CN116096988A - 航空低温涡轮机燃料供应回路及相关方法 - Google Patents

航空低温涡轮机燃料供应回路及相关方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于将燃料供应到航空低温涡轮机的回路，包括：至少一个低温贮存器(14)，其含有顶覆蒸发气体(14B)的液体燃料，并且包括用于将液体燃料供应到涡轮机的至少一个主发动机(120)的高压液体泵(16)；包括发电机(220)的辅助涡轮机(22)；用于将气态燃料供应到辅助涡轮机的气体压缩机(24)；以及缓冲气体贮存器(26)，其将气体压缩机连接到低温贮存器，用于将气体重新注入低温贮存器，以将低温贮存器中的压力保持在预先限定值以上，发电机(220)将电能供应到高压液体泵(16)和气体压缩机(24)。

Description

航空低温涡轮机燃料供应回路及相关方法
技术领域
本发明涉及低温推进领域，更具体地，涉及一种用于将液氢供应到航空涡轮机的回路。
背景技术
目前，在航空领域，由于贮存器的体积和重量的原因，已知的使用低温燃料推进飞行器的架构要求从低温贮存器供应冷液体(根据燃料的性质，在20K和150K之间)，在燃料与主推进装置的主空气流(特别是在该推进装置的喷嘴中)之间安装热交换器，以使燃料达到注入燃烧室所需的温度条件。如果必须用飞行器的常规热源加热燃料，则该加热对于防止(特别是喷射器)结冰风险和限制从燃烧室抽出的能量的量是特别必要的。然而，这些热交换器在主流中产生重负载损失，这通过降低推力和能量效率而降低了主推进装置的能量效率。
此外，由于低温贮存器外部的热输入被转移到液体燃料而导致其蒸发，由于该贮存器的依赖于双真空夹套技术的隔热目的在于使液体燃料的蒸发最小化，因此其是难以负担且昂贵的，通常非常低的气体流随后在贮存器中压力过高的情况下经由过压阀排出到环境大气中。
因此，为了在成本、重量、可靠性和性能方面达到可接受的折衷，使用了不太有效的隔热，这将尤其导致蒸发气体流的增加，因此出于安全和燃料成本的原因，需要管理、特别是避免向外通风，或在诸如液化烃之类的特殊燃料的情况下避免环境影响。
一种已知但实施起来昂贵且复杂的解决方案是该蒸发气体的再冷凝或再液化。因此，非常需要一种更便宜、易于管理和实施的替代解决方案。
发明内容
因此，本发明的主要目的是缓和这些缺点，它提供了用液体燃料运行的涡轮机燃料供应回路，并通过调节蒸发气体来提高其能源效率，因为蒸发气体代表着重量、能量和金钱，所以不再丢弃，而是将其重新注入供应涡轮机的推进装置的燃料供应回路。本发明的目的还在于，使得能够使用这种气体将动力供应到燃料供应回路的泵，并产生飞行器所需的所有非推进形式的动力。另一目的是避免在大范围的流中损失这些蒸发气体。
通过用于航空低温涡轮机的液体燃料供应回路实现这些目的，该液体燃料供应回路包括：至少一个低温贮存器，其含有顶覆蒸发气体的液体燃料、并且包括连接到所述低温贮存器的出口以将液体燃料供应到涡轮机的至少一个主推进装置的高压液体泵；辅助涡轮机，其包括发电机，并经由其排出气体产生热；气体压缩机，其安装在低温贮存器与辅助涡轮机之间以将气态燃料供应到辅助涡轮机；以及缓冲气体贮存器，其将气体压缩机的出口连接到低温贮存器的入口，以将气体重新注入低温贮存器，从而将低温贮存器中的压力保持在预先限定值以上，所述发电机将电能供应到所述高压液体泵和所述气体压缩机。
因此，消耗蒸发气体并插入液体燃料供应回路的辅助涡轮机的并入使得在任何情况下能够通过缓冲气体贮存器的存在从低温贮存器放出液体和气体，这显著提高了航空低温涡轮机的效率。
较佳地，缓冲气体贮存器也连接到将低温贮存器连接到气体压缩机的气体管道，以允许从缓冲贮存器启动辅助涡轮机。
根据所设想的实施例，主推进装置的燃料供应回路还可以包括第一热交换器，其处于气体压缩机出口处的气态燃料与辅助涡轮机的排出气体之间。将在第一热交换器中由此加热的气态燃料引导至涡轮机的主推进装置以与液态燃料混合。
供应回路还可以包括第二热交换器，其处于高压液体泵出口处的液体燃料与辅助涡轮机的排出气体之间。
供应回路还可以进一步包括通道，该通道将高压液体泵的出口连接到低温贮存器的入口，以将液体重新注入所述低温贮存器中。
有利地，所述液体燃料是液氢。
本发明还涉及一种包括上述液体燃料供应回路的航空低温涡轮机和一种包括至少一个航空低温涡轮机的飞行器。
本发明还涉及用于航空低温涡轮机的燃料供应方法，其中，连接到低温贮存器的出口的高压液体泵将液体燃料供应到涡轮机的至少一个主推进装置，低温贮存器含有顶覆蒸发气体的液体燃料；包括发电机的辅助涡轮机经由其排出气体产生热；安装在低温贮存器与辅助涡轮机之间的气体压缩机将气态燃料供应到辅助涡轮机；以及将气体压缩机的出口连接到低温贮存器的入口的缓冲气体贮存器将气体重新注入低温贮存器，从而将低温贮存器中的压力保持在预先限定值以上，所述发电机将电能供应到所述高压液体泵和所述气体压缩机。
较佳地，所述发电机也将电能供应到非推进功率消耗源。
附图说明
本发明的其它特征和优点将从下面参考附图给出的描述中显现出来，这些附图示出了本发明的示例性实施例而没有任何限制，并且附图中：
[图1]图1示出了根据本发明的液体燃料供应回路的示例，以及
[图2]图2示出了图1的供应回路的带双热交换器的变型。
具体实施方式
图1示意性地示出了航空涡轮机12的液体燃料供应回路10，通常为液氢。
已知该供应回路包括：一个或多个低温贮存器14，其含有顶覆蒸发气体14B的液体燃料14A；以及至少一个高压液体泵16，其连接到低温贮存器，以经由主液体管线20供应涡轮机12的主推进装置120。高压液体泵16可以通过浸没在贮存器中的一个或多个馈送泵18来辅助放出液体燃料14A。
根据本发明，供应回路还包括：辅助涡轮机22，在本说明书的其余部分中被称为PGU(Power Generation Unit，发电单元)，其安装在贮存器附近并且包括一个或多个发电机220(有利地安装在PGU的自由低压轴上)，并经由其排出气体产生热量；气体压缩机24，其安装在低温贮存器14与辅助涡轮机22之间，经由主气体管线26将气体燃料供应到辅助涡轮机；以及缓冲气体贮存器28，其将气体压缩机24的出口连接到低温贮存器14的入口，以将气体重新注入低温贮存器，从而使低温贮存器中的压力保持高于预先限定值(对于液氢，通常为2bar)。
一个或多个发电机220连接到高压液体泵16(如果存在，还连接到一个或多个馈送泵18)和气体压缩机24，以为它们供电，从而允许它们运行。更准确地，该发电机确保为气流的压缩供应能量，其一部分为PGU提供燃料，以及将能量供应到液体泵，该液体泵对液体加压并将液体从低温贮存器放出。因此，它确保将能量供应到飞行器的非推进系统(负载122)(航空电子设备、致动器、机舱系统等)。
气态燃料在气体压缩机24的出口处经由主气体管线26输送并且辅助涡轮机22利用其运行，该气态燃料通过将低温贮存器14连接到气体压缩机24的气体管道30而来自含有蒸发气体14B的低温贮存器14，或者通过开通到气体管道30中的另一气体管道32而来自缓冲气体贮存器28(制成在主气体管线26上的分接头经由气体管道34开通到缓冲贮存器中)。该气态燃料(来自两个贮存器的汽化气体)产生使用发电机220转化成电的机械能，并经由排出气体产生热。
在高压液体泵16的出口处的主液体管线20上制有分接头，以经由开通到低温贮存器14的通道36重新注射液体，从而允许所述泵的冷却，并确保其在宽流量范围内的最佳运行。该贮存器还包括过压阀38，以保证气体向外部的任何排放。
当然，在这些通道和管道上制有各种阀40-56和传感器(未示出)，以确保液体或气体流的控制是由通用控制单元58控制的。
如图2的变型实施例所示，可以设置第一热交换器60，其安装在PGU的喷嘴62中，处于PGU的排出气体64与由于主气体管线26的分接头(或主气体管线本身)而流经第二气体管线26A的气态燃料之间，以加热气体。
加热气体也可以在该第一交换器60的出口处与液体低温流混合，以获得单个更热流，这限制了其内部燃料非常冷的管线的长度，并导致相当大的热机械应力和瞬态中的流量波动风险、以及外部大气结冰的风险。
在适用的情况下，还可以设置第二热交换器66，其也安装在PGU的喷嘴62中，但这一次在这些相同排出气体与流过主液体管线20的液体燃料之间，以直接加热液体流，从而提高温度，并进而减少极冷管线的数量和在推进装置处供应的能量。
该供应回路的操作如下：将在低温贮存器14中产生的蒸发气体以将贮存器中的压力保持在可接受范围内的方式排出该贮存器，并由气体压缩机24压缩，当需要时，气体压缩机24经由主气体管线26供应PGU 22。该主管线上的在气体压缩机下游进行的分接使得能够供应压缩气体的缓冲气体贮存器28，该压缩气体的缓冲气体贮存器具有三重功能。首先，如果蒸发气体流量不足，则能够将气体重新注入低温贮存器14，以将压力保持在预先限定值以上，并向供应PGU的主气体管线供应足够长的时间，以使蒸发气体流量恢复到足够值。接下来，该缓冲贮存器28用于储存等待使用的气体。最后，通过将气体从该缓冲贮存器注入到PGU中以启动PGU，从而启动PGU 22。一旦PGU已经启动，电力和热能可用于供应所设置的不同负载，并加热启动推进装置12所需的气体。更准确地，发电机供应操作气体压缩机24、馈送泵18(如果存在)以及液体16和非推进负载122所需的电。供应PGU的流量由控制单元56调节，以供应发电机220所需的机械能。剩余流可以与PGU的排出气体一起穿过热交换器60以提高其温度，从而定向到涡轮机的推进装置120。液体流量的计算应满足推进装置的燃料需求(发动机流量＝液体流量+气体流量)。
液体低温燃料流补充气体流以供应发动机调节系统所需的燃料量。这种流量在飞行过程中变化很大。然而，高压液体泵16由于其在稳定性、溢流和气穴现象方面的裕度限制，只能在受限的流量范围内运行。
气态燃料流量取决于热输入，并且无法控制。如果气流超过PGU的需要，且缓冲贮存器中的压力小于气体缓冲器的设定点压力，则一部分气流被引导至缓冲贮存器。接下来，供应PGU所需的流被引导至该PGU，该PGU必须供应压缩机、泵和其它非推进负载所消耗的能量，如果有任何剩余流，则将剩余气流引导到发动机。
缓冲贮存器用于对主贮存器加压。如果主贮存器中的压力低于其参考压力，则储存在高压下的气体从缓冲贮存器转移到主贮存器，直到恢复参考压力。
在启动时，来自缓冲贮存器的气体被引入主气体管线以供应PGU，PGU因此能供应泵并经由喷嘴处的第一热交换器加热蒸发气体。
根据本发明，辅助涡轮机通过燃烧来自该蒸发气体的一部分并在喷射到其燃烧室之前被压缩的气态燃料来运行。它产生的机械能转换成电能，为液体泵和气体压缩机以及非推该进负载供电。在其排气口耗散的卡路里还有助于加热主推进装置的供应网络的燃料。
因此，蒸发气体被回收并用于产生足够量的气体，以确保燃料的加热和压缩，并为非推进负载供电。

Claims (11)

1.一种用于航空低温涡轮机的燃料供应回路，包括：至少一个低温贮存器(14)，所述低温贮存器含有顶覆蒸发气体(14B)的液体燃料(14A)，并且包括高压液体泵(16)，所述高压液体泵连接到所述低温贮存器的出口并意图将液体燃料供应到所述涡轮机(12)的至少一个主推进装置(120)；辅助涡轮机(22)，所述辅助涡轮机包括发电机(220)，并经由所述辅助涡轮机的排出气体产生热；气体压缩机(24)，所述气体压缩机安装在所述低温贮存器与辅助涡轮机之间以将气态燃料供应到所述辅助涡轮机；以及缓冲气体贮存器(26)，所述缓冲气体贮存器将所述气体压缩机的出口连接到所述低温贮存器的入口，以将气体重新注入所述低温贮存器，从而将所述低温贮存器中的压力保持在预先限定值以上，所述发电机将电能供应到所述高压液体泵和所述气体压缩机。
2.根据权利要求1所述的燃料供应回路，其特征在于，所述缓冲气体贮存器(26)也连接到气体管道(30)，所述气体管道(30)将所述低温贮存器(14)连接到所述气体压缩机(24)，以允许从所述缓冲储气贮存器启动所述辅助涡轮机。
3.根据权利要求1或2所述的燃料供应回路，其特征在于，还包括第一热交换器(60)，所述第一热交换器处于所述气体压缩机的出口处的气态燃料与所述辅助涡轮机的排出气体之间。
4.根据权利要求3所述的燃料供应回路，其特征在于，意图将在所述第一热交换器(60)中由此加热的气态燃料引导到所述涡轮机的所述主推进装置(120)以与液体燃料混合。
5.根据权利要求1或2所述的燃料供应回路，其特征在于，还包括第二热交换器(66)，所述第二热交换器处于所述高压液体泵的出口处的液体燃料与所述辅助涡轮机的排出气体之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃料供应回路，其特征在于，还包括通道(36)，所述通道将所述高压液体泵的出口连接到所述低温贮存器的入口，以将液体重新注入所述低温贮存器中。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料供应回路，其特征在于，所述液体燃料是液氢。
8.一种航空低温涡轮机，所述航空低温涡轮机包括根据权利要求1至7中任一项所述的燃料供应回路。
9.一种飞行器，所述飞行器包括至少一个根据权利要求8所述的航空低温涡轮机。
10.一种用于航空低温涡轮机的燃料供应方法，其中，连接到低温贮存器(14)的出口的高压液体泵(16)将液体燃料供应到涡轮机(12)的至少一个主推进装置(120)，所述低温贮存器含有顶覆蒸发气体的液体燃料；包括发电机(220)的辅助涡轮机(22)经由所述辅助涡轮机的排出气体产生热；安装在所述低温贮存器与所述辅助涡轮机之间的气体压缩机(24)将气态燃料供应到所述辅助涡轮机；以及将所述气体压缩机的出口连接到所述低温贮存器的入口的缓冲气体贮存器(26)将气体重新注入所述低温贮存器，从而将所述低温贮存器中的压力保持在预先限定值以上，所述发电机将电能供应到所述高压液体泵和所述气体压缩机。
11.根据权利要求10所述的燃料供应方法，其特征在于，所述发电机也将电能供应到非推进动力消耗源(122)。
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