以lng為燃料的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供應(yīng)系統(tǒng)及工作方式的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)及燃油供應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種應(yīng)用于LNG為燃料的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供應(yīng)系統(tǒng)及工作方式。
【背景技術(shù)】
[0002]為滿足未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)的要求，各航空工業(yè)大國針對(duì)控制航空發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放、降低航空燃油成本作為重點(diǎn)課題進(jìn)行了廣泛的研宄。降低航空燃油成本、減少對(duì)石油基航空燃料的過分依賴目前已成為軍用航空和民用航空運(yùn)輸業(yè)急需解決的兩個(gè)主要問題。為實(shí)現(xiàn)航空燃油成本的降低及減少對(duì)航空煤油的依賴，在未來30?50年內(nèi)，航空燃料將以不會(huì)對(duì)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)硬件產(chǎn)生影響的"即用型"航空替代燃料為主。
[0003]液化天然氣(LNG)是將天然氣經(jīng)過干燥脫酸處理后，在低溫下液化成液態(tài)的一種液態(tài)燃料，主要成分是甲烷(90%以上)、乙烷、氮?dú)饧吧倭緾3?C5烷烴的低溫液體。液態(tài)密度為0.42?0.46丨/1113(3#航空煤油密度為0.78t/m 3)，液態(tài)熱值50MJ/kg (航空煤油約為42.5MJ/kg)。LNG無色、無味、無毒且無腐蝕性，其體積重量僅為同體積水的45%左右。與航空煤油相比，LNG具有密度低、成本低、熱值高(LNG中氫碳比為4，Jet A航空煤油氫碳比為1.8，LNG比Jet A航空煤油熱值高16% )的特點(diǎn)，同時(shí)LNG燃燒后產(chǎn)生的污染物要比航空煤油低(0)2低20% )。發(fā)展LNG發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，使LNG成為航空煤油的替代燃料將是解決航空煤油枯竭和環(huán)境問題的有效途徑，對(duì)于民用航空和國防科技都有著至關(guān)重要的作用。
[0004]為實(shí)現(xiàn)LNG在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，美國通用電氣(GE)公司開展了以LNG為燃料的飛機(jī)燃料系統(tǒng)的研宄，并申請(qǐng)了多項(xiàng)國際專利:W02012/173651A1、W02014/105328A1，這些專利主要針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用航空煤油/LNG雙燃料系統(tǒng)時(shí)需要對(duì)燃料供應(yīng)系統(tǒng)、LNG的溫度控制及LNG與航空煤油之間的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了研宄。采用了在同一個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中同時(shí)使用兩種燃料的燃料供應(yīng)系統(tǒng)，這種燃油供應(yīng)方式需要一個(gè)復(fù)雜的燃油控制系統(tǒng)，在燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩種燃料的交替燃燒，這將為燃燒室的設(shè)計(jì)和工作帶來困難，也會(huì)增加燃燒室的重量和復(fù)雜性。前蘇聯(lián)的圖波列夫航空公司曾在圖-155客貨兩用機(jī)上將LNG作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料，在飛機(jī)上的3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)中有I臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)使用LNG作為燃料，其他2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)仍采用航空煤油作為燃料。但文獻(xiàn)中未詳細(xì)報(bào)道LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供應(yīng)系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)是如何工作的。為實(shí)現(xiàn)LNG在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，針對(duì)LNG自身的特點(diǎn)，考慮航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性和飛機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種可應(yīng)用LNG為燃料的航空發(fā)動(dòng)機(jī)是目前急需解決的冋題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:克服航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用雙燃料時(shí)的燃油供應(yīng)、控制系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)的復(fù)雜性，在多發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)上采用部分發(fā)動(dòng)機(jī)使用航空煤油為燃料、剩余發(fā)動(dòng)機(jī)使用LNG為燃料的飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)。通過將渦輪葉片冷卻用壓氣機(jī)引氣與LNG氣化加熱裝置結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)降低冷卻用空氣溫度改善飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了 LNG冷能的有效利用，同時(shí)可以將液態(tài)LNG氣化，為以天然氣為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種應(yīng)用于LNG為燃料的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括LNG儲(chǔ)罐、安全閥、爆破片、止回閥、緩沖罐、機(jī)械調(diào)壓閥、電控節(jié)流閥、氣化裝置、壓力傳感器、PID控制器、低溫泵、流量控制器、燃油歧管、氣體燃料噴嘴和燃燒室，LNG儲(chǔ)罐下端出口處設(shè)置有低溫泵，低溫泵出口通過管道連接氣化裝置，氣化裝置連接壓力傳感器，壓力傳感器連接PID控制器，PID控制器連接低溫泵，氣化裝置通過電控節(jié)流閥和機(jī)械調(diào)壓閥連接緩沖罐，緩沖罐連接流量控制器，流量控制器依次連接燃油歧管、氣體燃料噴嘴和燃燒室，LNG儲(chǔ)罐上端出口通過安全閥和止回閥連接緩沖罐。
[0007]所述的氣化裝置為換熱器。
[0008]所述的LNG儲(chǔ)罐為雙層絕熱結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)罐的內(nèi)壁和外壁為金屬材料，兩層壁之間為真空結(jié)構(gòu)。
[0009]所述的管道采用雙層中間抽真空的絕熱管道。
[0010]所述的LNG儲(chǔ)罐和氣化裝置上均安裝有爆破片，當(dāng)壓力超過安全值時(shí)氣體燃料通過爆破片泄壓保證LNG儲(chǔ)罐和氣化裝置的安全。
[0011]所述的應(yīng)用于LNG為燃料的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供應(yīng)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作方式，在飛機(jī)處于不同飛行狀態(tài)時(shí)，可以通過改變所使用的發(fā)動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)飛機(jī)所需推力的變化，在起飛狀態(tài)下，使用航空煤油的發(fā)動(dòng)機(jī)和使用LNG的發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)工作產(chǎn)生所需的大推力，在巡航狀態(tài)時(shí)關(guān)閉使用航空煤油的發(fā)動(dòng)機(jī)，只使用采用LNG的發(fā)動(dòng)機(jī)，也可以采用使用航空煤油的發(fā)動(dòng)機(jī)和使用LNG的發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)工作，在不同的工作狀態(tài)下，飛機(jī)需要不同的推力時(shí)通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)來滿足飛機(jī)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的要求。
[0012]本發(fā)明的有益效果:
[0013]I)本發(fā)明采用了在飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)中分別使用以航空煤油為燃料的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和以LNG為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，與使用雙燃料摻混燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)相比減少了復(fù)雜的燃油控制系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)復(fù)雜性，提高了動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性。
[0014]2)本發(fā)明采用了將液態(tài)LNG增壓后再氣化的方式，與氣體增壓設(shè)備相比液態(tài)LNG增壓可減少增壓設(shè)備的耗功，同時(shí)高效利用了液態(tài)燃料相變時(shí)產(chǎn)生的壓力勢(shì)能。通過氣化裝置與低溫泵的協(xié)調(diào)配合減少了對(duì)設(shè)備數(shù)量的需求，降低了燃料系統(tǒng)的總質(zhì)量和系統(tǒng)的復(fù)雜性。
[0015]3)本發(fā)明采用了通過流量控制器和電控節(jié)流閥之間的協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工作狀態(tài)時(shí)對(duì)燃料流量的需求，在降低控制系統(tǒng)復(fù)雜性的同時(shí)可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃料流量的需求。
[0016]4)本發(fā)明采用了氣體緩沖罐，可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體燃料的流量和壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)緩沖作用，還可以成為LNG儲(chǔ)罐和氣化裝置的泄流裝置，在保證系統(tǒng)安全的同時(shí)減少了燃料的浪費(fèi)，同時(shí)緩沖罐還可以起到在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段為燃燒室提供燃料的作用。
[0017]5)在飛機(jī)飛行的整個(gè)過程中，根據(jù)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)輸出推力的不同采用了發(fā)動(dòng)機(jī)交替工作或同時(shí)工作的不同工作方式，在保證提供所需推力的同時(shí)降低運(yùn)輸成本。
【附圖說明】
:
[0018]圖1是帶有4個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)使用2種燃料的飛機(jī)示意圖；
[0019]圖2是LNG儲(chǔ)存和輸運(yùn)系統(tǒng)示意圖；
[0020]圖3是LNG氣化裝置示意圖；
[0021 ] 圖4是LNG航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程示意圖；
[0022]圖5是飛機(jī)運(yùn)行過程中推力變化示意圖；
[0023]圖中機(jī)翼、2機(jī)身、3發(fā)動(dòng)機(jī)、4油箱、5LNG儲(chǔ)罐、6機(jī)尾、7安全閥、8爆破片、9止回閥、10緩沖罐、11機(jī)械調(diào)壓閥、12電控節(jié)流閥、13氣化裝置、14壓力傳感器、15PID控制器、16低溫泵、17流量控制器、18燃油歧管、19氣體燃料噴嘴20燃燒室、21熱端入口、22熱端出口、23冷端入口、24冷端出口、25風(fēng)扇、26低壓壓氣機(jī)、27高壓壓氣機(jī)、28、高壓渦輪、29低壓渦輪、30低壓軸、31高壓軸、32尾噴管。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)施對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。