CN112473588A - 带有等离子体反应器的燃料氧减少单元 - Google Patents

带有等离子体反应器的燃料氧减少单元 Download PDF

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CN112473588A CN202010952201.7A CN202010952201A CN112473588A CN 112473588 A CN112473588 A CN 112473588A CN 202010952201 A CN202010952201 A CN 202010952201A CN 112473588 A CN112473588 A CN 112473588A
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C·X·斯蒂芬森
T·J·索默雷尔
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Abstract

本发明涉及带有等离子体反应器的燃料氧减少单元。具体而言，提供了一种用于航空发动机的燃料氧减少单元。燃料氧减少单元包括提供汽提气流的汽提气体管线和与汽提气体管线流体连通的等离子体反应器。等离子体反应器包括从汽提气体管线接收汽提气流的等离子体反应器气体入口，以及提供汽提气流回到汽提气体管线的等离子体反应器气体出口，该等离子体反应器构造成减少汽提气流的游离氧含量，使得离开等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口游离氧含量低于进入等离子体反应器气体入口的汽提气流的入口游离氧含量。

Description

带有等离子体反应器的燃料氧减少单元
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其操作方法。
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，涡轮机包括按串流顺序的压缩机区段、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。燃烧气体从燃烧区段传送到涡轮区段。穿过涡轮区段的燃烧气流驱动涡轮区段，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。燃料已确定为在操作期间接收至少一些此类热量的有效散热物，至少部分地由于其热容量和燃烧较高温燃料可能导致的燃烧操作效率的提高。
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“焦化”，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。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中阐明，或可从描述中清楚，或可通过实施本发明学习到。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种用于航空发动机的燃料氧减少单元。燃料氧减少单元包括提供汽提气流的汽提气体管线和与汽提气体管线流体连通的等离子体反应器，该等离子体反应器具有从汽提气体管线接收汽提气流的等离子体反应器气体入口，以及提供汽提气流回到汽提气体管线的等离子体反应器气体出口，该等离子体反应器构造成减少汽提气流的氧含量，使得离开等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量低于进入等离子体反应器气体入口的汽提气流的入口氧含量。
在某些示例性实施例中，等离子体反应器包括反应器管，该反应器管向流过等离子体反应器的汽提气流提供重复的等离子体功率脉冲。
在某些示例性实施例中，等离子体反应器释放电场以破坏和重整汽提气流的化学键，从而减少离开等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量。
在某些示例性实施例中，等离子体反应器将离开等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量减少至按质量计小于约百分之0.1（0.1％）的氧（O2）。
在本公开的另一个示例性实施例中，提供了一种用于航空发动机的燃料氧减少单元。燃料氧减少单元包括提供汽提气流的汽提气体管线；提供入口燃料流的燃料管线；与汽提气体管线和燃料管线流体连通的接触器，其中该接触器将入口燃料流与汽提气流混合以形成燃料/气体混合物流；以及与接触器流体连通的分离器，其中分离器从接触器接收燃料/气体混合物流，并将燃料/气体混合物流分离回到提供至汽提气体管线的汽提气流和出口燃料流。燃料氧减少单元包括与分离器流体连通的等离子体反应器，该等离子体反应器具有接收离开分离器的汽提气流的等离子体反应器气体入口和提供汽提气流回到汽提气体管线的等离子体反应器气体出口，等离子体反应器构造成减少汽提气流的氧含量，使得离开等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量低于进入等离子体反应器气体入口的汽提气流的入口氧含量。
在某些示例性实施例中，等离子体反应器在分离器的下游。
在某些示例性实施例中，等离子体反应器在分离器和接触器之间并与分离器和接触器流体连通。
在某些示例性实施例中，等离子体反应器包括反应器管，该反应器管向流过等离子体反应器的汽提气流提供重复的等离子体功率脉冲。
在某些示例性实施例中，等离子体反应器释放电场以破坏和重整汽提气流的化学键，从而减少离开等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量。
在某些示例性实施例中，等离子体反应器将离开等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量减少至按质量计小于约百分之0.1（0.1％）的氧（O2）。
在某些示例性实施例中，接触器包括接触器气体入口、接触器燃料入口和接触器出口；接触器气体入口与汽提气体管线流体连通；以及接触器燃料入口与燃料管线流体连通。
在某些示例性实施例中，接触器气体入口接收离开等离子体反应器气体出口的汽提气流。
在某些示例性实施例中，出口燃料流具有比入口燃料流低的氧含量。
在本公开的示例性方面，提供了一种用于操作用于航空发动机的燃料氧减少单元的方法。该方法包括在燃料氧减少单元的接触器中将从燃料管线接收的入口燃料流与从汽提气体管线接收的汽提气流混合，以形成燃料/气体混合物流；在燃料氧减少单元的分离器中接收燃料/气体混合物流；将燃料/气体混合物流分离回到提供至汽提气体管线的汽提气流和出口燃料流；以及通过使汽提气流流过等离子体反应器来减少离开分离器的汽提气流的氧含量。
在某些示例性方面，通过使汽提气流流过等离子体反应器来减少离开分离器的汽提气流的氧含量包括提供与分离器流体连通的等离子体反应器，该等离子体反应器具有接收离开分离器的汽提气流的等离子体反应器气体入口和提供汽提气流回到汽提气体管线的等离子体反应器气体出口，等离子体反应器构造成减少汽提气流的氧含量，使得离开等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量低于进入等离子体反应器气体入口的汽提气流的入口氧含量。
在某些示例性方面，等离子体反应器包括反应器管，该反应器管向流过等离子体反应器的汽提气流提供重复的等离子体功率脉冲。
在某些示例性方面，等离子体反应器释放电场以破坏和重整汽提气流的化学键，从而减少离开等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量。
在某些示例性方面，出口燃料流具有比入口燃料流低的氧含量。
本发明的这些及其它特征、方面和优点将参考以下描述和所附权利要求书变得更好理解。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. 一种用于航空发动机的燃料氧减少单元，包括：
提供汽提气流的汽提气体管线；以及
与所述汽提气体管线流体连通的等离子体反应器，所述等离子体反应器具有从所述汽提气体管线接收汽提气流的等离子体反应器气体入口和提供所述汽提气流回到所述汽提气体管线的等离子体反应器气体出口，所述等离子体反应器构造成减少所述汽提气流的氧含量，使得离开所述等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量低于进入所述等离子体反应器气体入口的汽提气流的入口氧含量。
技术方案2. 根据任意前述技术方案所述的燃料氧减少单元，其中，所述等离子体反应器包括反应器管，所述反应器管向流过所述等离子体反应器的汽提气流提供重复的等离子体功率脉冲。
技术方案3. 根据任意前述技术方案所述的燃料氧减少单元，其中，所述等离子体反应器释放电场以破坏和重整所述汽提气流的化学键，从而减少离开所述等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量。
技术方案4. 根据任意前述技术方案所述的燃料氧减少单元，其中，所述等离子体反应器将离开所述等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量减少至按质量计小于约百分之0.1（0.1％）的氧（O2）。
技术方案5. 一种用于航空发动机的燃料氧减少单元，包括：
提供汽提气流的汽提气体管线；
提供入口燃料流的燃料管线；
与所述汽提气体管线和所述燃料管线流体连通的接触器，其中所述接触器将所述入口燃料流与所述汽提气流混合以形成燃料/气体混合物流；
与所述接触器流体连通的分离器，其中所述分离器从所述接触器接收所述燃料/气体混合物流，并将所述燃料/气体混合物流分离回到提供至所述汽提气体管线的汽提气流和出口燃料流；以及
与所述分离器流体连通的等离子体反应器，所述等离子体反应器具有接收离开所述分离器的汽提气流的等离子体反应器气体入口和提供所述汽提气流回到所述汽提气体管线的等离子体反应器气体出口，所述等离子体反应器构造成减少所述汽提气流的氧含量，使得离开所述等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量低于进入所述等离子体反应器气体入口的汽提气流的入口氧含量。
技术方案6. 根据任意前述技术方案所述的燃料氧减少单元，其中，所述等离子体反应器在所述分离器的下游。
技术方案7. 根据任意前述技术方案所述的燃料氧减少单元，其中，所述等离子体反应器在所述分离器和所述接触器之间并且与所述分离器和所述接触器流体连通。
技术方案8. 根据任意前述技术方案所述的燃料氧减少单元，其中，所述等离子体反应器包括反应器管，所述反应器管向流过所述等离子体反应器的汽提气流提供重复的等离子体功率脉冲。
技术方案9. 根据任意前述技术方案所述的燃料氧减少单元，其中，所述等离子体反应器释放电场以破坏和重整所述汽提气流的化学键，从而减少离开所述等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量。
技术方案10. 根据任意前述技术方案所述的燃料氧减少单元，其中，所述等离子体反应器将离开所述等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量减少至按质量计小于约百分之0.1（0.1％）的氧（O2）。
技术方案11. 根据任意前述技术方案所述的燃料氧减少单元，其中，所述接触器包括接触器气体入口、接触器燃料入口和接触器出口，
其中所述接触器气体入口与所述汽提气体管线流体连通，并且
其中所述接触器燃料入口与所述燃料管线流体连通。
技术方案12. 根据任意前述技术方案所述的燃料氧减少单元，其中，所述接触器气体入口接收离开所述等离子体反应器气体出口的汽提气流。
技术方案13. 根据任意前述技术方案所述的燃料氧减少单元，其中，所述出口燃料流具有比所述入口燃料流低的氧含量。
技术方案14. 一种用于操作用于航空发动机的燃料氧减少单元的方法，所述方法包括：
在所述燃料氧减少单元的接触器中将从燃料管线接收的入口燃料流与从汽提气体管线接收的汽提气流混合，以形成燃料/气体混合物流；
在所述燃料氧减少单元的分离器中接收所述燃料/气体混合物流；
将所述燃料/气体混合物流分离回到提供至所述汽提气体管线的汽提气流和出口燃料流；以及
通过使汽提气流流过等离子体反应器来减少离开所述分离器的汽提气流的氧含量。
技术方案15. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中，通过使汽提气流流过所述等离子体反应器来减少离开所述分离器的汽提气流的氧含量包括提供与所述分离器流体连通的所述等离子体反应器，所述等离子体反应器具有接收离开所述分离器的汽提气流的等离子体反应器气体入口和提供所述汽提气流回到所述汽提气体管线的等离子体反应器气体出口，所述等离子体反应器构造成减少所述汽提气流的氧含量，使得离开所述等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量低于进入所述等离子体反应器气体入口的汽提气流的入口氧含量。
技术方案16. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中，所述等离子体反应器包括反应器管，所述反应器管向流过所述等离子体反应器的汽提气流提供重复的等离子体功率脉冲。
技术方案17. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中，所述等离子体反应器释放电场以破坏和重整所述汽提气流的化学键，从而减少离开所述等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量。
技术方案18. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中，所述出口燃料流具有比所述入口燃料流低的氧含量。
附图说明
包括针对本领域的普通技术人员的其最佳模式的本发明的完整且充分的公开在参考附图的说明书中提出，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实施例的燃料氧减少单元的示意图。
图4是根据本公开的示例性实施例的等离子体反应器的示意图。
图5是根据本公开的示例性实施例的使用等离子体反应器将氧转化成不同产物的示意图。
图6是根据本公开的示例性方面的用于操作用于航空发动机的燃料氧减少单元的方法的流程图。
对应的参考标号表示若干视图各处的对应部分。本文阐述的示例示出了本公开的示例性实施例，并且这些示例不应解释为以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。该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。
提供以下描述以使本领域技术人员能够制造和使用预期用于实现本发明的所描述的实施例。然而，对于本领域技术人员而言，各种修改、等同方案、变化和备选方案将仍容易明白。任何和所有这样的修改、变化、等同物和备选方案旨在落入本发明的精神和范围内。
为了下文描述的目的，用语“上”、“下”、“右”、“左”、“竖直”、“水平”、“顶部”、“底部”、“横向”、“纵向”及其派生词应如其在附图中的定向那样与本发明相关。然而，应当理解，除非在明确相反地指出之处，否则本发明可采取各种备选变型。还应当理解，附图中示出的以及在以下说明书中描述的特定装置仅是本发明的示例性实施例。因此，与本文公开的实施例有关的特定尺寸和其它物理特性不应认为是限制性的。
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”是指流体流至的方向。
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、固定或附接两者，除非本文另外指出。
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“大约”、“约”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，此范围是确定的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。
本公开的燃料氧减少单元包括等离子体反应器，其构造为减少汽提气流的游离氧含量，使得离开等离子体反应器的汽提气流的出口游离氧含量低于进入等离子体反应器的汽提气流中的入口游离氧含量。与常规系统相比，本公开的等离子体反应器可将具有较低的能量输入/较低的功率要求的较低温度反应提供到汽提气流中。由于系统的升温，本公开的等离子体反应器不需要启动时间，并且将开始破坏化学键并几乎立即去除氧。与常规系统相比，本公开的等离子体反应器可能需要更少的控制和更少的监测。
现在参考附图，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示例性实施例的发动机的示意性截面视图。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（平行于供参考的纵向中心线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，风扇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101旋转。盘130由可旋转的前毂132覆盖，毂为促进空气流穿过多个风扇叶片128的空气动力轮廓。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。
仍参考图1，涡扇发动机100还包括附件齿轮箱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，附件齿轮箱142位于涡轮机104的整流罩/外壳106内。另外，应当认识到，尽管未在图1中示意性地示出，但是附件齿轮箱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，附件齿轮箱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，燃料氧减少单元144联接至附件齿轮箱142或可另外随其旋转。以此方式，将认识到，示例性燃料氧减少单元144由附件齿轮箱142驱动。值得注意的是，如本文所用，用语“燃料氧减少”大体是指能够减少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。
然而，将认识到，仅通过举例的方式提供了图1中所示的示例性涡扇发动机100。在其它示例性实施例中，任何其它合适的发动机可利用本公开的方面。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，将进一步认识到，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示意性地示为直接驱动的固定桨距的涡扇发动机100，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之间的齿轮箱），可为可变桨距燃气涡轮发动机（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，尽管在此未示出，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，本公开的方面可并入或以其它方式结合任何其它类型的发动机使用，如往复式发动机。
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）的燃料氧减少单元144，但是在其它实施例中，燃料氧减少单元144可位于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。另外，在其它实施例中，燃料氧减少单元144可附加地或备选地由其它合适的功率源驱动，如电马达、液压马达或与HP或LP轴的独立机械联接，等。
现在参考图2，提供了根据本公开的示例性方面的用于航空发动机（例如，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减少单元144）。
如从本文的论述中将认识到，图2的燃料氧减少单元200大体上包括接触器202、分离器204和等离子体反应器210。参考图2，等离子体反应器210在分离器204的下游。在一个实施例中，等离子体反应器210在分离器204和接触器202之间并与之流体连通。在图2中所示的示例性实施例中，如下面更详细描述的，气体增压泵208在等离子体反应器210的下游。
本公开的燃料氧减少单元200包括等离子体反应器210，该等离子体反应器构造成减少汽提气流220的游离氧含量，使得离开等离子体反应器210的汽提气流220的出口游离氧含量小于进入等离子体反应器210的汽提气流220的入口游离氧含量。与常规系统相比，本公开的等离子体反应器210可将具有较低的能量输入/较低的功率要求的较低温度反应提供到汽提气流中。由于系统的升温，本公开的等离子体反应器210不需要启动时间，并且将开始破坏化学键并几乎立即去除氧。与常规系统相比，本公开的等离子体反应器210可能需要更少的控制和更少的监测。
如将在下面描述的，所示的示例性接触器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，在某些实施例中，接触器202可为机械地驱动的接触器（例如，具有用于混合所接收的流的桨叶），或备选地可为被动接触器，以用于至少部分地使用所接收的流的压力和/或流速来混合所接收的流。例如，被动接触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分离器204延伸至接触器202的循环气体流径206。在某些示例性实施例中，除了多个汽提气体管线205以及循环气体流径206内的结构或构件之外，循环气体流径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，燃料氧减少单元200大体上在操作期间提供通过多个汽提气体管线205和汽提气体流径206的汽提气流220。将认识到，用语“汽提气体”在本文中用作方便用语来指大体上能够执行本文所述功能的气体。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，其作用是从接触器内的燃料中汽提氧，或备选地可为冒泡喷射气体，其通过液体燃料以减少此燃料的游离氧含量。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。在一些示例性实施例中，气体混合物可由至少95％质量的惰性气体或具有相对低的氧含量的一些其它气体或气体混合物构成。
此外，对于图2中所示的示例性燃料氧减少单元，燃料氧减少单元200还包括气体增压泵208和等离子体反应器210。对于所示的实施例，气体增压泵208和等离子体反应器210分别以串流布置在循环气体流径206内。另外，气体增压泵208可构造为联接到功率源（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的功率源可为用于分离器的相同功率源（下面论述），或备选地，可为任何其它合适的功率源。例如，在某些实施例中，气体增压泵208可联接至附件齿轮箱142（见图1）、合适的功率源等。
仍参考图2的实施例，将认识到，分离器204包括气体出口214、液体燃料出口216和入口218。接触器202包括气体入口207、燃料入口209和出口215。等离子体反应器210包括等离子体反应器气体入口212和等离子体反应器气体出口213。
将认识到，所示的示例性燃料氧减少单元200可与燃料输送系统146一起操作，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）。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例如在燃料入口209处流体地连接到接触器202，以用于向接触器202提供液体燃料流或入口燃料流226（例如，从诸如燃料箱的燃料源），并且出口燃料管线224流体地连接到分离器204的液体燃料出口216，以接收脱氧的液体燃料流或出口燃料流227。
此外，在典型操作期间，汽提气流220从分离器204的气体出口214流经循环气体流径206，穿过等离子体反应器210，以减少汽提气体220中的游离氧含量，并到达接触器202，例如在气体入口207处。更确切地说，在典型操作期间，汽提气体220从分离器204的气体出口214流过等离子体反应器210，并流向/通过气体增压泵208，其中汽提气体220的压力增加以提供汽提气体220通过循环气体流径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上游的压力和进入接触器202的燃料而言）提供至接触器202，其中汽提气体220与来自入口燃料管线222的液体燃料流226混合以产生燃料气体混合物228。在接触器202内产生的燃料气体混合物流228提供至分离器204的入口218。例如，燃料气体混合物流228在出口215处离开接触器202，并流到分离器204的入口218。
大体上，将认识到，在燃料氧减少单元200的操作期间，通过入口燃料管线222提供至接触器202的液体燃料226可具有相对高的氧含量。提供至接触器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。在接触器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（与通过入口燃料管线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提供至接触器202的汽提气体220相比）。
然后，在分离器204内，将相对高氧含量的汽提气体220从相对低氧含量的燃料226分离回到相应的汽提气流220和液体燃料或出口燃料流227。确切地说，对于所示的实施例，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，在示例性实施例中，分离器204构造为机械驱动的双分离器泵，或更确切地说构造为旋转/离心双分离器泵。因此，分离器204包括输入轴232和单级分离器/泵组件234。输入轴232机械地联接到单级分离器/泵组件234，并且两个构件一起可绕中心轴线230旋转。此外，输入轴232可机械地联接至例如附件齿轮箱（如图1的示例性附件齿轮箱142）并由其驱动。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功率源，如电马达。将认识到，单级分离器/泵组件234可同时将混合物228分离回到汽提气流220和来自混合物228的出口燃料流227，并增加分离的出口燃料流227的压力（如将在下面更详细地论述）。
另外，所示的示例性单级分离器/泵组件234大体上包括沿中心轴线230布置的内部气体过滤器236和沿径向方向R定位在内部气体过滤器236外部的多个桨叶238。在操作期间，单级分离器/泵组件234绕中心轴线230的旋转，且更具体地，多个桨叶238绕中心轴线230的旋转（即，沿周向方向C）大体上可将较重的出口燃料流227沿径向方向R推向外，且将较轻的汽提气体220沿径向方向R通过内部气体过滤器236推向内。以此方式，出口燃料流227可通过分离器204的液体燃料出口216离开，且汽提气体220可通过分离器204的气体出口214离开，如所示。
此外，将认识到，利用这种构造，通过液体燃料出口216离开分离器204的出口燃料流227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，并且进一步高于通过入口218提供的燃料/气体混合物228。这可能至少部分是由于施加在这种出口燃料流227上的离心力以及多个桨叶238的旋转。另外，将认识到，对于所示实施例，液体燃料出口216沿径向方向R位于入口218（即，燃料气体混合物入口）的外部。这也可帮助增加通过分离器204的液体燃料出口216提供的出口燃料流227的压力。
例如，将认识到，利用此示例性实施例，燃料氧减少单元200的分离器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”是指提供至分离器204的液体燃料出口216的出口燃料流227的流压力（即，“液体燃料出口压力”）与通过入口燃料管线222提供至接触器202的液体燃料226的压力之间的净压力差。在至少某些示例性实施例中，出口燃料流227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，如高达约七百五十（750）psi。通过这样的构造，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四十五（45）psi。在其它构造中，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，如在操作期间高达约八百（800）psi。
此外，将认识到，提供至液体燃料出口216的已经与汽提气体220相互作用的出口燃料流227可具有相对低的氧含量，使得可向其中添加相对大量的热，而减少了燃料焦化（即发生化学反应形成固体颗粒，这些固体颗粒可能会堵塞或损坏燃料流径内的构件）的风险。例如，在至少某些示例性方面，提供至液体燃料出口216的出口燃料流227可具有小于约百万分之五（5）份（“ppm”）的游离氧含量，如小于约三（3）ppm，如小于约两（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减少单元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，已经与液体燃料226相互作用的离开分离器204的汽提气体220具有相对高的氧含量。因此，为了再利用汽提气体220，需要减少来自分离器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流过等离子体反应器210，在该反应器中汽提气体220的氧含量减少。在示例性实施例中，等离子体反应器气体入口212从汽提气体管线205接收汽提气流220，并且等离子体反应器气体出口213将汽提气流220提供回到等离子体反应器210下游的汽提气体管线205。等离子体反应器210构造为减少汽提气流220的游离氧含量，使得离开等离子体反应器气体出口213的汽提气流220的出口氧含量低于进入等离子体反应器气体入口212的汽提气流220的入口氧含量。在这些构造中的一个或多个中，可产生副产物，如水，其可引导远离等离子体反应器210（在图2的实施例中未示出）。在这些实施例中的一个或多个中，等离子体反应器210可构造成将汽提气体220中的游离氧含量减少至按质量计小于约百分之五（5％）的氧（O2），如按质量计小于约百分之二（2）（3%）的氧（O2），如按质量计小于约百分之一（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气体，并回到接触器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））、由按质量计至少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。
然而，将认识到，上述示例性燃料氧减少单元200仅作为示例提供。在其它实施例中，燃料氧减少单元200可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径206，而是改为燃料氧减少单元200包括开环汽提气体流径，其中该流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倒到燃料气体分离器204下游的大气中。
此外，然而将认识到，在其它示例性实施方式中，燃料氧减少单元200可具有任何其它合适的构造。例如，在其它实施例中，燃料氧减少单元200可具有任何其它合适的分离器，可使其构件以任何其它合适的流动顺序布置，可不包括所示的每个构件，可包括以任何其它合适的方式构造的构件，或可包括本文未描绘或描述的其它构件。
现在参考图3，提供了根据本公开的示例性实施例的燃料氧减少单元300的示意图。参考图3，燃料氧减少单元300大体包括接触器302、分离器304、等离子体反应器310、提供汽提气流332的汽提气体管线330，以及提供来自诸如燃料箱的燃料源344的入口燃料流342的燃料管线340。
本公开的燃料氧减少单元300包括等离子体反应器310，该等离子体反应器构造成减少汽提气流332的游离氧含量，使得离开等离子体反应器310的汽提气流332的出口游离氧含量低于进入等离子体反应器310的汽提气流332的入口游离氧含量。与常规系统相比，本公开的等离子体反应器310可将具有较低的能量输入/较低的功率要求的较低温度反应提供到汽提气流中。由于系统的升温，本公开的等离子体反应器310不需要启动时间，并且将开始破坏化学键并几乎立即去除氧。与常规系统相比，本公开的等离子体反应器310需要更少的控制和更少的监测。
参考图3，在示例性实施例中，接触器302与汽提气体管线330和燃料管线340流体连通。接触器302包括接触器气体入口350、接触器燃料入口352和接触器出口354。接触器气体入口350与汽提气体管线330流体连通，并接收汽提气流332。接触器燃料入口352与燃料管线340流体连通并接收入口燃料流342。接触器302将入口燃料流342与汽提气流332混合以形成燃料/气体混合物流328。
仍参考图3，在示例性实施例中，分离器304与接触器302流体连通。分离器304包括入口360、气体出口362和液体燃料出口364，在该处脱氧的液体燃料流或出口燃料流366离开分离器304。分离器304在入口360处从接触器302接收燃料/气体混合物流328，并将燃料/气体混合物流328分离回到提供至汽提气体管线330的汽提气流332和出口燃料流366。汽提气流332在气体出口362处离开分离器304并且行进至等离子体反应器310，并且出口燃料流366在液体燃料出口364处离开分离器304。在一个实施例中，出口燃料流366具有比入口燃料流342低的氧含量。
仍参考图3，在示例性实施例中，等离子体反应器310包括等离子体反应器气体入口312和等离子体反应器气体出口314。等离子体反应器310在分离器304的下游。在一个实施例中，等离子体反应器310在分离器304和接触器302之间并与之流体连通。等离子体反应器气体入口312接收离开分离器304的汽提气流332，且等离子体反应器气体出口314将汽提气流332提供回到汽提气体管线330。如上所述，等离子体反应器310构造成减少汽提气流332的游离氧含量，使得离开等离子体反应器气体出口314的汽提气流332的出口游离氧含量低于进入等离子体反应器气体入口312的汽提气流332的入口游离氧含量。在一个实施例中，接触器气体入口350接收离开等离子体反应器气体出口314的汽提气流332。在汽提气流332离开等离子体反应器气体出口314之后，它可行进到/通过气体增压泵308，以在汽提气流332流到接触器302时增加其压力。
现在参考图4，提供了根据本公开的示例性实施例的等离子体反应器的示意性理论图。本公开的燃料氧减少单元包括等离子体反应器410，该等离子体反应器构造成减少汽提气流420的游离氧含量，使得离开等离子体反应器410的汽提气流420的出口游离氧含量低于进入等离子体反应器410的汽提气流420的入口游离氧含量。与常规系统相比，本公开的等离子体反应器410可将具有较低的能量输入/较低的功率要求的较低温度反应提供到汽提气流中。由于系统的升温，本公开的等离子体反应器410不需要启动时间，并且将开始破坏化学键并几乎立即去除氧。与常规系统相比，本公开的等离子体反应器410需要更少的控制和更少的监测。在至少某些示例性实施例中，图4中描绘的示例性等离子体反应器410可结合到例如图2和图3中描绘并且如上所述的示例性燃料氧减少单元200、300中。
参考图4，如上面参考图2所详细描述的，本公开的等离子体反应器410包括等离子体反应器气体入口412和等离子体反应器气体出口413。等离子体反应器气体入口412从汽提气体管线205（图2）接收汽提气流420，并且等离子体反应器气体出口413将汽提气流420提供回到等离子体反应器410下游的汽提气体管线205（图2）。
仍参考图4，等离子体反应器410构造成减少汽提气流420的游离氧含量，使得离开等离子体反应器气体出口413的汽提气流420的出口游离氧含量低于进入等离子体反应器气体入口412的汽提气流420的入口游离氧含量。
在示例性实施例中，本公开的等离子体反应器410包括反应器管450，其向流过等离子体反应器410的汽提气流420提供重复的等离子体功率脉冲。例如，在一个实施例中，本公开的等离子体反应器410可包括反应器管450，汽提气体420流过该反应器管，并经受具有介入时间的重复等离子体功率脉冲，在介入时间中，没有沉积等离子体功率但气相化学反应仍进行。在一个实施例中，增加每个等离子体脉冲中的能量导致更快的氧去除。
仍参考图4，在一个理论实施例中，等离子体反应器410包括第一反应器452和第二反应器454，第一反应器452是具有等离子体的量热弹反应器，且第二反应器454是没有等离子体的量热弹反应器。
在示例性实施例中，参考图4，进入等离子体反应器气体入口412的汽提气流420首先在第一反应器452中经历脉冲等离子体条件。假设电场值并计算电流。通过设置脉冲能量来控制等离子体脉冲的持续时间。
在一个理论实施例中，汽提气体420离开第二反应器454，并然后经由再循环流回路458再循环回到第一反应器452，并且可经受后续的等离子体脉冲。气体在反应器中的停留时间对应于脉冲重复时间与通过反应器452、454的再循环次数的乘积。本公开的等离子体反应器410可用于通过反应器452、454的任何数量的再循环，包括通过反应器452、454的单个循环。在另一个理论实施例中，气体在反应器中的停留时间仅对应于流速和长度，并且不需要再循环。在其它实施例中，可想到具有不同构造和不同几何形状的其它反应器。
汽提气体420在等离子体反应器气体出口413处离开等离子体反应器410。如上所述，离开等离子体反应器气体出口413的汽提气流420的出口游离氧含量低于进入等离子体反应器气体入口412的汽提气流420的入口游离氧含量。
本公开的等离子体反应器410通过等离子体反应器410释放电场以破坏和重整汽提气流420的化学键，从而减少离开等离子体反应器气体出口413的汽提气流420的出口游离氧含量。例如，本公开的等离子体反应器410可将氧分解成以下去除反应：（A） CH3 + O2 +M ↔ CH3OH + M；（B） CH2 + O2 ↔ H + H + CO2；以及（C） CH2OH + O2 ↔ HO2 + CH2O。此外，参考图5，示出了使用本公开的等离子体反应器410分解和重整氧的其它示例性产品。然而，可预见，本公开的等离子体反应器410可将氧分解成其它去除反应。
在示例性实施例中，朝着从氮（> 90％）、二氧化碳（〜4％）、水蒸气（<1％）和燃料蒸汽（<1％）的气流中去除少量氧（<1％）的目标评估本公开的等离子体反应器410。冷弱电离的等离子体应在约300 K的低气体温度下促进氧与燃料蒸汽的反应。高能电子（特征温度10000–50000 K）与大量氮分子发生碰撞，形成电子激发的氮N2 *，其然后与氧分子发生碰撞，导致分子解离并形成反应性O原子。然后，这些反应性O原子与燃料分子发生反应，以形成冷燃烧产物，如CO和CH2O，从而减少O2的分压。然而，可预见，本公开的等离子体反应器410可将氧分解成其它去除反应并且以其它示例性方式。
在本公开的示例性实施例中，等离子体反应器410将离开等离子体反应器气体出口413的汽提气流420的出口氧含量减少到按质量计小于约百分之0.1（0.1％）的氧（O2）。在本公开的其它示例性实施例中，等离子体反应器410将离开等离子体反应器气体出口413的汽提气流420的出口氧含量减少到按质量计小于约百分之五（5%）的氧（O2）。在本公开的一个示例性实施方式中，进入等离子体反应器气体入口412的汽提气流420按质量计为约百分之1（1％）的氧（O2），或例如按质量计小于约百分之1（1％）的氧（O2），并且本公开的等离子体反应器410将离开等离子体反应器气体出口413的汽提气流420的出口氧含量减少至按质量计小于约百分之0.1（0.1％）的氧（O2）。在一些实施例中，本公开的等离子体反应器410可将离开等离子体反应器气体出口413的汽提气流420的出口氧含量减少至按质量计零氧（O2）。
现在参考图6，描绘了根据本公开的示例性方面的用于操作用于航空发动机的燃料氧减少单元的方法600。示例性方法600可用于操作以上参考图1至图4描述的示例性燃料氧减少单元中的一个或多个。
对于图6的示例性方面，方法600大体上包括在（602）处在燃料氧减少单元的接触器中将从燃料管线接收的入口燃料流与从汽提气体管线接收的汽提气流混合，以形成燃料/气体混合物流。方法600还包括在（604）处在燃料氧减少单元的分离器中接收燃料/气体混合物流。
对于所示的示例性方面，方法600还包括在（606）处将燃料/气体混合物流分离回到提供至汽提气体管线的汽提气流和出口燃料流。方法600进一步包括在（608）处，通过使汽提气流流过等离子体反应器来减少离开分离器的汽提气流的游离氧含量。
更确切地说，对于所示示例性方面，在（608）处通过使汽提气流流过等离子体反应器来减少离开分离器的汽提气流的游离氧含量包括提供与分离器流体连通的等离子体反应器，该等离子体反应器具有接收离开分离器的汽提气流的等离子体反应器气体入口和提供汽提气流回到汽提气体管线的等离子体反应器气体出口，等离子体反应器构造成减少汽提气流的游离氧含量，使得离开等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口游离氧含量低于进入等离子体反应器气体入口的汽提气流的入口游离氧含量。
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施本发明，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。本发明的专利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。如果此类其它示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，则此类其它示例旨在处于权利要求书的范围内。
尽管已经将本公开描述为具有示例性设计，但是可在本公开的精神和范围内进一步修改本公开。因此，本申请旨在覆盖使用其一般原理的本公开的任何改型、用途或改变。此外，本申请旨在覆盖如在本公开所属领域中已知或惯常实施内并落入所附权利要求书的限制内的本公开的此类偏差。

Claims (10)

1.一种用于航空发动机的燃料氧减少单元，包括：
提供汽提气流的汽提气体管线；以及
与所述汽提气体管线流体连通的等离子体反应器，所述等离子体反应器具有从所述汽提气体管线接收汽提气流的等离子体反应器气体入口和提供所述汽提气流回到所述汽提气体管线的等离子体反应器气体出口，所述等离子体反应器构造成减少所述汽提气流的氧含量，使得离开所述等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量低于进入所述等离子体反应器气体入口的汽提气流的入口氧含量。
2.根据权利要求1所述的燃料氧减少单元，其中，所述等离子体反应器包括反应器管，所述反应器管向流过所述等离子体反应器的汽提气流提供重复的等离子体功率脉冲。
3.根据权利要求1所述的燃料氧减少单元，其中，所述等离子体反应器释放电场以破坏和重整所述汽提气流的化学键，从而减少离开所述等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量。
4.根据权利要求1所述的燃料氧减少单元，其中，所述等离子体反应器将离开所述等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量减少至按质量计小于约百分之0.1（0.1％）的氧（O2）。
5.一种用于航空发动机的燃料氧减少单元，包括：
提供汽提气流的汽提气体管线；
提供入口燃料流的燃料管线；
与所述汽提气体管线和所述燃料管线流体连通的接触器，其中所述接触器将所述入口燃料流与所述汽提气流混合以形成燃料/气体混合物流；
与所述接触器流体连通的分离器，其中所述分离器从所述接触器接收所述燃料/气体混合物流，并将所述燃料/气体混合物流分离回到提供至所述汽提气体管线的汽提气流和出口燃料流；以及
与所述分离器流体连通的等离子体反应器，所述等离子体反应器具有接收离开所述分离器的汽提气流的等离子体反应器气体入口和提供所述汽提气流回到所述汽提气体管线的等离子体反应器气体出口，所述等离子体反应器构造成减少所述汽提气流的氧含量，使得离开所述等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量低于进入所述等离子体反应器气体入口的汽提气流的入口氧含量。
6.根据权利要求5所述的燃料氧减少单元，其中，所述等离子体反应器在所述分离器的下游。
7.根据权利要求6所述的燃料氧减少单元，其中，所述等离子体反应器在所述分离器和所述接触器之间并且与所述分离器和所述接触器流体连通。
8.根据权利要求5所述的燃料氧减少单元，其中，所述等离子体反应器包括反应器管，所述反应器管向流过所述等离子体反应器的汽提气流提供重复的等离子体功率脉冲。
9.根据权利要求5所述的燃料氧减少单元，其中，所述等离子体反应器释放电场以破坏和重整所述汽提气流的化学键，从而减少离开所述等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量。
10.根据权利要求5所述的燃料氧减少单元，其中，所述等离子体反应器将离开所述等离子体反应器气体出口的汽提气流的出口氧含量减少至按质量计小于约百分之0.1（0.1％）的氧（O2）。
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