用于产生燃气涡轮发动机的稀释剂的系统的制作方法

1.本文所述的优选实施例涉及向燃气涡轮发动机提供稀释剂的系统和方法。


背景技术：

2.商用飞行器的推进系统通常包括一个或多个飞行器发动机，例如涡轮风扇喷气发动机。涡轮风扇喷气发动机可以安装到飞行器的机翼中的相应一个，例如使用挂架安装到机翼下方的悬挂位置。这些发动机可以由航空涡轮燃料提供动力，该燃料通常是具有期望碳数的可燃碳氢液体燃料，例如煤油型燃料。这种燃料在燃烧时产生二氧化碳，并且需要改进以减少商用飞行器中的这种二氧化碳排放。氢燃料可用于改善商用飞行器的排放。
附图说明
3.本公开的特征和优点将从以下更具体的对各种示例性实施例的描述中变得显而易见，如附图中所示，其中相似的附图标记通常表示相同、功能类似和/或结构类似的元件。
4.图1是具有根据本公开的实施例的燃气涡轮发动机的飞行器的示意立体图。
5.图2是图1中所示的飞行器的燃气涡轮发动机沿图1中的线2-2截取的示意横截面视图。
6.图3是根据本公开的实施例的燃料系统和燃烧器的示意图。
7.图4是示出不同燃料和燃料稀释剂混合物的火焰速度(单位为米/秒)的条形图。
8.图5是示出产生的稀释剂百分比作为图3中所示的燃料系统的催化反应器的入口空气分数的函数的线图。
9.图6是根据本公开的实施例的燃料系统和燃烧器的示意图。
10.图7是根据本公开的实施例的燃料系统和燃烧器的示意图。
11.图8是根据本公开的实施例的燃料系统和燃烧器的示意图。
具体实施方式
12.下面详细讨论各种实施例。尽管讨论了特定实施例，但这仅是为了说明的目的。相关领域的技术人员将认识到，在不背离本公开的精神和范围的情况下可以使用其他部件和构造。
13.如上所述，可以使用氢燃料来改善商用飞行器的排放。然而，与可燃碳氢液体燃料(例如jet-a燃料或天然气(ng))相比，氢燃料提出了许多挑战。例如，氢燃料是反应性燃料，其在比可燃碳氢液体燃料更高的温度下燃烧。氮氧化物(“nox”)排放随燃料中的高双原子氢(h2)含量呈指数增长。当在目前具有富燃燃烧器的燃气涡轮发动机中使用氢燃料时，与可燃碳氢液体燃料相比，较高的燃烧温度需要添加额外的水(或其他稀释剂)以减少nox的产生。氢燃料还具有更高的火焰速度，这可能会给为jet-a或ng燃料设计的燃烧器带来可操作性问题。例如，jet-a燃料和ng中的每一种都可以具有约一米/秒的火焰速度，但是双原子氢的氢燃料具有约十米/秒的火焰(见图4中所示的比较)。由于回火或火焰保持的潜在风
险，氢的高火焰速度使得仅使用氢燃料难以启动发动机，从而带来安全问题。因此，为传统jet-a或ng燃料设计的燃烧器旋流器或预混器必须重新设计以稳定氢燃料火焰，或者应使用替代燃料或稀释剂来解决可操作性问题。
14.在燃气涡轮发动机中使用氢燃料可能需要使用大量稀释剂，例如水。稀释剂的使用需要储存箱来储存稀释剂，并且还需要相关联的系统将稀释剂引入燃烧器和/或氢燃料，因此与使用可燃碳氢液体燃料的燃气涡轮发动机相比，使用氢燃料的燃气涡轮发动机增加了复杂性和空间需求。当将氢燃料用于空间和重量非常宝贵的应用(例如飞行器)时，这些空间要求可能是特别的缺点。本公开讨论了可用于从氢燃料和空气的组合产生稀释剂的系统和方法，从而减少甚至消除在使用燃气涡轮发动机的飞行器上储存稀释剂的需要。此外，这种产生稀释剂的方法能够用100％的氢燃料启动燃气涡轮发动机，该氢燃料用于动力生成，并且无需替代燃料来启动。在一个实施例中，本公开使用催化反应器用于空气中的氧与氢燃料中的氢之间的催化反应以产生水。这种催化产生的水可以用作稀释剂。此外，氮可用作稀释剂，并且用于催化反应的空气中的氮也用作稀释剂。
15.用于从空气和氢燃料产生稀释剂的合适应用的特定示例是在飞行器上使用的燃气涡轮发动机中，因为稀释剂储存系统可以被减少或限制，从而释放空间并减轻发动机部件的重量。图1是可以实施各种优选实施例的飞行器10的立体图。飞行器10包括机身12、附接到机身12的机翼14和尾翼16。飞行器10还包括推进系统，推进系统产生在飞行中、滑行操作期间等推进飞行器10所需的推进推力。图1所示的飞行器10的推进系统包括一对发动机100。在该实施例中，每个发动机100通过挂架18以翼下构造附接到机翼14中的一个。尽管发动机100在图1中示出为以翼下构造附接到机翼14，但在其他实施例中，发动机100可以具有替代构造并联接到飞行器10的其他部分。例如，发动机100可以附加地或替代地包括联接到飞行器10的其他部分(例如尾翼16和机身12)的一个或多个方面。
16.如以下将参考图2进一步描述的，图1中所示的发动机100是燃气涡轮发动机，每一个发动机都能够选择性地为飞行器10生成推进推力。推进推力的量可以至少部分地基于经由燃料系统200提供给燃气涡轮发动机100的燃料量来控制。燃料储存在燃料系统200的燃料箱212中。如图1所示，燃料箱212的至少一部分位于每个机翼14中，并且燃料箱212的一部分位于机翼14之间的机身12中。然而，燃料箱212可以位于机身12或机翼14中的其他合适位置。燃料箱212也可以完全位于机身12或机翼14内。燃料箱212也可以是单独的箱而不是单个一体的本体，例如两个箱，每个箱都位于对应的机翼14内。
17.尽管图1中所示的飞行器10是飞机，但是本文描述的实施例也可以适用于其他飞行器10，包括例如直升机和无人驾驶飞行器(uav)。本文讨论的飞行器是固定翼飞行器或旋翼飞行器，其通过作用在例如固定翼(例如，机翼14)或旋转翼(例如，直升机的旋翼)上的空气动力生成升力，并且是比空气重的飞行器，而不是比空气轻的飞行器(例如飞艇)。发动机100可以用于各种其他应用，包括静止发电系统和本文明确描述的飞行器10之外的其他运载器，例如小船、轮船、汽车、卡车等。本文所述的发动机是燃气涡轮发动机，但本文所述的实施例也可以适用于氢用作燃料的其他发动机。
18.对于所描绘的实施例，发动机100是高旁通涡轮风扇发动机。发动机100在本文中也可以称为涡轮风扇发动机100。图2是图1中所示的飞行器10的推进系统中使用的发动机100中的一个的示意横截面视图。图2的横截面视图是沿图1中的线2-2截取的。涡轮风扇发
动机100具有轴向方向a(平行于纵向中心线101延伸，纵向中心线101在图2中作为参考示出)、径向方向r和周向方向。周向方向(图2中未描绘)在绕轴向方向a旋转的方向上延伸。涡轮风扇发动机100包括风扇区段102和设置在风扇区段102下游的涡轮机104。
19.图2中描绘的涡轮机104包括限定环形入口108的管状外壳106。外壳106以串行流动关系包围：压缩机区段，其包括增压或低压(lp)压缩机110和高压(hp)压缩机112；燃烧区段(本文也称为燃烧器150)；涡轮区段，其包括高压(hp)涡轮116和低压(lp)涡轮118；以及喷射排气喷嘴区段120。压缩机区段、燃烧器150和涡轮区段一起至少部分地限定从环形入口108延伸到喷射排气喷嘴区段120的核心空气流动路径121。涡轮风扇发动机100还包括一个或多个驱动轴。更具体地，涡轮风扇发动机包括将hp涡轮116驱动地连接到hp压缩机112的高压(hp)轴或线轴122，以及将lp涡轮118驱动地连接到lp压缩机110的低压(lp)轴或线轴124。
20.图2中所示的风扇区段102包括风扇126，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124一起绕纵向中心线(轴线)101旋转。盘130被可旋转的前毂132覆盖，前毂132在空气动力学上成形为促进气流通过多个风扇叶片128。此外，环形风扇壳体或外机舱134设置成周向围绕风扇126和/或涡轮机104的至少一部分。机舱134由多个周向间隔开的出口导向轮叶136相对于涡轮机104被支撑。机舱134的下游区段138在涡轮机104的外部分上延伸，以便在其间限定旁通气流通道140。
21.涡轮风扇发动机100可与燃料系统200一起操作，并且接收来自燃料系统200的燃料流。如下文将进一步描述的，燃料系统200包括燃料输送组件202，燃料输送组件202将燃料流从燃料箱212提供到发动机100，并且更具体地，提供到将燃料注入到燃烧器150的燃烧室152中的多个燃料喷嘴162。
22.涡轮风扇发动机100还包括各种附件系统，以帮助涡轮风扇发动机100和/或包括涡轮风扇发动机100的飞行器的操作。例如，涡轮风扇发动机100可包括主润滑系统171、压缩机冷却空气(cca)系统173、主动热间隙控制(atcc)系统175和发电机润滑系统177，它们中的每一个都在图2中示意性地描绘。主润滑系统171被构造为向例如压缩机区段、涡轮区段、hp线轴122和lp轴124中的各种轴承和齿轮啮合提供润滑剂。由主润滑系统171提供的润滑剂可以增加这些部件的使用寿命并且可以从这些部件中去除一定量的热量。压缩机冷却空气(cca)系统173将来自hp压缩机112或lp压缩机110中的一个或两者的空气提供给hp涡轮116或lp涡轮118中的一个或两者。主动热间隙控制(atcc)系统175冷却涡轮区段的壳体，以在各种发动机操作条件下将各种涡轮转子叶片和涡轮壳体之间的间隙维持在期望范围内。发电机润滑系统177为电子发电机(未示出)提供润滑，以及为电子发电机提供冷却/散热。电子发电机可以向例如用于涡轮风扇发动机100的启动电动机、和/或涡轮风扇发动机100的各种其他电子部件、和/或包括涡轮风扇发动机100的飞行器提供电力。
23.来自这些辅助系统171、173、175和177以及其他辅助系统的热量可以在操作期间作为来自涡轮风扇发动机100的废热提供给各种散热器，例如提供给如下讨论的各种汽化器220。此外，涡轮风扇发动机100可以例如在涡轮区段或喷射排气喷嘴区段120内包括一个或多个热交换器179，用于从通过其中的气流中提取废热，以也向各种散热器(例如下面讨论的汽化器220)提供热量。
24.然而，本文讨论的涡轮风扇发动机100仅作为示例提供。在其他实施例中，任何其
他合适的发动机可以与本公开的方面一起使用。例如，在其他实施例中，发动机可以是任何其他合适的燃气涡轮发动机，例如涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气发动机等。以这种方式，在其他实施例中，燃气涡轮发动机可以具有其他合适的构造，例如其他合适数量或布置的轴、压缩机、涡轮、风扇等。此外，尽管涡轮风扇发动机100被示出为直接驱动固定螺距涡轮风扇发动机100，但在其他实施例中，燃气涡轮发动机可以是齿轮式燃气涡轮发动机(即，包括风扇126和驱动风扇的轴(例如lp轴124)之间的齿轮箱)，可以是可变螺距燃气涡轮发动机(即，包括具有可围绕它们各自的螺距轴线旋转的多个风扇叶片128的风扇126)等。此外，在替代实施例中，本公开的方面可以结合到任何其他类型的发动机中或以其他方式与任何其他类型的发动机(例如用于发电应用的具有环形罐或罐式燃烧器的往复式发动机或燃气涡轮发动机)一起使用。此外，在其他示例性实施例中，示例性涡轮风扇发动机100可以包括或可操作地连接到任何其他合适的附件系统。附加地或替代地，示例性涡轮风扇发动机100可以不包括或不可操作地连接到上面讨论的附件系统171、173、175和177中的一个或多个。
25.如图2示意性所示，发动机100可包括被构造为控制发动机100的各种系统的发动机控制器180。发动机控制器180还可以通信地联接到飞行器10的其他控制器。这样的控制器可以包括例如作为飞行器10的飞行控制系统的一部分的控制器，例如飞行控制器。
26.在该实施例中，发动机控制器180是具有一个或多个处理器182和一个或多个存储器184的计算装置。处理器182可以是任何合适的处理装置，包括但不限于微处理器、微控制器、集成电路、逻辑装置、可编程逻辑控制器(plc)、专用集成电路(asic)和/或现场可编程门阵列(fpga)。存储器184可以包括一个或多个计算机可读介质，包括但不限于非暂时性计算机可读介质、计算机可读非易失性介质(例如闪存)、ram、rom、硬盘驱动器、闪存驱动器和/或其他存储器装置。
27.存储器184可以存储可由处理器182访问的信息，包括可以由处理器182执行的计算机可读指令。指令可以是当由处理器182执行时使处理器182和发动机控制器180进行操作的任何指令集或指令序列。在一些实施例中，指令可以由处理器182执行以使处理器182完成发动机控制器180被构造用于的任何操作和功能，如下文将进一步描述的。指令可以是用任何合适的编程语言编写的软件或者可以用硬件实施。附加地和/或替代地，指令可以在处理器182上的逻辑和/或虚拟分离的线程中执行。存储器184可以进一步存储可以由处理器182访问的数据。
28.本文所讨论的技术参考了基于计算机的系统、由基于计算机的系统采取的动作、发送到基于计算机的系统的信息以及来自基于计算机的系统的信息。本领域的普通技术人员将认识到，基于计算机的系统的固有灵活性允许在部件之间和部件之中对任务和功能进行多种可能的构造、组合和划分。例如，本文讨论的处理可以使用单个计算装置或组合工作的多个计算装置来实施。数据库、存储器、指令和应用可以在单个系统上实施，也可以分布在多个系统上。分布式部件可以按顺序或并行操作。
29.图3是根据本公开的实施例的燃料系统200的示意图。该实施例的燃料系统200被构造为将用于发动机100(图1和2)的燃料储存在燃料箱212中，并经由燃料输送组件202将燃料输送到发动机100。燃料输送组件202包括管、管道等，以将燃料系统200的各种部件流体连接到发动机100。如上所述，发动机100，特别是本文讨论的燃烧器150可以特别适合与
氢燃料(双原子氢)一起使用，或在其他实施例中与富氢燃料一起使用。在图2所示的实施例中，燃料是包含氢(更具体地，双原子氢)的氢燃料。在一些实施例中，氢燃料可以基本上由氢组成。
30.燃料箱212可以被构造为将氢燃料至少部分地保持在液相，并且可以被构造为基本上完全以液相(例如完全以液相)将氢燃料提供给燃料输送组件202。例如，燃料箱212可以具有固定体积并且包含一定体积的液相氢燃料(液态氢燃料)。由于燃料箱212基本上完全以液相向燃料输送组件202提供氢燃料，因此燃料箱212中的液态氢燃料的体积减少并且燃料箱212中的剩余体积由例如气相氢(气态氢)组成。如本文所用，用于描述氢燃料的相的术语“基本上完全”是指至少99％(按质量计)的氢燃料的所述部分处于所述相，例如至少97.5％、例如至少95％、例如至少92.5％、例如至少90％、例如至少85％、或例如至少75％(按质量计)的氢燃料的所述部分处于所述相。
31.为了将氢燃料基本上完全以液相储存，氢燃料以非常低的(低温)温度储存在燃料箱212中。例如，氢燃料可以在大气压下以约-253摄氏度或更低、或在其他温度和压力下储存在燃料箱212中，从而将氢燃料基本上维持在液相。燃料箱212可以由已知材料(例如钛、铝或复合材料)制成。燃料箱212和燃料系统200可以包括多种支撑结构和部件，从而促进以这种方式储存氢燃料。
32.液态氢燃料从燃料箱212供应到燃料输送组件202。燃料输送组件202可以包括被构造为在燃料箱212和发动机100之间运送氢燃料的一个或多个管线、导管等。燃料输送组件202因此提供了从燃料箱212到发动机100的氢燃料的流动路径。氢燃料由燃料输送组件202以气相、超临界相或两者(气相和超临界相中的至少一种)输送到发动机。燃料系统200因此包括与燃料输送组件202流体连通的汽化器220，以加热流过燃料输送组件202的液态氢燃料。汽化器220定位在燃料箱212和发动机100之间的氢燃料的流动路径中。汽化器220可以至少部分地定位在机身12或机翼14内，例如至少部分地定位在机翼14内。然而，汽化器220可以定位在燃料箱212和发动机100之间的氢流动路径中的其他合适位置。例如，汽化器220可以定位在机身12和机翼14的外部，并且至少部分地定位在挂架18或发动机100内。例如，当定位在发动机100中时，汽化器可以位于机舱134中。尽管在图2中仅示出了一个汽化器220，但燃料系统200可以包括多个汽化器220。例如，当汽化器220定位在发动机100或挂架18中并且用作被构造为一旦发动机100处于热稳定状态就操作的主汽化器时，另一个汽化器220定位在主汽化器的上游并靠近燃料箱212，并且在发动机100的启动期间(或启动之前)用作启动汽化器(primer vaporizer)。
33.汽化器220与至少一个热源222、224热连通。在该实施例中，汽化器220与主热源222和辅助热源224热连通。在该实施例中，主热源222是来自发动机100的废热，因此汽化器220热连接到主润滑系统171、压缩机冷却空气(cca)系统173、主动热间隙控制(atcc)系统175、发电机润滑系统177和热交换器179中的至少一个，以从发动机100提取废热来加热氢燃料。以这种方式，汽化器220被构造为通过一旦发动机100能够提供足够的热量就经由辅助热源224从主热源222汲取热量到汽化器220来操作，以便于汽化器220的操作。
34.汽化器220可以由任何合适的热源加热，并且在该实施例中，例如，辅助热源224是发动机100外部的热源。辅助热源224可以包括例如电源、催化加热器或燃烧器、和/或来自辅助动力单元的排放气流。例如当汽化器220包括由电源供电的一个或多个电阻加热器等
时，辅助热源224可以与汽化器220成一体。在这种构造中，辅助热源224可以为汽化器220提供热量，而与发动机100是否正在操作无关，并且可以例如在发动机100的启动期间(或启动之前)使用。
35.如上所述，汽化器220与通过燃料输送组件202的氢燃料流连通。汽化器220被构造为从主热源222和辅助热源224中的至少一个汲取热量，以将氢燃料流从基本上完全液相加热到基本上完全气相或基本上完全超临界相。
36.燃料系统200还包括与燃料输送组件202流体连通的高压泵232，以将通过燃料输送组件202的氢燃料流引导到发动机100。高压泵232通常可以是燃料箱212和发动机100之间的燃料输送组件202中压力升高的主要来源。高压泵232可以被构造为将燃料输送组件202中的压力增加到大于发动机100的燃烧器150的燃烧室152内的压力的压力，并且克服放置在高压泵232下游的部件的任何压降。
37.高压泵232定位在汽化器220下游位置处的燃料输送组件202中的氢燃料流内。在该实施例中，高压泵232定位在机身12和机翼14的外部，并且至少部分地定位在挂架18内，或至少部分地定位在发动机100内。更具体地，高压泵232定位在发动机100内。由于高压泵232位于这样的位置，高压泵232可以是被构造为接收基本上完全气相或超临界相的氢燃料流的任何合适的泵。然而，在其他实施例中，高压泵232可以定位在其他合适的位置，包括氢燃料的流动路径内的其他位置。例如，高压泵232可以位于汽化器220的上游，并且可以被构造为接收通过燃料输送组件202的基本上完全液相的氢燃料流。
38.如上所述，稀释剂可以与氢燃料一起被注入到燃烧室152中。在该实施例中，使用氢燃料产生稀释剂，并且在一些实施例中，稀释剂不单独储存在飞行器10上，而是仅如本文所讨论的那样产生。燃料系统200包括用于产生稀释剂的催化反应器240。催化反应器240流体连接到燃料输送组件202。在该实施例中，催化反应器240定位在高压泵232下游和燃料计量阀236(下文进一步讨论)上游的燃料箱212和发动机100之间的氢燃料的流动路径中。燃料输送组件202被构造为提供催化反应器240，并且催化反应器240被构造为接收氢燃料。在该实施例中，催化反应器240定位在机身12和机翼14的外部，并且至少部分地定位在挂架18内，或至少部分地定位在发动机100内。更具体地，催化反应器240定位在发动机100内。然而，在其他实施例中，催化反应器240可以定位在其他合适的位置，包括氢燃料的流动路径内的其他位置。
39.催化反应器240还包括入口242，空气可以通过入口242被引入催化反应器240。因此，催化反应器240也被构造为从空气源接收或汲取空气。空气源可以是任何合适的空气源。在该实施例中，空气源是围绕发动机100或通过发动机100流动的空气。例如，如图2所示，空气是流过核心空气流动路径121的空气的一部分。更具体地，在该实施例中，空气是从压缩机区段或压缩机区段之后的位置汲取的压缩空气。在图2中，端口244位于低压(lp)压缩机110的下游和高压(hp)压缩机112的上游，被低压(lp)压缩机110压缩的空气的一部分被引导到端口244中，以在催化反应器240中使用。端口244的位置是说明性的并且可以使用端口244的其他合适的位置。例如，端口244可以定位在高压(hp)压缩机112下游和燃烧器150上游的核心空气流动路径121中。端口244还可以定位成接收已被风扇区段102压缩(或加速)的空气，例如在接收旁通空气的旁通气流通道140中或在环形入口108中。其他合适的空气源包括，例如，用于发动机100的备用空气供应，或者甚至是从发动机100外部汲取空气
的专用端口。
40.空气和氢燃料在催化反应器240中混合，如图3示意性所示。空气包括(或包含)氧，更具体地，双原子氧(o2)，并且氢燃料包括氢，更具体地，双原子氢(h2)。催化反应器240还包括催化剂，使得当空气中的氧与空气中的氢混合时，氧和氢经历催化反应以产生水(h2o)。催化反应器240可以包括适合于促进氧和氢之间的反应以产生水的任何催化剂。例如，催化剂可以是金属催化剂和/或陶瓷催化剂。金属催化剂可包括例如铂族金属(例如钌、铑、钯、锇、铱和铂)中的至少一种。此外，或在替代方案中，陶瓷催化剂可以包括例如至少一种过渡金属氧化物(例如ni、fe、co)。作为陶瓷催化剂的另一个示例，可以采用基于钙钛矿或掺杂稀土氧化物的复合陶瓷氧化物催化剂。陶瓷基催化剂的化学性质也可以是富含钛酸盐的氧化物，其具有例如式axo3，其中a是ca、ba、sr、cd、la、pr、gd、sm、y或nd中的一种，x是fe、mn、cr、al、ti、mn或nb中的一种。其他合适的催化剂可以包括钴酸铜、钴酸镧、铁酸镧、锰酸镧等。
41.为了促进催化反应，催化反应器240优选在升高的温度(例如从200摄氏度到1000摄氏度)下操作。催化反应是放热的，并因此在正常操作期间维持升高的温度。在启动期间(或启动之前)，催化剂(催化反应器240)可以通过热源加热以将温度升高到期望的升高的温度。合适的热源包括例如电热塞、电源和/或来自辅助动力单元的排气气流，以最初获得催化反应器240中的温度。
42.催化反应器240被构造为使空气中的至少一部分氧与氢燃料中的至少一部分氢催化反应以产生水。空气中的至少一部分氧与氢燃料中的氢反应以产生水。在一些实施例中，空气中的氧与氢燃料中的氢基本上完全反应。如本文所用，用于描述特定元素或分子的量的术语“基本上完全”是指至少99％(按质量计)的元素或分子的所述部分，例如至少97.5％、例如至少95％、例如至少92.5％、例如至少90％、例如至少85％、或例如至少75％(按质量计)的元素或分子的所述部分。在催化反应器240中通过氧与氢的催化反应产生的水在本文中被称为催化产生的水。催化产生的水用作稀释剂，并且催化反应器240被构造为输出包含催化产生的水的稀释剂。
43.空气还包括(或包含)氮，更具体地，双原子氮(n2)和其他次要成分(例如，ar和co2)。已经发现氮可以用作氢燃料的稀释剂。图4是条形图，示出了不同燃料和燃料稀释剂混合物的火焰速度，单位为米/秒。如图4所示，主要由双原子氢组成的氢燃料的火焰速度约为10米/秒。将氢与一定百分比(按质量计)的双原子氮混合可以降低火焰速度，例如对于30％的氮(和70％的氢)火焰速度降低到约7米/秒，对于50％的氮(和50％的氢)火焰速度降低到约4米/秒，对于70％的氮(和30％的氢)火焰速度降低到约1.5米/秒。空气中的氮也可以用作燃料中的稀释剂。氮由催化反应器240接收，但在该实施例中，不经历任何反应。催化反应器240被构造为输出包含氮的稀释剂，更具体地，包含双原子氮(n2)的稀释剂。在该实施例中，来自空气的氮与催化产生的水混合，并且催化反应器240被构造为输出包含来自空气的氮和催化产生的水的稀释剂。
44.如图3所示，燃烧器150经由催化反应器240流体联接到燃料输送组件202和燃料箱212，并因此经由催化反应器240接收氢燃料。在该实施例中，只有一部分氢在催化反应器240中与来自空气的氧反应，并且催化反应器240被构造为输出氢(氢燃料)以及稀释剂。稀释剂和氢燃料在催化反应器240中混合以形成燃料和稀释剂混合物。
45.如上所述，在该实施例中，只有一部分由催化反应器240接收的氢与氧反应。反应器中的氧量因此控制产生的水量，并且氧量由提供给催化反应器240或由催化反应器240接收的空气量控制。此外，控制空气量也控制了可用作稀释剂的氮量。
46.图5是示出燃料和稀释剂混合物中的稀释剂百分比作为入口空气分数的函数的线图。入口空气分数是在给定时间引入催化反应器240的空气量与空气和氢燃料的总量之比(催化反应器240的入口处的空气的摩尔百分比)。从图5可以看出，增加入口空气分数会增加产生的稀释剂量。
47.基于发动机100的操作条件，改变稀释剂量可能是期望的。例如，在启动或其他操作条件(例如滑行)期间，当通过燃烧室152的空气流速相对较低时，稀释剂量可以是相对高的入口空气分数，以降低氢燃料的火焰速度(见例如图4)。然而，对于飞行器10巡航时的发动机操作条件，流过燃烧室152的空气速度相对高，因此稀释剂量是相对低的入口空气分数，从而允许火焰速度较快。以这种方式控制稀释剂量也有助于避免诸如火焰的稀薄喷出(这在火焰速度相对于气流速度过低时会发生)和回火(这在火焰速度相对于气流速度过快时会发生)的问题。
48.可以使用任何合适的装置来控制提供给催化反应器240并由催化反应器240接收的空气量。在该实施例中，空气控制阀246流体联接到催化反应器，以控制由催化反应器240接收的空气量。任何合适的阀可用于空气控制，例如节流阀、阻尼器等。空气控制阀246示意性地示出在端口244之后和催化反应器240的入口242中，但空气控制阀246可以位于其他合适的位置，例如端口244处。如上所述，发动机控制器180可以被构造为例如基于发动机100和/或飞行器10的操作条件来控制空气控制阀246。
49.催化反应器240可以具有相对大的压降。如图3所示，燃料输送组件202还可以包括增压泵234，在一些实施例中，以进一步将通过燃料输送组件202的氢燃料流引导到发动机100，并且更具体地，引导到催化反应器240下游的燃料和稀释剂混合物的流动路径中的部件。增压泵234可以定位在催化反应器240下游位置处的燃料和稀释剂混合物流内。在该实施例中，增压泵234定位在燃料计量阀236的上游。
50.燃料系统200还包括与燃料输送组件202流体连通的计量单元。可以使用任何合适的计量单元，包括例如放置成与燃料输送组件202流体连通的燃料计量阀236。燃料输送组件202被构造为提供燃料计量阀236，并且燃料计量阀236被构造为接收氢燃料。在该实施例中，燃料计量阀236流体联接到催化反应器240并且定位在催化反应器240和增压泵234的下游，并且提供给燃料计量阀236并由其接收的氢燃料来自于从催化反应器240输出的燃料和稀释剂混合物。燃料计量阀236进一步被构造为以期望的方式将燃料和稀释剂混合物流提供给发动机100。燃料计量阀236被构造为以例如期望的流速向发动机100的燃料歧管238提供期望量的燃料和稀释剂混合物。燃料歧管238然后将接收到的氢燃料分配(提供)到发动机100的燃烧区段内的多个燃料喷嘴162，在燃烧区段中氢燃料与压缩空气混合并且氢燃料和压缩空气的混合物燃烧以生成驱动发动机100的燃烧气体。调整燃料计量阀236改变提供给燃烧器150的燃烧室152的燃料(和稀释剂)的量，并因此改变由发动机100产生以推进飞行器10的推进推力量。
51.图3还示出了根据本公开的实施例的发动机100的燃烧器150。图3是燃烧器150的横截面视图。燃烧器150包括燃烧器衬套154。该实施例的燃烧器衬套154具有燃烧器内衬
154a和燃烧器外衬154b。燃烧室152形成在燃烧器衬套154内。燃烧器衬套154，并因此燃烧室152，具有前端156和出口158。燃料喷嘴162定位在燃烧室152的前端156。该实施例的燃料喷嘴162是旋流器/燃料喷嘴组件160的一部分。在该实施例中，燃烧器150是环形燃烧器150并且多个燃料喷嘴162布置成环形构造，其中多个燃料喷嘴162(旋流器/燃料喷嘴组件160)在燃烧器的周向方向上对准。
52.如上所述，压缩机区段、燃烧器150和涡轮区段至少部分地形成从环形入口108延伸到喷射排气喷嘴区段120的核心空气流动路径121。通过环形入口108进入的空气被lp压缩机110和hp压缩机112的多个风扇的叶片压缩。一部分压缩空气(初级空气)进入燃烧室152的前端156。燃料由燃料喷嘴162注入到初级空气中并与初级空气混合。如上所述，该实施例的燃料喷嘴162是旋流器/燃料喷嘴组件160的一部分。旋流器/燃料喷嘴组件160包括用于在初级空气中生成湍流的旋流器164。燃料喷嘴162将燃料注入到初级空气的湍流气流中，并且湍流促进燃料与初级空气的快速混合。
53.燃料和压缩空气的混合物在燃烧室152中燃烧，生成燃烧气体(燃烧产物)，燃烧气体随着燃烧气体离开燃烧室152而加速。当产物通过出口158排出以驱动发动机100时，燃烧产物被加速。因此，初级空气在整体气流方向上从燃烧室152的前端156流向出口158。燃烧后的燃料空气混合物然后通过出口158加速以转动hp涡轮116和lp涡轮118中的涡轮(例如，驱动涡轮叶片)。如上文所讨论的，除了其他的之外，hp涡轮116和lp涡轮118驱动lp压缩机110和hp压缩机112。
54.如上所述，稀释剂与氢燃料混合作为燃料和稀释剂混合物。燃料喷嘴162将燃料和稀释剂混合物注入到燃烧室152中，并且在该实施例中，使用燃料喷嘴162将稀释剂注入到燃烧室152的前端156中。
55.图6是根据本公开的另一个实施例的燃料系统200和燃烧器150的示意图。在图3所示的实施例中，燃料喷嘴162被构造为将燃料和稀释剂两者都注入到燃烧室152中，但是也可以使用其他合适的构造，包括例如单独的燃料喷嘴和稀释剂喷嘴。这种构造在图6中示意性地示出。与以上参考图3描述的部件相同或类似的部件在图6中具有相同的附图标记，并且省略对这些部件的详细描述。图6中所示的实施例的燃料喷嘴162被构造为将燃料注入到燃烧室152中。至少一个单独的喷嘴(稀释剂喷嘴166)被构造为将稀释剂注入到燃烧室152中。在该实施例中，催化反应器240被构造为从空气和催化产生的水产生包括氮的稀释剂。如在上面讨论的实施例中，来自氢燃料的氢与空气中的氧催化反应以产生水，但是控制供应到催化反应器240的氢燃料量，使得催化反应器240的输出基本上完全稀释。当输出未完全稀释时，输出的其余部分可能是来自氢燃料的氢(h2)或来自空气的氧(o2)，这取决于这两种分子中的哪一种过量(例如，量大于社会计量的量)提供。
56.可以使用任何合适的方式来控制提供给催化反应器240或由催化反应器240接收的氢燃料量。在该实施例中，氢控制阀248流体联接到催化反应器240，以控制由催化反应器240接收的氢量。在图6中，氢控制阀248示意性地示出在催化反应器240的入口处，但是氢控制阀248可以位于其他合适的位置处。如上所述，发动机控制器180可以被构造为例如基于发动机100和/或飞行器10的操作条件来控制除空气控制阀246之外的氢控制阀248。
57.至少一个稀释剂喷嘴166流体连接到催化反应器240的输出，并接收催化反应器240的输出，在该实施例中，催化反应器240的输出基本上完全稀释。然后稀释剂喷嘴166将
稀释剂注入到燃烧室152的前端156中。在一些实施例中，可以使用多个稀释剂喷嘴166，并且多个稀释剂喷嘴166也可以用于每个燃料喷嘴162。
58.图7是根据本公开的另一个实施例的燃料系统200和燃烧器150的示意图。在一些实施例中，减少流过催化反应器240的氢燃料量并通过不包括催化反应器240的流动路径将一些氢燃料提供给燃烧器150可能是有益的。这种构造在图7中示出。与以上参考图3和图6描述的部件相同或类似的部件在图7中具有相同的附图标记，并且省略对这些部件的详细描述。在图7所示的结构中，从燃料箱212流出的一部分氢燃料流向催化反应器240，并且其余部分通过流过旁通流动路径204绕过催化反应器240。催化反应器240的输出和流过旁通流动路径204的部分氢燃料可以在位于燃料计量阀236上游的燃料混合组件250中混合。图7示出了如上文参考图3所述操作的催化反应器240，并且催化反应器240的输出包含可用作燃料的氢。或者，催化反应器240可如上文参考图6所述进行构造和控制，以输出稀释剂。
59.在上述实施例中，燃气涡轮发动机100和燃烧器150已被描述为使用氢燃料。本文讨论的产生稀释剂的系统和方法也可以适用于其他燃料。
60.图8是燃料系统300的示意图，燃料系统300向燃烧器150提供富氢燃料，例如富氢天然气(ch4)。与以上参考图3、图6和图7描述的部件相同或类似的部件在图8中具有相同的附图标记，并且省略对这些部件的详细描述。在图8所示的燃料系统300中，燃料系统300还包括天然气输送组件302，天然气输送组件302将天然气源(例如天然气储存箱304)连接到燃料混合组件250，天然气在燃料混合组件250中与催化反应器240产生的氢和稀释剂混合。在图8中，氢和稀释剂以上面参考图6所述的方式从催化反应器240和旁通流动路径204提供给燃料混合组件250。然而，氢燃料和稀释剂可以使用以图3和图5所示的方式构造的催化反应器240和燃料输送组件202提供给燃料混合组件250。
61.本公开的进一步方面由以下条项的主题提供。
62.一种燃气涡轮发动机，包括催化反应器和燃烧器。所述催化反应器被构造为(i)接收氢燃料，(ii)接收包含氧的空气，(iii)将所述空气中的至少一部分所述氧与所述氢燃料中的至少一部分氢进行催化反应，以产生水，和(iv)输出包含催化产生的水的稀释剂。所述燃烧器包括(a)燃烧室和(b)至少一个喷嘴，所述至少一个喷嘴流体联接到所述催化反应器以接收由所述催化反应器输出的所述稀释剂，并且被构造为将所述稀释剂注入到所述燃烧室中。
63.根据前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中，所述空气进一步包含氮，并且所述稀释剂包括来自所述空气的氮。
64.根据前述条项中任一项所述的燃气涡轮发动机，进一步包括压缩机区段，所述压缩机区段包括被构造为压缩流过其中的空气的多个压缩机风扇叶片。由所述催化反应器接收的所述空气是所述压缩空气的一部分。
65.根据前述条项中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，所述燃烧器的所述至少一个喷嘴进一步包括燃料喷嘴，所述燃料喷嘴被构造为将所述氢燃料注入到所述燃烧室中。
66.根据前述条项中任一项所述的燃气涡轮发动机，进一步包括燃料混合组件，所述燃料混合组件流体联接到所述催化反应器，以接收由所述催化反应器输出的所述稀释剂。所述燃料混合组件被构造为(i)接收天然气，(ii)接收氢燃料，(iii)混合所述天然气、所述氢燃料和所述稀释剂，以产生富氢天然气燃料和稀释剂混合物。所述至少一个喷嘴被构造
为将所述富氢天然气燃料和稀释剂混合物注入到所述燃烧室中。
67.根据前述条项中任一项所述的燃气涡轮发动机，进一步包括空气控制阀，所述空气控制阀流体联接到所述催化反应器，以控制由所述催化反应器接收的空气的量。
68.根据前述条项中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，所述催化反应器被构造为使得控制由所述催化反应器接收的所述空气的量控制催化产生的水的量。
69.根据前述条项中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，所述催化反应器被构造为使得控制由所述催化反应器接收的所述空气的量控制注入到所述燃烧室中的所述稀释剂的量，作为注入到所述燃烧室中的所述氢燃料的百分比。
70.根据前述条项中任一项所述的燃气涡轮发动机，进一步包括控制器，所述控制器被构造为操作所述空气控制阀。
71.根据前述条项中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，所述控制器被构造为基于所述燃气涡轮发动机的操作条件来调整由所述催化反应器接收的所述空气的量。
72.根据前述条项中任一项所述的燃气涡轮发动机，进一步包括氢控制阀，所述氢控制阀流体联接到所述催化反应器，以控制由所述催化反应器接收的所述氢燃料的量。
73.根据前述条项中任一项所述的燃气涡轮发动机，进一步包括控制器，所述控制器被构造为操作所述氢控制阀。
74.根据前述条项中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，所述控制器被构造为基于所述燃气涡轮发动机的操作条件来调整由所述催化反应器接收的氢的量。
75.根据前述条项中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，所述至少一个喷嘴被构造为将所述氢燃料和所述稀释剂都注入到所述燃烧室中。
76.根据前述条项中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，所述催化反应器被构造为使所述氢燃料中的一部分所述氢进行催化反应以产生水，并且进一步输出氢燃料。
77.根据前述条项中任一项所述的燃气涡轮发动机，进一步包括多个喷嘴和歧管，所述歧管流体联接到所述催化反应器和所述多个喷嘴，以将所述氢燃料和所述稀释剂分配到所述多个喷嘴中的每个喷嘴。
78.根据前述条项中任一项所述的燃气涡轮发动机，进一步包括氢燃料输送组件，所述氢燃料输送组件被构造为输送包含氢的所述氢燃料。所述催化反应器流体联接到所述氢燃料输送组件，以从所述氢燃料输送组件接收所述氢燃料。
79.根据前述条项中任一项所述的燃气涡轮发动机，进一步包括氢燃料箱和汽化器。所述氢燃料箱用于存放处于液相的所述氢燃料，所述氢燃料输送组件连接到所述氢燃料箱。所述汽化器与所述氢燃料输送组件连通，用于将所述液相的所述氢燃料加热至气相和超临界相中的至少一种。所述汽化器位于所述氢燃料箱和所述催化反应器之间。
80.一种飞行器，包括：机身；机翼，所述机翼连接到所述机身；以及根据前述条项中任一项所述的燃气涡轮发动机。
81.根据前述条项中任一项所述的飞行器，其中，所述氢燃料箱至少部分地定位在所述机身和所述机翼中的至少一个内。
82.根据前述条项中任一项所述的飞行器，其中，所述汽化器至少部分地定位在所述机身、所述机翼和所述燃气涡轮发动机中的至少一个内。
83.一种操作燃气涡轮发动机的方法，包括在催化反应器中将包含氧的空气与包含氢
的氢燃料结合，使得所述空气中的所述氧与所述氢燃料中的所述氢进行催化反应以产生水，并从所述催化反应器输出稀释剂。所述稀释剂包含催化产生的水。所述方法还包括将氢燃料注入到燃烧室中并将所述稀释剂注入到所述燃烧室中。
84.根据前述条项所述的方法，其中，所述空气进一步包含氮，并且所述稀释剂进一步包括来自所述空气的氮。
85.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括用多个压缩机风扇叶片压缩空气，以形成压缩空气。在所述催化反应器中与所述氢燃料结合的所述空气是所述压缩空气的一部分。
86.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括混合所述稀释剂和所述氢燃料，以形成燃料和稀释剂混合物。所述燃料和稀释剂混合物被注入到所述燃烧室中。
87.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括在所述催化反应器中混合所述稀释剂和所述氢燃料。
88.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括将天然气与所述氢燃料和所述稀释剂混合，以形成所述燃料和稀释剂混合物。
89.根据前述条项中任一项所述的方法，其中，当所述空气与所述氢燃料在所述催化反应器中结合时，所述空气具有入口空气分数。所述入口空气分数是在给定时间引入所述催化反应器的空气的量与空气和氢燃料的总量之比。
90.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括混合所述稀释剂和所述氢燃料，以形成燃料和稀释剂混合物。所述燃料和稀释剂混合物被注入到所述燃烧室中。所述方法还包括通过控制所述入口空气分数来控制所述燃料和稀释剂混合物中的所述稀释剂的量。
91.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括通过控制与所述氢燃料混合的所述空气的量来控制所述入口空气分数。
92.尽管前面的描述是针对优选实施例的，但是应当注意，其他变化和修改对于本领域的技术人员来说将是显而易见的，并且可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下进行。此外，结合一个实施例描述的特征可以结合其他实施例使用，即使上面没有明确说明。

技术特征：
1.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括：催化反应器，所述催化反应器被构造为(i)接收氢燃料，(ii)接收包含氧的空气，(iii)将所述空气中的至少一部分所述氧与所述氢燃料中的至少一部分氢进行催化反应，以产生水，和(iv)输出包含催化产生的水的稀释剂；以及燃烧器，所述燃烧器包括(a)燃烧室和(b)至少一个喷嘴，所述至少一个喷嘴流体联接到所述催化反应器以接收由所述催化反应器输出的所述稀释剂，并且被构造为将所述稀释剂注入到所述燃烧室中。2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，所述空气进一步包含氮，并且所述稀释剂包括来自所述空气的氮。3.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，进一步包括压缩机区段，所述压缩机区段包括被构造为压缩流过其中的空气的多个压缩机风扇叶片，其中由所述催化反应器接收的所述空气是所述压缩空气的一部分。4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，所述燃烧器的所述至少一个喷嘴进一步包括燃料喷嘴，所述燃料喷嘴被构造为将所述氢燃料注入到所述燃烧室中。5.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，进一步包括燃料混合组件，所述燃料混合组件流体联接到所述催化反应器，以接收由所述催化反应器输出的所述稀释剂，所述燃料混合组件被构造为(i)接收天然气，(ii)接收氢燃料，(iii)混合所述天然气、所述氢燃料和所述稀释剂，以产生富氢天然气燃料和稀释剂混合物，其中，所述至少一个喷嘴被构造为将所述富氢天然气燃料和稀释剂混合物注入到所述燃烧室中。6.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，进一步包括空气控制阀，所述空气控制阀流体联接到所述催化反应器，以控制由所述催化反应器接收的空气的量。7.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，所述催化反应器被构造为使得控制由所述催化反应器接收的所述空气的量控制催化产生的水的量。8.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，所述催化反应器被构造为使得控制由所述催化反应器接收的所述空气的量控制注入到所述燃烧室中的所述稀释剂的量，作为注入到所述燃烧室中的所述氢燃料的百分比。9.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，进一步包括控制器，所述控制器被构造为操作所述空气控制阀。10.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，所述控制器被构造为基于所述燃气涡轮发动机的操作条件来调整由所述催化反应器接收的所述空气的量。

技术总结
一种燃气涡轮发动机，包括催化反应器和燃烧器。催化反应器被构造为(i)接收氢燃料，(ii)接收包含氧的空气，(iii)将空气中的至少一部分氧与氢燃料中的至少一部分氢进行催化反应，以产生水，和(iv)输出包含催化产生的水的稀释剂。燃烧器包括(a)燃烧室和(b)至少一个喷嘴，至少一个喷嘴流体联接到催化反应器以接收由催化反应器输出的稀释剂，并且被构造为将稀释剂注入到燃烧室中。剂注入到燃烧室中。剂注入到燃烧室中。


技术研发人员：理查德
受保护的技术使用者：通用电气公司
技术研发日：2022.10.17
技术公布日：2023/6/26