CN111140370A - 带有燃料气体分离器的燃料氧转换单元 - Google Patents
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Abstract
一种燃料氧转换单元包括混合器,该混合器限定了液体燃料入口、汽提气体入口和燃料/气体混合物出口;以及燃料气体分离器,其限定与混合器的燃料/气体混合物出口流动连通的燃料/气体混合物入口和轴线。燃料气体分离器还包括固定壳;以及分离器组件,其包括芯和从芯延伸的多个桨叶,该分离器组件可在固定壳内绕轴线旋转,以将通过燃料/气体混合物入口接收的燃料/气体混合物分离成液体燃料流和汽提气体流。
Description
技术领域
本主题大体上涉及一种用于发动机的燃料氧转换单元,并且更具体地涉及一种具有燃料气体分离器的燃料氧转换单元。
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,空气提供给压缩机区段的入口,在其处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。燃烧气体从燃烧区段传送到涡轮区段。穿过涡轮区段的燃烧气体流驱动涡轮区段,且然后传送穿过排气区段,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能产生相对大量的热。燃料已被确定为一种有效的散热物(heat sink,有时也称为热沉),至少部分地由于其热容量和燃烧高温燃料可能导致的燃烧操作效率的提高,在操作期间接收至少部分此类热量。
然而,在没有适当地调节燃料的情况下加热燃料可能引起燃料“结焦”,或形成可能堵塞燃料系统的某些构件(如燃料喷嘴)的固体颗粒。减少燃料中的氧气量可有效地减少燃料将焦化超过不可接受的量的可能性。为此目的已经提出了燃料氧转换系统。
某些燃料氧转换系统将燃料与相对较低氧气含量的汽提气体混合。然而,本公开的发明人已经发现,在混合之后必须从燃料中去除大量的汽提气体以限制不期望的结果,如燃烧动态。因此,具有能够去除期望量的汽提气体的具有燃料气体分离器的燃料氧转换单元将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分阐明,或可从描述中清楚,或可通过实践本发明学习到。
在本公开的一个示例性实施例中,提供了一种燃料氧转换单元。燃料氧转换单元包括混合器(contactor,有时也称为接触器),该混合器限定了液体燃料入口、汽提气体入口和燃料/气体混合物出口;以及燃料气体分离器,其限定与混合器的燃料/气体混合物出口流动连通的燃料/气体混合物入口,以及轴线。燃料气体分离器还包括固定壳;以及分离器组件,其包括芯和从芯延伸的多个桨叶,该分离器组件可在固定壳内绕轴线旋转以将通过燃料/气体混合物入口接收的燃料/气体混合物分离成液体燃料流和汽提气体流。
在某些示例性实施例中,分离器组件的芯是大体上沿燃料气体分离器的轴线延伸的可透气芯。
在某些示例性实施例中,分离器组件的芯包括可透气边界,其中可透气边界限定过滤器半径和沿轴线的过滤器长度,并且其中可透气边界的过滤器半径基本上沿过滤器长度基本恒定。
在某些示例性实施例中,燃料气体分离器大体上沿轴线在第一端和第二端之间延伸,其中燃料/气体混合物入口位于第一端附近,其中液体燃料出口位于第二端附近并且,其中固定壳限定内表面,该内表面从轴线朝向第二端发散。
在某些示例性实施例中,燃料气体分离器进一步限定相对于轴线的径向方向和液体燃料出口,其中燃料气体分离器的燃料/气体混合物入口沿径向方向相对于轴线限定入口半径,其中燃料气体分离器的液体燃料出口沿径向方向相对于轴线限定出口半径,并且其中出口半径大于入口半径。
在某些示例性实施例中,燃料气体分离器进一步限定了围绕轴线延伸的周向方向,并且其中分离器组件的多个桨叶从芯向外延伸并且沿周向方向间隔开。
在某些示例性实施例中,燃料气体分离器还限定相对于轴线的径向方向,其中多个桨叶各自限定沿轴线的长度以及与固定壳的间隙,并且其中多个桨叶中的每个的间隙沿其各自的长度基本恒定。
在某些示例性实施例中,燃料气体分离器进一步限定相对于轴线的径向方向,并且其中多个桨叶限定相对于径向方向的扫掠角大于0。
例如,在某些示例性实施例中,扫掠角大于约10度且小于约45度。
例如,在某些示例性实施例中,扫掠角大于约15度且小于约30度。
例如,在某些示例性实施例中,分离器组件构造为在操作期间沿第一周向方向绕轴线旋转,并且其中多个桨叶中的每个均远离芯并且沿与第一周向方向相反的方向倾斜。
在某些示例性实施例中,燃料气体分离器限定汽提气体出口,并且大体上沿轴线在第一端和第二端之间延伸,其中燃料/气体混合物入口位于第一端附近,并且其中汽提气体出口也位于第一端附近。
在某些示例性实施例中,燃料气体分离器还限定了液体燃料出口、第一端和第二端,其中液体燃料出口位于第二端附近,并且其中固定壳限定朝轴线朝第二端会聚的内表面。
例如,在某些示例性实施例中,固定壳的内表面是固定壳的内表面的第一区段,其定位在燃料气体分离器的第一端附近,其中固定壳还限定了固定壳的内表面的第二区段,其定位在燃料气体分离器的第二端附近,并且其中固定壳的内表面的第二区段朝第二端远离轴线发散。
例如,在某些其它示例性实施例中,多个桨叶中的每个均构造为连续的单件式桨叶,其从固定壳的内表面的第一区段内的位置沿轴向方向延伸到固定壳的内表面的第二区段内的位置。
例如,在某些其它示例性实施例中,燃料气体分离器进一步限定相对于轴线的径向方向,其中多个桨叶与固定壳的内表面的第一区段以及与固定壳的内表面的第二区段限定间隙,并且其中多个桨叶中的每个的间隙在第一区段内和第二区段内基本恒定。
在某些示例性实施例中,燃料氧转换单元还包括气体氧减少单元,其中燃料氧转换单元限定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路径,并且其中气体氧减少单元定位成与循环气体路径流动连通。
例如,在某些示例性实施例中,燃料氧转换单元还包括气体增压泵,该气体增压泵定位成与循环气体路径流动连通。
在本公开的另一个示例性实施例中,提供了一种燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机包括燃烧区段;以及燃料输送系统,用于将燃料流提供至燃烧区段,该燃料输送系统包括燃料氧转换单元。燃料氧转换单元包括混合器,该混合器限定了液体燃料入口、汽提气体入口和燃料/气体混合物出口;以及燃料气体分离器,其限定与混合器的燃料/气体混合物出口流动连通的燃料/气体混合物入口,以及轴线。燃料气体分离器包括固定壳;以及分离器组件,其包括芯和从芯延伸的多个桨,该分离器组件可在固定壳内绕轴线旋转以将通过燃料/气体混合物入口接收的燃料/气体混合物分离成液体燃料流和汽提气体流。
在某些示例性实施例中,燃料气体分离器大体上沿轴线在第一端和第二端之间延伸,其中燃料/气体混合物入口位于第一端附近,其中液体燃料出口位于第二端附近,并且其中固定壳限定内表面,该内表面从轴线朝向第二端发散。
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变得更好理解。并入且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例,且连同描述用于阐释本发明的原理。
技术方案1. 一种燃料氧转换单元,包括:
混合器,其限定了液体燃料入口、汽提气体入口和燃料/气体混合物出口;以及
燃料气体分离器,其限定与所述混合器的燃料/气体混合物出口流动连通的燃料/气体混合物入口和轴线,所述燃料气体分离器包括
固定壳;以及
分离器组件,其包括芯和从所述芯延伸的多个桨叶,所述分离器组件在所述固定壳内绕所述轴线可旋转,以将通过所述燃料/气体混合物入口接收的燃料/气体混合物分离成液体燃料流和汽提气体流。
技术方案2. 根据技术方案1所述的燃料氧转换单元,其中,所述分离器组件的芯是大体上沿所述燃料气体分离器的轴线延伸的可透气芯。
技术方案3. 根据技术方案1所述的燃料氧转换单元,其中,所述分离器组件的芯包括可透气边界,其中所述可透气边界限定过滤器半径和沿所述轴线的过滤器长度,并且其中所述可透气边界的过滤器半径基本上沿所述过滤器长度基本恒定。
技术方案4. 根据技术方案1所述的燃料氧转换单元,其中,所述燃料气体分离器大体上沿所述轴线在第一端和第二端之间延伸,其中所述燃料/气体混合物入口位于所述第一端附近,其中所述液体燃料出口位于所述第二端附近,并且其中所述固定壳限定内表面,所述内表面从所述轴线朝所述第二端发散。
技术方案5. 根据技术方案1所述的燃料氧转换单元,其中,所述燃料气体分离器还限定相对于所述轴线的径向方向和液体燃料出口,其中所述燃料气体分离器的燃料/气体混合物入口沿所述径向方向相对于所述轴线限定入口半径,其中所述燃料气体分离器的液体燃料出口沿所述径向方向相对于所述轴线限定出口半径,并且其中所述出口半径大于所述入口半径。
技术方案6. 根据技术方案1所述的燃料氧转换单元,其中,所述燃料气体分离器还限定围绕所述轴线延伸的周向方向,并且其中所述分离器组件的多个桨叶从所述芯向外延伸并且沿所述周向方向间隔开。
技术方案7. 根据技术方案1所述的燃料氧转换单元,其中,所述燃料气体分离器还限定相对于所述轴线的径向方向,其中所述多个桨叶分别限定沿所述轴线的长度和与所述固定壳的间隙,并且其中所述多个桨叶中的每个的间隙沿其相应的长度基本恒定。
技术方案8. 根据技术方案1所述的燃料氧转换单元,其中,所述燃料气体分离器还限定相对于所述轴线的径向方向,并且其中所述多个桨叶限定相对于所述径向方向的大于0的扫掠角。
技术方案9. 根据技术方案8所述的燃料氧转换单元,其中,所述扫掠角大于约10度并且小于约45度。
技术方案10. 根据技术方案8所述的燃料氧转换单元,其中,所述扫掠角大于约15度并且小于约30度。
技术方案11. 根据技术方案8所述的燃料氧转换单元,其中,所述分离器组件构造为在操作期间沿第一周向方向绕所述轴线旋转,并且其中所述多个桨叶中的每个均远离所述芯并且沿与所述第一周向方向相反的方向倾斜。
技术方案12. 根据技术方案1所述的燃料氧转换单元,其中,所述燃料气体分离器限定汽提气体出口,并且大体上沿所述轴线在第一端和第二端之间延伸,其中所述燃料/气体混合物入口位于所述第一端附近,并且其中所述汽提气体出口也位于所述第一端附近。
技术方案13. 根据技术方案1所述的燃料氧转换单元,其中,所述燃料气体分离器还限定液体燃料出口、第一端和第二端,其中所述液体燃料出口位于所述第二端附近,并且其中所述固定壳限定朝所述轴线朝所述第二端会聚的内表面。
技术方案14. 根据技术方案13所述的燃料氧转换单元,其中,所述固定壳的内表面是所述固定壳的内表面的第一区段,其定位在所述燃料气体分离器的第一端附近,其中所述固定壳还限定了所述固定壳的内表面的第二区段,其定位在所述燃料气体分离器的第二端附近,并且其中所述固定壳的内表面的第二区段朝所述第二端远离所述轴线发散。
技术方案15. 根据技术方案14所述的燃料氧转换单元,其中,所述多个桨叶中的每个均构造为连续的单件式桨叶,其从所述固定壳的内表面的第一区段内的位置沿所述轴向方向延伸到所述固定壳的内表面的第二区段内的位置。
技术方案16. 根据技术方案14所述的燃料氧转换单元,其中,所述燃料气体分离器还限定相对于所述轴线的径向方向,其中所述多个桨叶与所述固定壳的内表面的第一区段以及与所述固定壳的内表面的第二区段限定间隙,并且其中所述多个桨叶中的每个的间隙在所述第一区段内和所述第二区段内基本恒定。
技术方案17. 根据技术方案1所述的燃料氧转换单元,还包括:
气体氧减少单元,其中所述燃料氧转换单元限定从所述燃料气体分离器的汽提气体出口延伸至所述混合器的汽提气体入口的循环气体路径,并且其中所述气体氧减少单元定位成与所述循环气体路径流动连通。
技术方案18. 根据技术方案17所述的燃料氧转换单元,还包括:
气体增压泵,其定位成与所述循环气体路径流动连通。
技术方案19. 一种燃气涡轮发动机,包括:
燃烧区段;以及
用于向所述燃烧区段提供燃料流的燃料输送系统,所述燃料输送系统包括燃料氧转换单元,所述燃料氧转换单元包括
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;以及
燃料气体分离器,其限定与所述混合器的燃料/气体混合物出口流动连通的燃料/气体混合物入口和轴线,所述燃料气体分离器包括
固定壳;以及
分离器组件,其包括芯和从所述芯延伸的多个桨叶,所述分离器组件在所述固定壳内绕所述轴线可旋转,以将通过所述燃料/气体混合物入口接收的燃料/气体混合物分离成液体燃料流和汽提气体流。
技术方案20. 根据技术方案19所述的燃气涡轮发动机,其中,所述燃料气体分离器大体上沿所述轴线在第一端和第二端之间延伸,其中所述燃料/气体混合物入口位于所述第一端附近,其中所述液体燃料出口位于所述第二端附近,并且其中所述固定壳限定内表面,所述内表面从所述轴线朝所述第二端发散。
附图说明
针对本领域的普通技术人员的包括其最佳模式的本发明的完整且能够实现的公开内容在参照附图的说明书中提出,在附图中:
图1是根据本公开的一个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是根据本公开的一个示例性实施例的燃料氧转换单元的示意图。
图3是根据本公开的一个示例性实施例的燃料气体分离器的近视示意性横截面视图。
图4是图3的示例性燃料气体分离器的轴向横截面视图。
图5是根据本公开的另一示例性实施例的燃料气体分离器的轴向横截面视图。
图6是根据本公开的又另一示例性实施例的燃料气体分离器的近视示意性横截面视图。
图7是根据本公开的再另一示例性实施例的燃料气体分离器的近视示意性横截面视图。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例,其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用了数字和字母标记来表示附图中的特征。附图和说明书中相似或类似的标记用于表示本发明的相似或类似的部分。
如本文使用的,用语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用,以将一个构件与另一个区分开,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”指示流体流至的方向。
用语“联接”、“固定”、“附接到”等指的是直接联接、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、固定或附接二者,除非本文另有规定。
单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数对象,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用于修饰可允许在不导致其涉及的基本功能的变化的情况下改变的任何数量表达。因此,由一个或多个用语如“约”、“大概”和“大致”修饰的值不限于指定的准确值。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,近似语言可表示在10%的裕度内。
这里和说明书和权利要求书各处,范围限制组合和互换,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出。例如,本文公开的所有范围都包含端点,且端点可与彼此独立地组合。
现在参看附图,其中在所有附图中,相同的数字表示相同的元件,图1提供了根据本公开的一个示例性实施例的发动机的示意性横截面视图。发动机可结合到车辆中。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或车辆的任何其它合适类型的发动机。
对于所示实施例,发动机构造为高旁通涡扇发动机100。如图1中所示,涡扇发动机100限定轴向方向A(平行于提供用于参考的纵向中心线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中示出)。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。
所示的示例性涡轮机104大体上包括基本上管状的外壳106,其限定环形入口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的核心空气流动路径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。
对于所示的实施例,风扇区段102包括风扇126,该风扇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124一起绕纵轴线201旋转。盘130由可旋转的前毂132覆盖,其为了促进空气流穿过多个风扇叶片128空气动力地成轮廓。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相对于涡轮机104由多个沿周向间隔开的出口导向导叶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。
仍参看图1,涡扇发动机100还包括附件变速箱142、燃料氧转换单元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,将认识到,尽管未在图1中示意性地示出,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,并且可随其旋转。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,并且可随其旋转。此外,对于所示实施例,燃料氧转换单元144联接至附件变速箱142或在其他情况下可随其旋转。以此方式,将认识到,示例性燃料氧转换单元144由附件变速箱142驱动。值得注意的是,如本文所用,用语“燃料氧转换单元”大体是指能够降低燃料的游离氧含量的装置。
此外,燃料输送系统146大体包括燃料源148(如燃料箱)和一个或多个燃料管线150。一个或多个燃料管线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。下面参考图2提供根据本公开的一个示例性实施例的燃料输送系统的更详细的示意图。
此外,将认识到,尽管对于所示实施例,涡扇发动机100包括附件变速箱142和燃料氧转换单元144,其位于涡轮机104内,即位于涡轮机104的壳106内,在其它实施例中,附件变速箱142和/或燃料氧转换单元144可定位在任何其它合适的位置处。例如,如图1中的虚线所示,在其它实施例中,附件变速箱142和/或燃料氧转换单元144可定位在涡扇发动机100的机舱134内。备选地,在又其它实施例中,附件变速箱142可与涡扇发动机100一起定位,并且燃料氧转换单元144可远离涡扇发动机100定位,如靠近燃料输送系统146的箱148或在其内部。另外,在其它实施例中,燃料氧转换单元144可附加地或备选地由其它合适的动力源驱动,如电动机、液压马达或与HP或LP轴的独立机械联接等。例如,当附件变速箱142由电动机驱动时,电动机可构造成从由发动机驱动的电机/发电机(如发动机的LP或HP系统)接收电力。
此外,将认识到,尽管对于所示实施例,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)的燃料氧转换单元144,但是在其它实施例中,燃料氧转换单元144可位于任何其它合适的位置处。例如,在其它实施例中,燃料氧转换单元144可改为定位成远离涡扇发动机100。另外,在其它实施例中,燃料氧转换单元144可附加地或备选地由其它合适的动力源驱动,如电动机、液压马达或与HP或LP轴的独立机械联接等。
现在参看图2,提供了根据本公开的一个示例性方面的用于燃气涡轮发动机的燃料氧转换单元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转换单元200可结合到例如以上参考图1描述的示例性发动机100中(例如,可为图1中描绘和上文所述的燃料氧转换单元144)。
如从本文的论述中将会认识到,图2的燃料氧转换单元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,所示的示例性混合器202可以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,在某些实施例中,混合器202可为机械地驱动的混合器(例如,具有用于混合所接收的流的桨叶),或备选地可为被动混合器,以用于至少部分地使用所接收的流的压力和/或流速来混合接收到的流。
此外,示例性燃料氧转换单元200包括汽提气体管线205,并且更具体地,包括多个汽提气体管线205,其至少部分地共同限定从燃料气体分离器204延伸至混合器202的循环气体流动路径206。在某些示例性实施例中,除了多个汽提气体管线205以及循环气体流动路径206内的结构或构件之外,循环气体流动路径206还可由一个或多个导管、管、管道等的任意组合形成。
如以下将更详细解释的,燃料氧转换单元200大体上在操作期间提供用于通过多个汽提气体管线205和汽提气体流动路径206的汽提气体220的流。将认识到,用语“汽提气体”在本文中用作方便用语是指大体上能够执行本文所述功能的气体。流过汽提气体流动路径/循环气体流动路径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气,或备选地可为冒泡喷射气体,其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)、惰性气体混合物或具有相对较低的氧含量的一些其它气体或气体混合物。
此外,对于图2中所示的示例性氧转换单元,燃料氧转换单元200进一步包括气体增压泵208、气体氧减少单元(其对于所示的实施例是催化器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分别以串联流的方式布置在循环气体流动路径206内。另外,气体增压泵208可构造为联接到动力源(未示出)并由其驱动的旋转气泵。在某些实施例中,用于气体增压泵208的动力源可为用于燃料气体分离器204的相同动力源(在下面论述),或备选地,可为任何其它合适的动力源。例如,在某些实施例中,气体增压泵208可联接至附件变速箱142(见图1)、合适的动力源等。
仍参看图2的实施例,将认识到,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。还将认识到,所示的示例性燃料氧转换单元200可与燃料输送系统146、如包括燃料氧转换单元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线,且具体是入口燃料管线222和出口燃料管线224。入口燃料管线222流体地连接到混合器202,以提供液体燃料226的流到混合器202(例如,从燃料源、如燃料箱),且出口燃料管线224流体地连接到燃料气体分离器204的液体燃料出口216,用于接收脱氧的液体燃料226的流。
此外,在典型操作期间,汽提气体220的流从燃料气体分离器204的气体出口214通过循环气体流动路径206流至混合器202。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(构造为向流过其中的气体添加热能),流过催化器210,且流至/流过气体增压泵208,其中增加汽提气体220的压力以提供用于汽提气体220通过循环气体流动路径206的流动。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)提供给混合器202,其中汽提气体220与来自入口燃料管线222的液体燃料226的流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提供给燃料气体分离器204的入口218。在燃料气体分离器204内,可将燃料气体混合物228分离回为液体燃料226的流和汽提气体220的流。下面例如参照图3将更详细地描述燃料气体分离器204的这种操作。
大体上,将认识到,在燃料氧转换单元200的操作期间,通过入口燃料管线222提供给混合器202的液体燃料226可具有相对较高的氧含量。提供给混合器202的汽提气体220可具有相对较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。作为这种混合的结果,可能发生物理交换,由此燃料226内的至少一部分氧气转移到汽提气体220,使得混合物228的燃料组分具有相对较低的氧含量(与通过入口燃料管线222提供的燃料226相比),并且混合物228的汽提气体组分具有相对较高的氧含量(与通过循环气体流动路径206提供给混合器202的汽提气体220相比)。再次如下面参照图3将更详细所述,燃料气体分离器204将相对高的氧含量的汽提气体220与相对低的氧含量的燃料226分离。
此外,将认识到,提供给液体燃料出口216的已经与汽提气体220相互作用的液体燃料226可具有相对较低的氧含量,使得可向其中添加相对大量的热,降低了燃料焦化的风险(即发生化学反应形成固体颗粒,所述固体颗粒可能会堵塞或损坏燃料流动路径内的构件)。例如,在至少某些示例性方面,提供给液体燃料出口216的燃料226可具有小于约百万分之五(5)份(“ppm”)的氧含量,如小于约三(3)ppm,如小于约二(2)ppm,如小于约一(1)ppm,如小于约0.5 ppm。
此外,如将认识到,所示的示例性燃料氧转换单元200再循环并再利用汽提气体220(即,汽提气体220在基本上闭合的回路中操作)。然而,离开燃料气体分离器204的已经与液体燃料226相互作用的汽提气体220可具有相对较高的氧含量。因此,为了再利用汽提气体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。对于所示的实施例,并且如上所述,汽提气体220流过预热器212,流过在其处汽提气体220中的氧含量降低的催化器210,并且流过气体增压泵208。在催化器210内,使相对富氧的汽提气体220反应以减少其氧含量。将认识到,催化器210可以以任何合适的方式构造以执行此功能(即,从再循环汽提气体232去除氧气)。例如,在某些实施例中,催化器210可构造成使氧气和富氧汽提气体220中存在的燃料蒸气反应,以降低汽提气体220中游离氧的总体水平。然而,在其它实施例中,催化器210可附加地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。在这些构造中的一个或多个中,可产生副产物,如水,其可引导远离催化器210(在图2的实施例中未示出的导管)。
然而,值得注意的是,在其它实施例中,可提供任何其它合适的气体氧减少单元以降低汽提气体232的氧含量。例如,附加地或备选地,气体氧减少单元可利用膜氧减少系统、燃烧减少系统、等离子体减少系统等。
在这些实施例中的一个或多个中,气体氧减少单元/催化器210可构造成将汽提气体220中的氧含量按质量降低至小于约百分之五(5%)的氧(O2),如按质量小于约百分之二(2%)的氧(O2),如按质量小于约百分之一(1%)的氧(O2)。
然后,通过循环气体流动路径206的其余部分提供所得的相对较低的氧含量的气体,并返回至混合器202,使得可重复该循环。以此方式,将认识到,汽提气体220可为能够经历上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转换单元200的燃气涡轮发动机的核心空气流动路径的脱氧空气(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,汽提气体可改为是任何其它合适的气体,如惰性气体(如氮气或二氧化碳(CO2))、惰性气体混合物、或具有相对低的氧含量的一些其它气体或气体混合物。
然而,将认识到,上述示例性燃料氧转换单元200仅借助于示例提供。在其它实施例中,燃料氧转换单元200可以以任何其它合适的方式构造。例如,在其它实施例中,汽提气体220可不流过循环气体流动路径206,并且改为燃料氧转换单元200可包括开环汽提气体流动路径,其中该流动路径与合适的汽提气体源如排出空气源流体连通,并构造为将此空气倾卸到例如燃料气体分离器204下游的大气中。
现在参看图3,将提供以上关于图2所述的示例性燃料气体分离器204的操作。确切地说,图3提供了图2的示例性燃料气体分离器204的区段的近视示意性截面视图。
对于所示的实施例,燃料气体分离器204限定中心轴线230、径向方向R和围绕中心轴线230延伸的周向方向C。另外,燃料气体分离器204构造为机械驱动的燃料气体分离器,或更确切地说,构造为旋转/离心燃料气体分离器。此外,对于所示的实施例,燃料气体分离器204大体上沿中心轴线230大体上在第一端240和第二端242之间延伸。对于所示的实施例,燃料气体混合物入口218位于第一端240附近,并且液体燃料出口216位于第二端242附近。进一步对于所示的实施例,汽提气体出口214也位于第一端240附近。然而,在其它实施例中,气体出口214可位于任何其它合适的位置处。
仍参看图3的实施例,燃料气体分离器204包括固定壳244、输入轴232和单级分离器/泵组件234。输入轴232机械地联接至单级分离器/泵组件234,并且两个构件一起可在固定壳244内绕中心轴线230旋转以将通过燃料气体混合物入口218接收的燃料气体混合物228分离回液体燃料226的流和汽提气体220的流。此外,输入轴232可机械地联接到合适的动力源,并且由合适的动力源驱动,如附件变速箱(如图1的示例性附件变速箱142)。然而,在其它实施例中,输入轴232可机械地联接至任何其它合适的动力源,如电动机。
如将认识到,单级分离器/泵组件234可同时将混合物228分离成汽提气体220的流和液体燃料226的流,并增加分离的液体燃料226的压力(如在下面将更详细地论述的)。
更确切地说,对于所示的实施例,分离器/泵组件234包括沿燃料气体分离器204的中心轴线230延伸的芯246。分离器/泵组件234的芯246进一步包括前轴区段和后轴区段245,以及沿燃料气体分离器204的中心轴线230在前轴区段和后轴区段245之间延伸的可透气边界248。另外,前轴区段和后轴区段245和可透气边界248一起限定了中空通路247,该中空通路247沿中心轴线230在前轴区段和后轴区段245和可透气边界248的至少一部分内侧延伸。可透气边界248可为例如多个开口,或备选地可为流体阻拦结构,该流体阻拦结构构造成阻挡流动通过其的基本上所有的液体。
还将认识到,对于所示的实施例,分离器/泵组件234的芯246的可透气边界248大体上构造为圆柱形的可透气边界248。以此方式,将认识到,分离器/泵组件234的芯246的可透气边界248沿径向方向R限定过滤器半径250,并且沿中心轴线230限定过滤器长度252。对于所示的示例性实施例,分离器/泵组件234的过滤器半径250基本上沿可透气边界248的过滤器长度252基本恒定。然而,在其它实施例中,可为芯246提供任何其它合适的结构。例如,在其它实施例中,芯246可不包括本文所述的过滤器,而是改为可包括任何其它合适的可透气结构。另外,在其它实施例中,芯246和/或边界248可包括任何其它合适类型的过滤器、过滤器的形状或过滤器的形式。
仍参看图3,所示的示例性单级分离器/泵组件234还包括从芯246延伸的多个桨叶238。多个桨叶238中的每个均沿中心轴线230延伸,限定了桨叶长度254。对于所示的实施例,桨叶长度254基本上等于芯246的可透气边界248的过滤器长度252,并且更具体地,对于所示的实施例,桨叶长度254大于芯246的可透气边界248的过滤器长度252。然而,在其它实施例中,桨叶长度254可小于芯246的可透气边界248的过滤器长度252。
此外,多个桨叶238中的每个还大体上沿径向方向R(如将在下面更详细描述的那样)在联接到芯246(例如,附接到前轴区段和后轴区段245中的一个或两个和/或可透气边界248)的桨叶基座256与外桨叶尖端258之间向外延伸。此外,将认识到,固定壳244限定内表面260,并且单级分离器/泵组件234的每个桨叶238的外桨叶尖端258与固定壳244的内表面260一起沿径向方向R限定间隙262。对于所示的实施例,每个桨叶238的间隙262沿其各自的桨叶长度254基本恒定。
现在简要地参看图4,提供了沿图3的线4-4的图3的燃料气体分离器204的横截面视图。如上所述,多个桨叶238大体沿径向方向R从芯246向外延伸,并且大体沿周向方向彼此间隔开(在图4中示出了第一周向方向C1,如下所述)。然而,将认识到,对于图4的实施例,多个桨叶238不完全沿径向方向R延伸。多个桨叶238改为相对于径向方向R限定扫掠角264。值得注意的是,将认识到,在燃料气体分离器204的操作期间,分离器/泵组件234构造成在第一周向方向C1上绕中心轴线230旋转。对于所示的实施例,多个桨叶238中的每个在基本上线性的方向上延伸的同时,大体沿径向方向R并且在与第一周向方向C1相反的方向上远离芯246倾斜,因此限定了扫掠角264。
更确切地说,对于所示实施例,多个桨叶238的扫掠角264是指桨叶238在其基座256处的圆周中点与桨叶238在其尖端258处的圆周中点之间延伸的参考线266的角度。此外,如针对图4的实施例将认识到的,扫掠角264大于零(0)。更确切地说,对于所示实施例,扫掠角264大于约十(10)度并且小于约四十五(45)度,如大于约十五(15)度并且小于约三十(30)度。然而,在其它实施例中,可提供任何其它合适的扫掠角。
以此方式,将认识到,燃料气体分离器204的分离器/泵组件234的多个桨叶238可在操作期间大体上向外地沿径向方向R有效地推动相对重的液体燃料226,同时允许为了使相对轻的汽提气体220沿径向向内流至并流过芯246,或更确切地说是芯246的边界248。这种操作将在下面更详细地论述。
然而,值得注意的是,在其它实施例中,桨叶238可具有任何其它合适的尺寸、形状或构造。例如,简要地参看图5,提供了沿燃料气体分离器204的中心轴线230的根据本公开的另一示例性实施例的燃料气体分离器204的横截面视图。图5的示例性燃料气体分离器204可以以与以上参照图4描述的示例性燃料气体分离器204相同的方式构造。因此,相同或相似的数字可指相同或相似的部分。
例如,图5的示例性燃料气体分离器204大体上包括芯246和从芯246向外延伸的多个桨叶238。然而,对于所示的实施例,多个桨叶238在基座256和尖端258之间不线性地延伸。多个桨叶238改为限定弯曲的形状。与其径向内端相比,多个桨叶238的弯曲形状限定了朝向其径向外端的增大的局部扫掠角。无论如何,多个弯曲形状的桨叶238中的每个均限定参考线266,该参考线在桨叶板238在其基座256处的圆周中点与桨叶238在其尖端258处的圆周中点之间延伸。相对于该参考线266限定了图5的多个桨叶238的扫掠角264,并且扫掠角264可与以上参照图4描述的扫掠角264相同或相似。
此外,仍将认识到,在又其它示例性实施例中,桨叶238可具有任何其它合适的形状或构造。例如,在其它实施例中,多个桨叶238可大体上沿径向方向R在线性、弯曲或曲线方向上延伸(即,限定扫掠角264约等于0)。备选地,桨叶238可限定负扫掠角(即,在第一周向方向C1上倾斜)。
现在参看回图3,将认识到,在操作期间,单级分离器/泵组件234围绕中心轴线230旋转,并且更具体地,多个桨叶238围绕中心轴线230旋转(即,沿周向方向C)可大体上将较重的液体燃料226沿径向方向R向外推动,并且将较轻的汽提气体220沿径向方向R穿过内气体边界248向内推动。以此方式,如所示,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可通过芯246流过中空通路247,并且通过燃料气体分离器204的气体出口214离开。
对于图3的实施例也将认识到,燃料气体分离器204的固定壳244的内表面260从中心轴线230朝燃料气体分离器204的第二端242发散。确切地说,对于所示的实施例,燃料气体分离器204的固定壳244的内表面260限定半径274并且具有大致截头圆锥形状,其中相比于更靠近第一端240的位置,半径274在更靠近第二端242的位置处更大。
以此方式,将进一步认识到,燃料气体分离器204的燃料气体混合物入口218沿径向方向R相对于中心轴线230限定入口半径270,并且燃料气体分离器204的液体燃料出口216沿径向方向R相对于轴线230限定出口半径272。对于所示的实施例,给定固定壳244的内表面260的发散形状,出口半径272大于入口半径270,如大至少约百分之十(10%),如大至少约百分之十(20%),如大直至无限的百分比(例如,如果入口半径270等于零)。
根据以上示例性实施例的燃料气体分离器204可进一步提供用于液体燃料226的加压流。更确切地说,利用这种示例性的燃料气体分离器204,通过液体燃料出口216离开燃料气体分离器204的液体燃料226可处于比通过入口燃料管线222提供的液体燃料226更高的压力,并且比通过入口218提供的燃料/气体混合物228的压力更高。这可能至少部分地归因于由多个桨叶238的旋转以及燃料气体混合物入口218和液体燃料出口216的定位促进的施加在此液体燃料226上的离心力。
例如,将认识到,利用此示例性实施例,燃料氧转换单元200的燃料气体分离器204可在操作期间在燃料流中产生压力升高。如本文所用,用语“压力升高”是指提供给燃料气体分离器204的液体燃料出口216的液体燃料226的流的压力(即,“液体燃料出口压力”)与通过入口燃料管线222提供给混合器202的液体燃料226的压力(见图2)之间的净压力差。在至少某些示例性实施例中,液体燃料226的压力升高可为至少约六十(60)磅每平方英寸(“psi”),如至少约九十(90)psi,如至少约一百(100)psi,如直至约七百五十(750)psi。利用这样的构造,将认识到,在本公开的至少某些示例性实施例中,液体燃料出口压力在操作期间可为至少约七十(70)psi。例如,在至少某些示例性实施例中,在操作期间液体燃料出口压力可为至少约一百(100)psi,如在操作期间例如至少约一百二十五(125)psi,如在操作期间直至约八百(800)psi。
然而,将认识到,在本公开的其它实施例中,燃料气体分离器204可以以任何其它合适的方式构造。例如,现在参看图6和7,提供了根据本公开的示例性方面的燃料气体分离器204的两个另外的示例性实施例。图6和图7中描绘的示例性燃料气体分离器204可以以与以上参照图3描述的示例性燃料气体分离器204基本相同的方式构造,并且因此可结合到任何合适的燃料氧转换单元200中。
例如,图6和7的示例性燃料气体分离器204各自大体上限定燃料/气体混合物入口218、汽提气体出口214和液体燃料出口216。另外,图6和7的示例性燃料气体分离器204中的每个大体上包括固定壳244和可旋转地定位在固定壳244内的分离/泵组件234。所示的示例性燃料气体分离器204的分离/泵组件234各自大体上包括输入轴275、芯246和从芯246延伸的多个桨叶238。
然而,对于图6和7的实施例,示例性燃料气体分离器204中的每个的分离/泵组件234的固定壳244和桨叶238是根据本公开的其它实施例构造的。
首先具体参看图6,将认识到,示例性的固定壳244限定内表面260。然而,对于图6的实施例,内表面260朝中心轴线230朝燃料气体分离器204的第二端242会聚。以此方式,将认识到,内表面260相对于中心轴线230的半径274随着其沿中心轴线230从燃料气体分离器204的第一端240朝燃料气体分离器204的第二端移动而减小。值得注意的是,对于图6的实施例,多个桨叶238中的每个再次沿径向方向R大致沿桨叶238的长度254限定大致恒定的间隙262。
包括具有以本文参照图6所述的方式会聚的内表面260的固定壳244可通过以下方式使燃料气体混合物更有效地分离成液体燃料226的流和汽提气体220的流:在此气泡向下游流动之前,将较大的汽提气体220的气泡捕获在通过燃料气体混合物入口218提供的燃料气体混合物228中,在其处将此气泡与液体燃料226流分离变得更加困难。
现在具体地参看图7,示例性的固定壳244再次限定了内表面260。更确切地说,固定壳244包括第一区段276和第二区段278,第一区段276形成内表面260A的第一区段,第二区段278形成内表面260B的第二区段。固定壳244的第一区段276沿燃料气体分离器204的中心轴线230定位成与固定壳244的第二区段278相邻。另外,固定壳244的第一区段276定位成与燃料气体分离器204的第一端240相邻,并且固定壳244的第二区段278定位成与燃料气体分离器204的第二端242相邻。此外,对于所示的实施例,第一区段276限定沿中心轴线230的长度280,该长度280基本上等于第二区段278的沿中心轴线230的长度282。然而,在其它示例性实施例中,第一区段276的长度280可大于第二区段278的长度282,或备选地,第二区段278的长度282可大于第一区段276的长度280。
此外,类似于图6的示例性实施例,固定壳244的内表面260A的第一区段朝轴线230朝燃料气体分离器204的第二端242会聚,并且类似于图3的实施例,固定壳244的内表面260B的第二区段278从中心轴线230朝燃料气体分离器204的第二端242发散。以此方式,燃料气体分离器204可实现包括固定壳244的会聚区段的益处,同时仍然包括固定壳244的发散区段的益处(例如,增加压力)。
简要地,还将认识到,对于所示的示例性实施例,分离组件的桨叶238再次与固定壳244的内表面260A的第一区段以及与固定壳244的内表面260B的第二区段限定间隙262。对于所示的实施例,多个桨叶238中的每个的间隙262沿中心轴线230基本沿桨叶238的长度254基本恒定。另外,对于所示的实施例,桨叶238中的每个构造为连续的单件式桨叶238,其从固定壳244的内表面260A的第一区段内的位置沿轴线230延伸到固定壳244的内表面260B的第二区段内的位置。然而,在其它实施例中,可提供任何其它合适的图案或设计,如两件式桨叶设计、三件式桨叶设计等。此构造可导致更有效的分离器/泵组件234,以及更具体地说,更有效的燃料气体分离器204。
值得注意的是,如本文所用,相对于壳244的内表面260的用语“会聚”是指表面270的平均参考线与中心轴线230限定的角大于零,如在约5度和约45度之间,如在约10度和约30度之间。类似地,如本文所用,相对于壳244的内表面260的用语“发散”是指表面270的平均参考线与中心轴线230限定的角小于零,如在约-5度和约-45度之间,如约-10度和约-30度之间。
本书面描述使用了示例来公开本发明,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,以及执行任何并入的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求书限定,且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果此类其它实施例包括并非不同于权利要求书的书面语言的结构元件,或如果它们包括与权利要求书的书面语言无实质差别的等同结构元件,则期望此类其它示例在权利要求书的范围内。
Claims (10)
1. 一种燃料氧转换单元,包括:
混合器,其限定了液体燃料入口、汽提气体入口和燃料/气体混合物出口;以及
燃料气体分离器,其限定与所述混合器的燃料/气体混合物出口流动连通的燃料/气体混合物入口和轴线,所述燃料气体分离器包括
固定壳;以及
分离器组件,其包括芯和从所述芯延伸的多个桨叶,所述分离器组件在所述固定壳内绕所述轴线可旋转,以将通过所述燃料/气体混合物入口接收的燃料/气体混合物分离成液体燃料流和汽提气体流。
2.根据权利要求1所述的燃料氧转换单元,其中,所述分离器组件的芯是大体上沿所述燃料气体分离器的轴线延伸的可透气芯。
3.根据权利要求1所述的燃料氧转换单元,其中,所述分离器组件的芯包括可透气边界,其中所述可透气边界限定过滤器半径和沿所述轴线的过滤器长度,并且其中所述可透气边界的过滤器半径基本上沿所述过滤器长度基本恒定。
4.根据权利要求1所述的燃料氧转换单元,其中,所述燃料气体分离器大体上沿所述轴线在第一端和第二端之间延伸,其中所述燃料/气体混合物入口位于所述第一端附近,其中所述液体燃料出口位于所述第二端附近,并且其中所述固定壳限定内表面,所述内表面从所述轴线朝所述第二端发散。
5.根据权利要求1所述的燃料氧转换单元,其中,所述燃料气体分离器还限定相对于所述轴线的径向方向和液体燃料出口,其中所述燃料气体分离器的燃料/气体混合物入口沿所述径向方向相对于所述轴线限定入口半径,其中所述燃料气体分离器的液体燃料出口沿所述径向方向相对于所述轴线限定出口半径,并且其中所述出口半径大于所述入口半径。
6.根据权利要求1所述的燃料氧转换单元,其中,所述燃料气体分离器还限定围绕所述轴线延伸的周向方向,并且其中所述分离器组件的多个桨叶从所述芯向外延伸并且沿所述周向方向间隔开。
7.根据权利要求1所述的燃料氧转换单元,其中,所述燃料气体分离器还限定相对于所述轴线的径向方向,其中所述多个桨叶分别限定沿所述轴线的长度和与所述固定壳的间隙,并且其中所述多个桨叶中的每个的间隙沿其相应的长度基本恒定。
8.根据权利要求1所述的燃料氧转换单元,其中,所述燃料气体分离器还限定相对于所述轴线的径向方向,并且其中所述多个桨叶限定相对于所述径向方向的大于0的扫掠角。
9.根据权利要求8所述的燃料氧转换单元,其中,所述扫掠角大于约10度并且小于约45度。
10.根据权利要求8所述的燃料氧转换单元,其中,所述扫掠角大于约15度并且小于约30度。
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