CN1673502A - 扩展操作性能的航空燃料输送系统 - Google Patents

Abstract

一种气体涡轮发动机的燃料输送系统包括供应燃料到燃料脱气装置的主燃料泵。燃料系统的操作流动范围取决于主泵入口处防止泵气穴形成所需的最小净正抽吸压力。燃料和溶解气体的混合物增加防止气穴所需的最小净正抽吸压力。燃料脱气装置包括从燃料中去除溶解气体以便消除溶解气体形成的可渗透薄膜。从液体燃料中去除溶解气体减小所需的净正抽吸压力，使得操作流动范围更宽。

Description

扩展操作性能的航空燃料输送系统

技术领域

本发明总体涉及一种用于航空涡轮发动机的燃料输送系统，本发明尤其涉及一种包括燃料脱气装置的燃料输送系统，燃料脱气装置用来在进入主燃料泵之前去除燃料内溶解的气体。

背景技术

气体涡轮发动机的燃料输送系统通常包括将燃料从燃料罐泵送到两级主燃料泵的罐增压泵。主燃料泵铁磁包括离心级和正位移级。在大多数应用中，主燃料泵的离心级供应所需压力到正位移齿轮级的入口上。当齿轮转动时需要在齿轮级入口处具有压力以便用燃料填充齿轮泵的空腔。齿轮以恒定转速转动以便将恒定流速的燃料提供给燃料计量装置。燃料计量装置独立于系统背压以恒定速度从主燃料泵接收燃料流。燃料计量装置控制输送到发动机的燃料流速。在较低流速下，燃料计量装置处过多的燃料流旁通回到齿轮泵入口。

涡轮发动机的燃料系统受到燃料流速的限制，该流速能够提供主燃料泵的离心级所需的净正抽吸压力。当压力沿着泵叶片减小足够低使得溶解的气体形成气泡时形成气穴。压力随着流体沿着泵叶片流动而增加，造成气泡破裂。由于破裂的气泡可在主燃料泵内造成过大的噪声和振动，因此泵内不需要有气穴。对燃料进行脱气可延迟气穴的出现，由此增加通过燃料系统输送到气体涡轮发动机的燃料流速的范围，而不改变燃料泵的结构。存储在燃料存储罐内的燃料直接接触空气并积累大多是氧和氮的大量溶解气体。当燃料流过系统时燃料的静压力减小，造成溶解的气体从燃料中释放，形成和液体燃料一起流动的蒸气。

不利的是，液体燃料中溶解的气体增加主泵入口处所需的净正抽吸压力。

因此，希望设计一种燃料输送系统，该系统包括在进入主泵之前从燃料中去除气体的装置，以便减小所需的净正抽吸压力，由此抑制气穴，并增加可操作燃料流速的范围。

发明内容

本发明是一种气体涡轮发动机的燃料输送系统，该系统包括在进入主燃料泵的入口之前从燃料中去除溶解气体的燃料脱气装置。

本发明的燃料输送系统包括两级主燃料泵。两级主燃料泵包括离心级和正位移级。到达主燃料泵的离心级的燃料必须在所需净正抽吸压力下或高于所需压力输送。净正抽吸压力通过罐增压泵供应到主燃料泵的入口。

通过与空气接触，燃料罐内的燃料吸收气体。溶解的气体释放并形成和燃料的液体部分一起流动的燃料蒸气。燃料脱气装置布置在罐增压泵和主泵入口之间，以便从燃料去除溶解气体。燃料脱气装置包括与燃料流接触的可渗透薄膜。可渗透薄膜支承在多孔衬垫上。可渗透薄膜上的局部压力差形成为在可渗透薄膜上从燃料中抽取气体，并离开燃料流。从燃料中去除的气体接着排出燃料输送系统。泵送到主泵入口的所得燃料包括显著减少量的溶解气体。通过减小主泵入口处所需的净正抽吸压力，溶解气体的减小增加燃料系统操作范围。

因此，本发明的燃料系统包括脱气装置，以便从燃料中去除气体，消除蒸气的形成，并减小所需净正抽吸压力，从而提供增加范围的燃料流速。

附图说明

从以下当前优选的实施例的详细说明中，本领域普通技术人员将理解本发明的不同特征和优点。伴随详细说明的附图简单描述如下：

图1是本发明气体涡轮发动机和燃料输送系统的示意图；

图2是表示对于具有饱和空气和脱气燃料来说燃料流和净正抽吸压力之间关系的视图；

图3是本发明燃料脱气装置的截面图；

图4是本发明另一燃料脱气装置的截面图；以及

图5是本发明可渗透薄膜的截面图。

具体实施方式

参考图1，示意表示气体涡轮发动机组件10，其包括压缩机14、燃烧器16和涡轮18。压缩机14吸入空气20并将空气压缩成高压。高压空气在燃烧器16内与燃料混合并点燃。点燃的燃料形成的热燃烧气体22驱动涡轮18。燃料输送系统12将燃料40供应到压缩机16。通过燃料脱气装置28去除燃料中的溶解气体将使得燃料输送系统12的燃料流速范围最佳。

燃料输送系统12包括接收来自主泵30的燃料的燃料计量单元29。主泵30包括在压力下供应燃料到齿轮泵38的入口34的离心泵36。齿轮泵38以恒定流速供应燃料到燃料计量单元29。来自齿轮泵38的燃料流40保持恒定，而不考虑系统12的背压。过多的燃料流通过旁通通道41回到齿轮泵38的入口34。

齿轮泵38包括进行转动以便压缩并驱动燃料到燃料计量单元29的啮合齿轮。离心泵36供应燃料流到齿轮泵38以便当齿轮转动时填充齿轮之间的空腔。燃料计量单元29控制燃料流到涡轮发动机组件10的燃烧器16上。涡轮发动机组件10的性能受到燃料输送系统12提供的可操作流速范围的限制。

燃料输送系统12的流速限制因素是齿轮泵38的入口34处所需的净正抽吸压力。净正抽吸压力限定操作泵38所需的但不造成气穴的最小燃料压力。齿轮泵38的正常操作需要入口34处所得的实际净抽吸压力大于最小值。罐增压泵26提供恒定燃料压力到离心泵36的入口32上。离心泵36处的恒定燃料压力使得离心泵36在净正抽吸压力下供应燃料到齿轮泵38的入口34。尽管入口34处的燃料流和压力几乎恒定，通过主泵30的流速改变以便响应燃料计量单元29的需要。在高流速的需要下，入口32、34处的压力减小，造成净正抽吸压力减小。燃料流受到净正抽吸压力减小的限制。

具有饱和空气的液体燃料的最小净正抽吸压力大于脱气液体燃料的最小净正抽吸压力。燃料内溶解气体造成所需净正抽吸压力越大。暴露于空气中，例如在燃料罐内，使得气体溶解在燃料中。随着燃料从燃料罐24的出口流到主燃料泵32，静压力下降。静压力减小造成溶解气体以及轻的碳氢化合物的蒸发。液体燃料中具有溶解气体会增加所需的最小净正抽吸压力。提高的最小净正抽吸压力限制流过燃料输送系统12的燃料流速范围。燃料脱气装置28在罐增压泵26和离心泵36的入口32之间布置在燃料系统12内。当燃料从罐增压泵26流动到离心泵36的入口32时，燃料脱气装置28从燃料中去除溶解气体。去除燃料内的溶解气体减小由于减小静压力而形成的燃料蒸气量。减小燃料蒸气减小了防止齿轮泵38内不希望气穴所需的最小净正抽吸压力。

参考图2，图表42表示通过从燃料中去除溶解气体而提供的增加范围的燃料流。线44表示燃料流速和主燃料泵离心级处所需净正抽吸压力之间的关系。如上所述，线44与对应于去除燃料内部溶解气体的增加范围的燃料流相对应。线48与含有溶解气体的燃料的操作范围相对应。对于含有溶解气体的燃料来说，燃料流速的操作范围表示为48，对于含有减小量的溶解气体的燃料来说，燃料流速的操作范围表示为44。与具有饱和空气的燃料的燃料流速的操作范围50相比，脱气燃料的燃料流速的操作范围46增加。燃料流速的操作范围的增加使得发动机组件10的操作能力增加，而不需要大容量燃料输送系统12。

参考图3，表示本发明燃料脱气装置28’的示意图，并包括多个布置在壳体52内的管58。燃料40围绕管58从入口54流到出口56。管56包括分离溶解在燃料40内的氧和氮的合成的、可渗透薄膜62。管58内产生的真空在合成渗透薄膜62上产生真空，从而将氧和氮从燃料40抽吸到管58，并通过真空泵66和气体渗透流64一起排出。从气体气体渗透流64去除的氧和氮接着排出系统。气体渗透流64可循环到燃料罐24内。脱气燃料通过出口56排出并进入离心泵36的入口32。

参考图4，表示燃料脱气装置28”的另一实施例，并包括叠置的一系列燃料板74。合成渗透薄膜62包括在每个燃料板74上以便限定燃料通道76的一部分。燃料经由入口70进入并经由出口72排出。开口80通向真空源82。燃料40通过叠置燃料板74限定的燃料通道76内部。燃料板74布置在限定入口70和出口72的壳体68中。通过添加或减少燃料板74，使用燃料板74使得燃料脱气装置28”适用于多种应用。尽管表示和说明燃料脱气装置的实施例，得益于此说明的本领域普通技术人员将理解到燃料脱气装置的其它构造也在本发明的范围内。

参考图5，以截面图表示合成渗透薄膜62，该薄膜最好包括布置在多孔衬垫86上的可渗透层84。多孔衬垫86为可渗透层84提供所需的支承结构，并还使得氧从燃料最大程度地渗出。可渗透层84涂覆在多孔衬垫84上，并且在两者之间形成机械接合。可渗透层84最好是位于由聚偏二氟乙烯(PVDF)制成并具有0.25μm孔尺寸的0.0005英寸厚多孔衬垫86上的0.5-20μm厚的Teflon AF 2400涂层。可以使用不同材料、厚度和孔尺寸的其它支承件来提供所需强度和开口。最好是渗透层84是Dupont Telfon AF无定形含氟聚合物，但是本领域普通技术人员公知的其它材料也在本发明的范围内，例如SolvaHyflon AD全氟化玻璃状聚合物和Asahi Glass CYTOP多全氟代丁烯乙烯醚。每个合成渗透薄膜62支承在多孔衬垫88上。多孔衬垫88与真空源82连通以便在合成渗透薄膜62上产生氧局部压差。

在操作中，通过真空源82在可渗透薄膜62的非燃料侧和燃料侧90之间产生局部压差。氧、氮和其它溶解气体如箭头78所示通过合成渗透薄膜62从燃料40渗出并进入多孔衬垫88。从多孔衬垫88，氧、氮和其它溶解气体78从燃料系统12抽吸并排出。

本发明的燃料系统12通过去除燃料中的溶解气体以便减小所需的最小净正抽吸压力。减小所需净正抽吸压力改善燃料输送系统12的操作范围，该范围高于液体和溶解气体都存在的情况。减小净正抽吸压力改善燃料输送系统12的燃料流速的操作范围，而不增加燃料输送系统12的总体尺寸。

以上描述是示例性的，并不仅仅是明细说明。本发明以示例性方式进行描述，应该理解到使用的术语旨在说明词汇的性质而不作为限制。在以上教导下本发明可以具有多种变型和改型。虽然描述了本发明的优选实施例，本领域普通技术人员理解到某些变型也在本发明的范围内。将认识到在所附权利要求的范围内，本发明可以说明书之外的方式来实施。为此，应该阅读以下权利要求来确定本发明的真实范围和内容。

Claims (22)

1.一种航空燃料系统，包括：

泵送燃料到燃料计量装置的主燃料泵，以及在进入所述主燃料泵之前从燃料中去除溶解气体的燃料脱气装置。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，去除所述燃料中所述溶解气体减小所述主燃料泵的入口处所需的净正抽吸压力。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，包括在所需压力下为主燃料泵供应燃料的增压泵。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述增压泵在所述主燃料泵的入口处供应净正抽吸压力。

5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述燃料脱气装置布置在所述增压泵和所述主燃料泵之间。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料脱气装置包括溶解在所述燃料中的气体可以渗透的薄膜过滤器。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述薄膜过滤器支承在多孔衬垫上。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，在所述薄膜过滤器的燃料侧和所述薄膜过滤器的非燃料侧之间包括局部压差，气体经由所述薄膜过滤器从燃料渗出到所述非燃料侧。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述非燃料侧上的所述渗出的气体排放到外部。

10.如权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括在壳体内的入口和出口之间限定燃料通道的燃料板。

11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料脱气装置包括管状薄膜。

12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统的燃料流动能力的速度与所述净正抽吸压力相关。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，从所述燃料中去除气体，燃料流动能力的所述速度增加。

14.一种气体涡轮发动机组件，包括：

压缩吸入空气的压缩机；

用压缩的吸入空气燃烧燃料的燃烧器；

包括与所述燃烧器流体连通的转动涡轮的涡轮区段；以及

燃料输送系统，该系统包括泵送燃料到燃料计量装置的主燃料泵，以及在进入所述主燃料泵之前从燃料中去除溶解气体的燃料脱气装置。

15.如权利要求14所述的组件，其特征在于，包括在所述净正抽吸压力下为主燃料泵供应燃料的增压泵。

16.如权利要求15所述的组件，其特征在于，所述燃料脱气装置布置在所述增压泵和所述主燃料泵之间。

17.如权利要求14所述的组件，其特征在于，所述燃料脱气装置包括溶解在所述燃料中的气体可以渗透的薄膜过滤器。

18.如权利要求17所述的组件，其特征在于，在所述薄膜过滤器的燃料侧和所述薄膜过滤器的非燃料侧之间包括局部压差，气体经由所述薄膜过滤器从燃料渗出到所述非燃料侧。

19.一种改善燃料系统操作能力的方法，包括以下步骤：

a)含有溶解气体的燃料流过脱气装置；

b)在脱气装置内从燃料中去除溶解的气体；以及

c)在所需净正抽吸压力下燃料流动到主燃料板的入口。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括在脱气装置内沿着渗透薄膜的燃料侧流动燃料。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，在渗透薄膜的燃料侧和非燃料侧之间提供局部压差，使得溶解气体经由渗透薄膜从燃料中渗出。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，通过增压泵泵送燃料到脱气装置内，以便将所需净正抽吸压力供应到主泵的入口。

Images