示通过补充气体管路234的补充气体流的各种参数的数据。例如,补充气体传感器238可配置为感测指示此补充气体流的流速、此补充气体流的压力、此补充气体流的温度等的数据。
另外,示例性燃料氧减少单元200包括多个燃料管路传感器。更确切地说,示例性燃料氧减少单元200包括可操作地连接到液体燃料入口管路222的入口燃料管路传感器240和可操作地连接到液体燃料出口管路224的出口燃料管路传感器242。入口燃料管路传感器240和出口燃料管路传感器242可配置为感测指示流过入口液体燃料入口管路222和液体燃料出口管路224的液体燃料226的一个或多个参数的数据。例如,入口燃料管路传感器240和出口燃料管路传感器242可配置为感测指示此液体燃料226的温度、此液体燃料226的压力、此液体燃料226的流速、此液体燃料226的氧水平、此液体燃料226的气体含量等。
此外,示例性燃料氧减少单元200包括可操作地连接至汽提气体流径,并且更确切地说,连接至循环气体流径206的多个传感器和/或循环气体流径206内或以其它方式与循环气体流径206处于流体连通的一个或多个构件。例如,对于图2的实施例,燃料氧减少单元200包括可操作地连接到循环气体流径206的第一流径传感器244,以用于感测通过循环气体流径206的汽提气体220的流的一个或多个参数。确切地说,对于所示的实施例,第一流径传感器244是氧水平传感器,其紧接地定位在燃料气体分离器204的下游(即,燃料气体分离器204的下游和可变流量阀236、预热器212、催化器210、以及(对于所示的实施例)气体增压泵208的上游)。氧水平传感器/第一流径传感器244配置为感测指示紧接地在燃料气体分离器204下游通过循环气体流径206的汽提气体220的流的氧含量的数据。
另外,图2的示例性燃料氧减少单元200还包括紧接地在催化器210的上游的位置处可操作地连接到循环气体流径206的第二流径传感器246和紧接地在催化器210的下游的位置处可操作地连接到循环气体流径206的第三流径传感器248。第二流径传感器246和第三流径传感器248可各自配置成感测指示在其相应的位置处通过循环气体流径206的汽提气体220的流的一个或多个参数的数据(或相应数据集)。以此方式,第二流径传感器246和第三流径传感器248可用于感测跨过催化器210两边(across)的参数的变化。例如,在某些示例性实施例中,第二流径传感器246和第三流径传感器248可配置为感测指示汽提气体220的流的温度、汽提气体220的流的压力、汽提气体220的流速、汽提气体220的压力等的数据。
此外,示例性燃料氧减少单元200包括第四流径传感器250,对于所示实施例,该第四流径传感器250可操作地连接至副产物出口管路230。第四流径传感器250可相应地感测指示流过副产物出口管路230的副产物的参数(例如,流速,压力等)的数据(且因此间接地感测指示通过循环气体流径206的汽提气体220的流的参数的数据)。
类似地,图2的示例性燃料氧减少单元200包括第五流径传感器252和第六流径传感器254,它们分别紧接地在气体增压泵208上游和在气体增压泵208下游的位置处各自可操作地连接至循环气体流径206。第五流径传感器252和第六流径传感器254可相应地配置成感测指示在其相应位置处通过循环气体流径206的汽提气体220的流的一个或多个参数的数据(或相应的数据集),并进一步配置成感测指示从气体增压泵208一边到另一边的参数的变化的数据。在至少某些示例性实施例中,第五流径传感器252和第六流径传感器254可配置成感测指示汽提气体220的流的温度、汽提气体220的流的压力、汽提气体220的流速等的数据。
此外,示例性燃料氧减少单元200包括第七流径传感器256,对于所描绘的实施例,该第七流径传感器256在催化器210的下游和气体增压泵208的上游也可操作地连接至循环气体流径206。第七流径传感器256可配置成感测指示在此位置处通过循环气体流径206的汽提气体220的流的一个或多个参数的数据,如汽提气体220的流在此位置处的温度、压力、流速、氧水平等中的一个或多个。
然而,将意识到的是,在其它实施例中,可提供任何其它合适数量和/或配置的传感器。
此外,对于所示的实施例,燃料氧减少单元200包括控制系统或以其它方式可与控制系统一起操作。该控制系统大体上包括控制器258。所描绘的示例性控制器258包括一个或多个处理器260和一个或多个存储器装置262。一个或多个处理器260可包括任何合适的处理装置,如微处理器、微控制器258、集成电路、逻辑装置和/或其它合适的处理装置。一个或多个存储器装置262可包括一个或多个计算机可读介质,包括但不限于非暂时性计算机可读介质、RAM、ROM、硬盘驱动器、闪速驱动器和/或其它存储器装置。
一个或多个存储器装置262可存储可由一个或多个处理器260访问的信息,包括可由一个或多个处理器260执行的计算机可读指令264和数据266。指令264可为在由一个或多个处理器260执行时致使一个或多个处理器260执行操作的任何指令集。在一些实施例中,指令264可由一个或多个处理器260执行来致使一个或多个处理器260执行操作,如配置计算系统和/或控制器258所针对的任何操作和功能,如本文所描述的用于操作燃料氧减少单元200的操作(例如,方法300)和/或任何其它操作或功能。指令264可为以任何适合的编程语言编写的软件,且可在硬件中被实施。另外和/或备选地,指令264可在处理器260上在逻辑上和/或虚拟上的单独线程中被执行。另外,如上文指出的,(一个或多个)存储装置262可进一步存储可由(一个或多个)处理器260访问的数据266,如来自各种传感器的数据,如下面解释的那样。
所描绘的示例性控制器258还包括网络接口268和通信网络270,网络接口268用于例如经由通信网络270与燃料氧减少单元200的构件进行通信,对于所示出的实施例,该通信网络270配置为无线通信网络270(尽管在其它实施例中,通信网络270可改为是有线通信网络,或包括有线和无线通信网络的一些组合)。网络接口268可包括用于与一个或多个网络对接的任何合适的构件,包括例如发射器、接收器、端口、控制器、天线和/或其它合适的构件。
确切地说,将意识到的是,对于所示的实施例,控制器258通过网络接口268和通信网络270可操作地连接到本文所描述的燃料氧减少单元200的各种传感器。确切地说,控制器258通过网络接口268和通信网络270可操作地连接到上文描述的传感器240-254中的每个。以此方式,控制器258可配置成接收指示通过循环气体流径206的汽提气体220的流、通过循环气体流径206与汽提气体220的流处于流动连通的一个或多个成分等的各个参数的感测数据(例如,接收和存储为数据266)。
将意识到的是,以此方式,控制器258可配置成使用来自与其可操作地连接的传感器240-254的感测数据来确定燃料氧减少单元200的可操作性条件。例如,在某些示例性实施例中,控制器258可配置为感测指示通过汽提气体流径206的汽提气体220的流的流速的数据。通过循环气体流径206的汽提气体220的流的流速可指示燃料氧减少单元200的操作有多有效。例如,通过循环气体流径206的汽提气体220的流的流速较高可指示燃料氧减少单元200以相对高的可操作性操作,因为相对大量的汽提气体220正在混合器202内与液体燃料226的流反应。
另外或备选地,一个或多个传感器可感测指示通过循环气体流径206的汽提气体220的流从催化器210的一边到另一边、从气体增压泵208的一边到另一边或两者的温度和/或压力变化的数据。此温度和/或压力变化又可指示燃料氧减少单元200的有效性/可操作性。例如,从催化器210一边到另一边温度上升相对高可指示催化器210正在有效地使流过其中的汽提气体220反应,并因此有效地降低流过其中的这些汽提气体220的氧含量。这继而又可指示燃料氧减少单元200的相对高的效率/可操作性。类似地,从气体增压泵208一边到另一边压力变化相对高可指示汽提气体220通过循环气体流径206的流速相对高,这可指示燃料氧减少单元200以相对高的效率/可操作性进行操作。
仍另外或备选地,在其它实施例(如所描绘的实施例)中,一个或多个传感器可感测指示从催化器210流出的副产物的数据(例如,温度、压力、流速等)。此数据可类似地指示催化器210的有效性/可操作性,其继而又可指示燃料氧减少单元200的有效性/可操作性。例如,当从催化器210流出相对大量的副产物时,这可指示从流过催化器210的汽提气体220中移除了相对大量的氧,继而又指示汽提气体220从流至燃料氧减少单元200的液体燃料226中提取相对大量的氧。
此外,仍在其它实施例中,控制器258可另外或备选地感测指示至循环气体流径206的补充气体流的数据。至汽提气体流径206的此补充气体流的压力、流速或两者可类似地指示燃料氧减少单元200的有效性/可操作性。例如,提供至循环气体流径206的气体的高流速可指示燃料氧减少单元200的泄漏或其它损坏状况、燃料气体分离器204的低可操作性等。
此外,关于上文的示例性实施例中的一个或多个,将意识到的是,所确定的燃料氧减少单元200的可操作性可继而又用于确定被从燃料气体分离器204提供至燃料出口管路224的液体燃料226的估计的氧水平。例如,尽管图2的示例性系统包括出口燃料管路传感器242,该出口燃料管路传感器242可配置成通过使用来自一个或多个其它传感器的感测到的数据,直接感测指示通过燃料出口管路224的液体燃料226的氧水平的数据,但控制器258可确认使用出口燃料管路传感器242感测到的氧水平是准确的,并且该出口燃料管路传感器242没有故障。这样的信息可用于影响燃气涡轮发动机、交通工具或两者的控制决策。
简言之,然而将意识到的是,基于计算机的系统和控制器的固有灵活性允许在构件之间以及构件之中有任务和功能的多种多样的可能的配置、组合和划分。例如,本文所论述的过程可使用单个计算装置或组合工作的多个计算装置来实施。数据库、存储器、指令和应用程序可在单个系统上被实施或分布在多个系统中。分布式构件可按顺序或并行地操作。
现在参照图3,提供了操作交通工具或交通工具的燃气涡轮发动机的燃料氧减少单元的方法300。在某些示例性方面中,方法300可用于操作以上参照图1和图2描述的示例性燃料氧减少单元中的一个或多个。因此,由方法300操作的示例性燃料氧减少单元大体上可限定汽提气体流径,并且可大体上包括混合器和与汽提气体流径处于流动连通的燃料气体分离器。另外,在某些示例性方面中,可使用合适的控制系统来执行方法300。
对于图3所描绘的示例性方法300,方法300包括在(302)在混合器内将所接收的液体燃料的流与通过汽提气体流径的汽提气体的流混合以产生燃料/气体混合物。如从上文的实施例的论述中将意识到的是,在(302)将液体燃料与汽提气体的流混合可允许液体燃料与汽提气体反应,从而降低燃料/气体混合物的燃料成分内的氧水平。方法300进一步包括在(304)将燃料/气体混合物分离回成汽提气体的流和液体燃料的流,并且将分离的汽提气体的流提供至汽提气体流径,并且将分离的液体燃料的流提供至液体燃料出口。从上文的论述中将进一步意识到,在这一点上,提供至汽提气体流径的分离的汽提气体可具有相对高的氧含量。此外,对于所描述的示例性方面,汽提气体流径配置为循环气体流径,并且燃料氧减少单元还包括催化器。利用这种构造,方法300可再使用来自燃料气体分离器的汽提气体。为了再使用此汽提气体的流,方法300还包括在(306)用催化器降低通过汽提气体流径的汽提气体流的氧含量。
此外,图3的方法300包括在(308)接收指示通过汽提气体流径的汽提气体流、通过汽提气体流径与汽提气体流处于流动连通的成分、或两者的参数的数据。
现在简要地参照图4,提供了在(308)接收指示参数的数据的各种示例性方面的流程图。
如图4所描绘的,在一个示例性方面,在(308)接收指示汽提气体流、与汽提气体流处于流动连通的成分或两者的参数的数据包括在(310)接收指示通过汽提气体流径的汽提气体流的氧水平的数据。更确切地说,对于所描绘的示例性方面,在(310)接收指示通过汽提气体流径的汽提气体流的氧水平的数据包括在(312)利用定位成与汽提气体流径处于可操作连通的氧传感器感测指示通过汽提气体流径的汽提气体流的氧水平的数据。例如,传感器可为直接定位于汽提气体流径内的氧传感器,例如紧接地在燃料气体分离器的下游,催化器的上游,催化器的下游,混合器的上游和气体增压泵的下游,或任何其它合适的位置处。
在本公开的另一个示例性方面中,在(308)接收指示汽提气体流、与汽提气体流处于流动连通的成分或两者的参数的数据包括在(314)接收指示至汽提气体流径的补充气体流的数据。更确切地说,对于所描绘的示例性方面,在(314)接收指示至汽提气体流径的补充气体流的数据包括在(316)利用补充气体传感器感测提供至汽提气体流径的补充气体的量。以此方式,方法300可确定例如汽提气体流径的泄漏、汽提气体流的消耗、燃料气体分离器的有效性(例如,在提供至燃料气体分离器的液体燃料出口的液体燃料中剩余多少汽提气体)等。
在本公开的又一示例性方面,在(308)接收指示汽提气体流、与汽提气体流处于流动连通的成分或两者的参数的数据包括在(318)接收指示至汽提气体流径的汽提气体流的压力、通过汽提气体流径的汽提气体流的温度或至汽提气体流径的汽提气体流的流速的数据。例如,在某些示例性方面中,在(318)接收此类数据可包括通过一个或多个温度传感器、压力传感器、流速传感器等感测此类数据。通过汽提气体流径的汽提气体流的温度、压力和/或流速可独立地或通过某种组合而涉及燃料氧减少单元的有效性或可操作性。
在本公开的再一示例性方面,在(308)接收指示汽提气体流、与汽提气体流处于流动连通的成分或两者的参数的数据包括在(320)接收指示沿汽提气体流径的第一位置处的参数的第一数据集,以及接收指示沿汽提气体流径的第二位置处的参数的第二数据集。在某些示例性方面中,第一位置可在汽提气体流径内的或可与汽提气体流径一起操作的构件的上游,并且第二位置可在此类构件的下游。例如,在某些示例性方面中,第一位置可在催化器的上游,且第二位置可在催化器的下游。关于此示例性方面,参数可为汽提气体流的温度,从催化器一边到另一边的汽提气体流的温度指示催化器的有效性和/或可操作性。另外或备选地,在某些示例性方面中,第一位置可在气体增压泵的上游,且第二位置可在气体增压泵的下游。关于这样的示例性方面,参数可为汽提气体流的温度、汽提气体流的压力或两者的组合。
现在返回参照图3,在本公开的另外其它的示例性方面,将意识到的是,在(306)利用催化器降低通过汽提气体流径的汽提气体流的氧含量包括在(322)产生副产物。副产物可为例如水(H2O)或任何其它合适的副产物。关于此示例性方面,在(308)接收指示汽提气体流、与汽提气体流处于流动连通的成分或两者的参数的数据可包括在(324)接收指示副产物的数据。例如,在(324)接收到的指示副产物的数据可为例如副产物的流速、副产物的温度、副产物的压力等。副产物的一个或多个这些参数可指示催化器的可操作性,这继而又可指示燃料氧减少单元的可操作性。
仍然参照图3,示例性方法300包括在(326)基于在(308)所接收的指示汽提气体流、与汽提气体流处于流动连通的成分、或两者的参数的数据,确定燃料氧减少单元或可与燃料氧减少单元一起操作的构件的可操作性条件。
燃料氧减少单元的可操作性条件可指示燃料氧减少单元的操作有多有效。因此,例如,在某些示例性方面中,在(326)确定燃料氧减少单元或可与燃料氧减少单元一起操作的构件的可操作性条件可包括在(328)间接确定来自燃料氧减少单元的脱氧燃料流(例如,来自燃料氧减少单元的燃料气体分离器的液体燃料出口的燃料流)的氧水平。更确切地说,在(308)中引用的参数可指示燃料氧减少单元或其构件的操作有多有效,并且基于指示的燃料氧减少单元的效率,可在(328)确定脱氧燃料的氧水平。例如,在一个非限制性实例中,在(308)接收到的数据可指示从催化器一边到另一边的温度升高,并且从催化器一边到另一边的温度升高可指示例如催化器内的燃烧量,这继而又可指示通过催化器入口提供的相对富氧的汽提气体中有多少在其通过催化器出口离开时转化为相对低氧含量的汽提气体。然后,可利用此信息来估计(即,间接地确定)从燃料氧减少的燃料气体分离器的液体燃料出口流出的燃料的氧水平。
值得注意的是,在某些示例性方面中,除了在(328)间接确定来自燃料氧减少单元的氧减少燃料流的氧水平外,在(326)确定燃料氧减少单元或与燃料氧减少单元一起操作的构件的可操作性条件可包括使用例如可与燃料氧减少单元的燃料气体分离器下游的燃料流一起操作的氧传感器来直接确定来自燃料氧减少单元的氧减少燃料流的氧水平。在此示例性方面中,在(326)确定燃料氧减少单元或可与燃料氧减少单元一起操作的构件的可操作性条件还可包括将在(328)间接确定的氧水平与直接确定的氧水平进行比较,以确定可与燃料流一起操作的氧传感器和/或间接感测技术的可操作性。以此方式,将意识到的是,在(326)确定的可操作性条件可涉及可与燃料氧减少单元下游的燃料流一起操作的氧传感器(即,可与燃料氧减少单元一起操作的构件)的可操作性。
然而,在本公开的另一个示例性方面,在(326)确定燃料氧减少单元或可与燃料氧减少单元一起操作的构件的可操作性条件可包括在(330)确定燃料氧减少单元的健康参数。在某些示例性方面中,健康参数可为燃料氧减少单元的催化器、汽提气体流径、燃料气体分离器、混合器或任何其它合适构件的健康参数。例如,在一个非限制性实例中,在(308)接收的数据可指示从催化器一边到另一边的温度升高。在没有其它减弱情况的情况下,从催化器一边到另一边的相对较低的温度升高可指示催化器存在缺陷、需要更换催化器等。类似地,在另一个非限制性实例中,在(308)接收到的数据可指示提供至汽提气体流径的补充气体的流。当指示相对大量的补充气体被提供至汽提气体流径时,这可指示汽提气体流径或气体的流延伸通过的其它构件存在泄漏或其它缺陷。
在(326)确定了燃料氧减少单元或可与燃料氧减少单元一起操作的构件的可操作性条件,方法300便可在结合有燃料氧减少单元的交通工具、或结合有燃料氧减少单元的燃气涡轮发动机中的其它地方利用此信息。仍然参照图3,例如,在某些示例性方面中,方法300还可包括:在(332)基于所确定的燃料氧减少单元的可操作性条件,控制交通工具或燃气涡轮发动机的操作。例如,如果确定燃料氧减少单元未以期望的效率操作,则燃料氧减少单元下游的燃料流内的氧水平可能高于对于接受期望量的热量所需的氧水平。作为响应,方法300可降低燃气涡轮发动机的功率水平,以便减少由依靠燃料流作为散热物的燃气涡轮发动机的某些系统产生的热量。
本书面描述使用实例来公开本发明,包括最佳模式,且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明,包括制作和使用任何装置或系统,以及执行任何结合的方法。本发明的可专利性范围由权利要求书限定,且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例包括不异于权利要求书的字面语言的结构要素,或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等同结构要素,则此类其它实例旨在处于权利要求书的范围内。
Claims (10)
1. 一种操作用于交通工具或所述交通工具的燃气涡轮发动机的燃料氧减少单元的方法,所述燃料氧减少单元包括混合器和燃料气体分离器,并且进一步限定与所述混合器的汽提气体入口和所述燃料气体分离器的汽提气体出口处于流动连通的汽提气体流径,所述方法包括:
接收指示通过所述汽提气体流径的汽提气体流或通过所述汽提气体流径与所述汽提气体流处于流动连通的成分的参数的数据;以及
基于接收的指示所述汽提气体流或与所述汽提气体流处于流动连通的所述成分的所述参数的所述数据,确定所述燃料氧减少单元或可与所述燃料氧减少单元一起操作的构件的可操作性条件。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,接收指示所述汽提气体流或与所述汽提气体流处于流动连通的所述成分的所述参数的数据包括:接收指示通过所述汽提气体流径的所述汽提气体流的氧水平的数据。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,接收指示通过所述汽提气体流径的所述汽提气体流的氧水平的数据包括:利用定位成与所述汽提气体流径处于流动连通的氧传感器感测指示通过所述汽提气体流径的所述汽提气体流的氧水平的数据。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,接收指示所述汽提气体流或与所述汽提气体流处于流动连通的所述成分的所述参数的数据包括:接收指示至所述汽提气体流径的补充气体流的数据。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,接收指示至所述汽提气体流径的所述补充气体流的数据包括利用补充气体传感器感测提供至所述汽提气体流径的补充气体的量。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,接收指示所述汽提气体流或与所述汽提气体流处于流动连通的所述成分的所述参数的数据包括:接收指示通过所述汽提气体流径的所述汽提气体流的压力、通过所述汽提气体流径的所述汽提气体流的温度或通过所述汽提气体流径的所述汽提气体流的流速中的至少一个的数据。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,接收指示所述汽提气体流或与所述汽提气体流处于流动连通的所述成分的所述参数的数据包括:在沿所述汽提气体流径的第一位置处接收指示所述参数的第一数据集,以及在沿所述汽提气体流径的第二位置处接收指示所述参数的第二数据集。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述燃料氧减少单元包括与所述汽提气体流径处于流动连通的催化器,并且其中所述第一位置在所述催化器的上游,并且其中所述第二位置在所述催化器的下游。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述参数是所述汽提气体流的温度。
10.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述第一位置在所述气体增压泵的上游,并且其中所述第二位置在所述气体增压泵的下游。
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