氢燃气涡轮的制作方法

1.本发明涉及燃气涡轮发动机领域，具体地涉及使用氢作为其燃料源的航空燃气涡轮发动机领域。
2.本系统，涉及动力燃气涡轮发动机、优选地氢动力燃气涡轮发动机，克服了将燃料(诸如包含氢的燃料)喷射在燃气涡轮发动机的燃烧室中所需的高扬程。
3.本发明还涉及一种包括这种系统的飞行器，以及一种用于通过上述系统向燃气涡轮发动机提供经调节的燃料、即处于气态或超临界状态的燃料的方法。


背景技术：

4.目前，当提及燃气涡轮发动机时，在本技术领域中广为人知的是，用于航空的大型高效燃气涡轮发动机具有高压比，有时超过40:1，例如对于jet a1燃料，其在燃烧室中的喷射需要在超过800psi的压力下进行。关于这一事实，参考喷射到所述发动机的燃烧室中所需的燃料扬程。
5.如今，这种扬程是通过由发动机附件齿轮箱驱动并且连接到发动机涡轮压缩机轴的泵(正排量泵或速度泵)实现的，或者甚至是通过由电动机驱动的泵实现的。
6.目前，关于氢动力燃气涡轮发动机，加大燃料的扬程以便喷射在燃烧室中所需的动力与常规航空燃料相比变得太高，并且这对使用氢作为燃料来给这种燃气涡轮提供动力是不利的。使用通过来自发动机齿轮箱的运动来驱动泵或由电动机来驱动泵的常规架构，在使用氢作为燃料时将对发动机性能造成不利影响，这些不利影响超过那些用于常规燃料的发动机。
7.也就是说，氢动力燃气涡轮发动机需要更高的动力以便能够向发动机的燃烧室提供燃料(氢)，这对发动机的性能是不利的。
8.在该技术的不同领域、即与火箭发动机相关的领域中，可以找到用于向发动机提供燃料、尤其是通过用于将燃料喷射在发动机的燃烧室中的泵向发动机提供燃料的若干构型。例如，以下文件描述了已知的解决方案。
9.文件us 2004/0177603 a1披露了具有分级燃烧和热交换的膨胀机循环火箭发动机。
10.文件us 2004/0148923 a1披露了使火箭发动机内的燃烧气体转向以预热燃料。
11.文件us 2010/0024386 a1披露了气体发生器增强膨胀机循环火箭发动机。
12.文件us 4998410 a披露了混合动力分级燃烧-膨胀机顶循环发动机。
13.前述文件考虑了使用泵来获得发动机(在这些情况下是火箭发动机)的燃料的扬程，以便实现将燃料(氢)喷射在发动机燃烧室中所需的压力。
14.然而，在燃气涡轮发动机中，尤其是在氢动力燃气涡轮发动机中，由于燃气涡轮发动机与火箭发动机之间存在的主要差异，所披露的燃料扬程的解决方案并不适用。
15.首先，只考虑了那些膨胀机类型的火箭发动机，因为只有膨胀机使用从推力室吸取的热量作为主要能源来驱动涡轮泵涡轮。这些膨胀机通过箱封头闲置(tank head idle)
结合在燃烧室处吸取的热量起动，这存在一个问题：在这种其中泵仅由涡轮泵涡轮驱动的构型中，在先前起动失败之后，直至所述推力室变暖，发动机都无法成功起动，这意味着与高效飞行器操作所需的时间尺度相比的非常大量的时间。
16.另外，推力室具有铣削通道，或者由形成燃烧室的钎焊在一起的管制成，因此燃料沿着这些通道或管流动并由推力室加热。这一解决方案意味着与燃料的低温形成对比的燃烧气体的高温，这导致穿过燃烧室壁的厚度的非常高的热梯度。这种状况限制了发动机寿命，尤其是可以执行的发动机起动的次数。因此，这种构型对于飞行器涡轮发动机来说是不可行的。
17.此外，火箭发动机仅在涡轮泵组件处具有旋转式零件。这意味着在发动机的起动期间，涡轮泵加速需要与发动机加速相匹配。当发动机是燃气涡轮发动机时，这也意味着一个问题，因为与火箭发动机的加速相比，飞行器涡轮发动机在起动期间的加速非常慢。
18.具体地，涡轮发动机从环境中抽吸氧化剂(空气)，而火箭发动机将氧化剂储存在箱中，这因此是发动机及其元件的非常不同的构型。
19.因此，氢动力燃气涡轮发动机需要另外的动力用于其燃料扬程以便实现其运行，而已知的构型具有效率低的缺点。
20.总而言之，火箭发动机与飞行器涡轮发动机相比是非常不同的系统，因为两种发动机的操作原理高度不同。


技术实现要素：

21.本发明通过根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机、根据权利要求13所述的飞行器以及根据权利要求14所述的用于向燃气涡轮发动机提供经调节的燃料的方法，提供了前述问题的解决方案。在从属权利要求中，限定了本发明的优选实施例。
22.在第一发明方面中，本发明提供了一种由燃料提供动力的燃气涡轮主发动机，包括：
[0023]-燃烧室，该燃烧室被构造成通过至少一个喷射器接收燃料，
[0024]-涡轮泵，该涡轮泵包括：
[0025]
·
泵，
[0026]
·
入口，该入口用于将处于第一状态的燃料引入泵中，
[0027]
·
涡轮，
[0028]
·
出口，该出口用于将处于第二状态的燃料从涡轮排出，出口(3.5)通过喷射器(2.1)流体连接到燃烧室(2)，以及
[0029]
·
离合器，该离合器进一步包括轴，
[0030]-热交换器，该热交换器包括：
[0031]
入口，该入口流体连接到涡轮泵的泵，以及
[0032]
出口，该出口流体连接到涡轮泵的涡轮，
[0033]
热交换器被构造用于将来自泵的处于第一状态的燃料、优选地液态燃料加热成用于涡轮的处于第二状态的燃料、优选地经调节的燃料，
[0034]
其中，该发动机进一步包括旁路系统，该旁路系统与热交换器的出口和涡轮泵的出口流体连接，并且
[0035]
其中，该离合器的轴既连接到主发动机附件齿轮箱，又连接到涡轮泵的轴。
[0036]
给燃气涡轮发动机提供动力的燃料以第一状态(优选地液态)进入涡轮泵，并且以第二状态(优选地经调节状态，即超临界状态和/或气态)离开此涡轮泵。在特定实施例中，第一状态与燃料的液态对应，而第二状态与燃料的经调节状态对应。
[0037]
因此，该燃气涡轮发动机可以由任何燃料提供动力，尽管在优选实施例中，燃料可以包括与其他燃料混合的预定百分比的氢气(h2)。在特定实施例中，燃料的氢气(h2)百分比为100％。
[0038]
在整个本文件中，当考虑包含预定百分比的氢气(h2)的燃料的实施例时，此燃料将被称为氢。
[0039]
在特定实施例中，燃料可以包含预定百分比的甲烷。
[0040]
鉴于燃料的液态氢部分在恒定压力下的高热容量因为在给定热交换下温度上升将更低而是优于其他液态燃料的优点，因此具有一定百分比的氢的燃料是优选的。
[0041]
也就是说，燃料的氢部分的高热容量，结合液态氢情况下的良好导热性和低粘度，使此燃料成为用于热交换器中的能量传递以及用于获得将经调节的燃料更好地喷射到燃烧室中所需的条件的优选选项。
[0042]
本燃气涡轮主发动机为飞行器提供能量，所述主发动机是燃烧发动机。具体地，本燃气涡轮主发动机包括燃烧室，该燃烧室接收通过至少一个喷射器引入燃烧室中的燃料，尤其是处于第二状态的燃料，因此优选地是经调节的燃料。在特定实施例中，此主发动机包括至少进气口、风扇、压缩机、涡轮和用于废气的排气口。
[0043]
另外，本燃气涡轮主发动机包括附件齿轮箱，该附件齿轮箱进一步包括用于由此连接的不同元件的对应驱动器。
[0044]
如上述的，该燃气涡轮发动机由喷射到发动机的燃烧室中的处于第二状态的燃料、因此优选地是经调节的燃料、并且尤其是具有氢部分的燃料提供动力。然而，燃料的氢部分以液态储存在箱中。根据本发明的设备和方法提供了沿着氢在整个发动机内所沿循的路径改变氢的状态的解决方案。
[0045]
具体地，该燃气涡轮主发动机包括涡轮泵，该涡轮泵进一步包括泵和涡轮。另外，泵包括涡轮泵的入口，而涡轮包括涡轮泵的出口。此涡轮泵提供必要的动力以将燃料从储存箱抽吸到燃烧室，在燃烧室中，燃料被喷射和燃烧。
[0046]
在整个本文中，术语“扬程”对应于使燃料在储存箱与燃烧室之间流动以便将燃料以适合其使用的状态喷射到所述燃烧室中所需的燃料压力上升的值，诸如在泵的入口与出口之间测量的值。
[0047]
具体地，扬程值可以表达为：
[0048][0049]
低密度的液态燃料需要高扬程以便将所述燃料喷射在燃烧室中，因此需要高动力来实现预定压力上升。具体地，与其他燃料相比，氢需要高得多的动力。
[0050]
该燃气涡轮主发动机进一步包括热交换器，该热交换器具有用于包含氢的燃料的入口和出口。具体地，热交换器的入口与涡轮泵的泵流体连接，并且因此，处于第一状态的燃料被泵送通过热交换器。
[0051]
根据此构型，处于第一状态的燃料，在特定实施例中是液态燃料，通过入口进入泵，并且由泵驱动到热交换器，在热交换器中，燃料被加热并将状态改变为第二状态，在特定实施例是经调节的燃料，即气态或超临界燃料。通过泵和在热交换器处收获的热量的组合效应，获得处于预定值的燃料的扬程。
[0052]
泵优选地为离心泵。
[0053]
热交换器的出口还流体连接到旁路系统，该旁路系统允许通过以下方式来调控驱动到涡轮泵的出口的处于第二状态的燃料：绕过涡轮泵的涡轮并通过至少一个喷射器将该至少一部分直接引导至燃烧室。
[0054]
在优选实施例中，旁路系统包括流量控制和止回阀。有利地，可以调控流量控制和止回阀，并且因此通过流量控制阀的打开部分来调控绕过涡轮的处于第二状态的燃料的速率。也就是说，旁路系统调控绕过涡轮泵的涡轮的流体质量的百分比。此外，旁路系统可以进一步包括压力调控器。
[0055]
在特定实施例中，流量控制阀是三通阀。
[0056]
燃烧室从以下两个不同的路径接收处于第二状态的燃料以便喷射在其中：
[0057]-涡轮泵的出口，处于第二状态的燃料、尤其是氢的此部分因此已经沿循热交换器中的路径，然后在涡轮中膨胀，以及
[0058]-旁路系统，该旁路系统从热交换器出口直接获得处于第二状态的燃料。
[0059]
两个路径都向燃烧室提供处于第二状态的燃料，旁路系统安排处于第二状态的燃料从热交换器出口直接到燃烧室的供给。
[0060]
也就是说，旁路系统被构造成通过根据主发动机的动力需求控制涡轮中处于第二状态的燃料的流量来调控向涡轮泵的涡轮提供的动力。有利地，调控处于第二状态的燃料的流量以向燃气涡轮主发动机提供具有满足发动机需求的适当条件的一定体积的处于第二状态的燃料。
[0061]
因此，在燃料通过涡轮泵的入口进入泵与进入燃烧室之间为燃料提供了四个不同的路径，所述路径中的两个路径如下：
[0062]
i)处于第一状态的燃料通过涡轮泵的入口进入泵，并且被驱出泵并被引入热交换器中，离开热交换器以便引入涡轮中(在涡轮中，燃料经受膨胀并给涡轮提供动力)，并且通过涡轮泵的出口以第二状态离开以便喷射到燃烧室中，或者
[0063]
ii)处于第一状态的燃料通过涡轮泵的入口进入泵，并且被驱出泵并被引入热交换器中，以第二状态离开热交换器并被驱动到旁路系统，该旁路系统在涡轮泵的出口处重新引入处于第二状态的燃料流以便喷射到燃烧室中。
[0064]
第一创造性的燃气涡轮主发动机进一步包括具有轴的离合器。
[0065]
所述离合器通过其轴连接到涡轮泵的轴和主发动机附件齿轮箱，因此将涡轮泵接合到主发动机附件齿轮箱。有利地，在系统的起动序列期间，当起动器涡轮驱动主发动机时，这种接合使涡轮泵轴速度与主发动机速度同步。
[0066]
因此，根据上述构型，一旦处于第一状态的具有一部分氢的燃料在泵之后进入热交换器，在热交换器中收获热量，并且以第二状态流出热交换器。
[0067]
此后，处于第二状态的燃料流就进入涡轮泵的涡轮，在涡轮中产生膨胀物。所述膨胀物允许在燃料循环开始时给涡轮并且因此给泵提供动力，然后流到至少一个喷射器以便
引入燃烧室中。
[0068]
旁路系统提供对燃气涡轮主发动机的节流和/或推力控制，因为旁路系统通过调控绕过涡轮泵的涡轮从热交换器的出口直接驱动到燃烧室的燃料的流量来调控涡轮泵涡轮动力。因此，旁路系统是调整系统，该调整系统调控绕过涡轮泵的涡轮的燃料的流量，并且因此控制供给到涡轮泵的涡轮的燃料的流量。由涡轮递送的动力继而调控由泵提供的流速以及流入燃气涡轮主发动机的燃烧室的处于第二状态的燃料的相关压力。也就是说，旁路系统允许控制涡轮泵涡轮动力，并且因此控制涡轮泵的泵处的处于第一状态的燃料的燃料流量和燃料扬程。
[0069]
需注意的是，此旁路系统还可以控制在特定瞬态操作期间超出预定水平的主发动机速度或推力过冲。
[0070]
在特定实施例中，该燃气涡轮主发动机进一步包括排气端口，热交换器位于所述排气端口处。具体地，排气端口位于涡轮之后的排气段中，此涡轮位于燃烧室之后。因此，热交换器位于排气段处。
[0071]
也就是说，热交换器位于燃烧室的废气被抽出的位置。因此，处于第一状态的燃料的扬程由从所述废气获取的热量产生，这些热量否则在废气被逐出发动机时就会损失在大气中。
[0072]
有利地，主发动机排气段处的温度远低于燃烧室处的温度，即，燃烧室处的约1400℃相较于排气段处低于700℃的温度。因此，将热交换器定位在此点显著降低了对热交换器壁的热效应。
[0073]
此外，这提供了增大的整体发动机系统效率，尤其是在与由主发动机附件齿轮箱或由通过来自交流发电机的电能供给的电动机驱动的泵进行比较时，因为在这两种情况下，主发动机的机械能都将因给泵提供动力所需的能量而减少。
[0074]
此外，增加上述处于第一状态的燃料的扬程以便在所需高压下进入燃烧室所需的高动力是通过热交换提供的。
[0075]
在特定实施例中，该燃气涡轮主发动机进一步包括交换器旁路，该交换器旁路位于热交换器的入口与出口之间。因此，交换器旁路的入口位于涡轮泵的泵的出口与热交换器的入口之间。
[0076]
交换器旁路被构造成调控处于第一状态的燃料到热交换器中的进入。也就是说，交换器旁路允许控制和调控进入热交换器的处于第一状态的燃料的量，尤其是在燃气涡轮主发动机的起动序列期间。也就是说，绕过热交换器的燃料从涡轮泵的泵的出口直接流动到涡轮泵的涡轮的入口。
[0077]
因此，交换器旁路同时允许燃料流动穿过热交换器和涡轮，燃料的此部分绕过热交换器。
[0078]
在特定实施例中，交换器旁路包括旁路阀，优选地调整旁路阀。这种调整旁路阀的优选实施例是三通阀，尽管这种调整旁路阀也可以具体体现为t管和/或二通阀。有利地，调整旁路阀调控绕过热交换器或流动穿过涡轮的流体质量的百分比，还调控由于废气热交换而从热交换器收获的热能。这允许控制燃料的压力和温度，并且潜在地控制涡轮产生的动力。
[0079]
在特定实施例中，该燃气涡轮主发动机进一步包括压力调控装置，该压力调控装
置被构造成调控处于第二状态的燃料在通过至少一个喷射器进入燃烧室之前的压力。
[0080]
在更特定实施例中，压力调控装置包括压力调控器、节流元件和/或阀，或它们的组合，尤其是流量控制阀和压力调控器。
[0081]
在更特定实施例中，压力调控装置进一步包括控制装置。在特定实施例中，压力调控装置可以是电子、液压或气动致动的伺服阀。
[0082]
也就是说，一旦燃料在离开热交换器时(尤其是在从涡轮泵的出口离开时)并且在由至少一个喷射器喷射到燃烧室中之前处于第二状态时，就通过压力调控装置在燃料流进入燃烧室之前进一步调控燃料流的压力。
[0083]
这种压力调控是有利的，因为该压力调控提供了经调节的燃料由于其所需的压力而被准确地喷射到燃烧室中所需的动力，由此提高在燃烧室内部产生的燃料燃烧的效率。
[0084]
在特定实施例中，离合器的轴与主发动机附件齿轮箱的轴联接。在特定实施例中，主发动机附件齿轮箱联接到主发动机轴，并且能够驱动发电机、润滑油泵、液压泵(如果存在的话)和所述主发动机和/或包括这种主发动机的车辆操作所需的其他设备。另外，在特定实施例中，起动器涡轮也通过主发动机附件齿轮箱与同一主发动机轴联接。
[0085]
离合器的轴与燃气涡轮主发动机的轴之间的这种接合是有利的，尤其是在诸如发动机的起动或其他瞬态操作条件的若干阶段中。通过上述轴的接合，这些瞬态操作条件得到了极大的改善。
[0086]
具体地，在发动机的起动序列期间中，需要经调节的燃料的更高压力，并且因此需要更高的燃料动力，因为燃烧发动机在起动时是冷的并且不能向燃料提供所需的热量。此类需求可以通过涡轮泵与燃气涡轮主发动机通过附件齿轮箱进行的接合来实现。
[0087]
也就是说，在燃气涡轮主发动机的起动期间，所述轴联接，并且因此在另外的起动器涡轮驱动燃气涡轮主发动机轴时，燃料的压力随燃气涡轮主发动机速度一起同时增加。具体地，处于第二状态的燃料被安排成处于适合在燃烧室内喷射和点火的压力水平。
[0088]
这允许解决起动瞬态条件时的问题，从而实现发动机起动，即使在已经发生起动失败后也是如此。有利地，这提供了发动机高压轴速度、涡轮泵速度与燃料压力上升之间的更好的同步。
[0089]
在上述起动阶段期间，当涡轮泵的离合器的轴与发动机附件齿轮箱的轴接合时，通过交换器旁路来实现对通过热交换器的液态燃料的流量的控制。在这个瞬间，交换器旁路打开以降低燃料的压降，由此降低涡轮泵的泵的动力需量。
[0090]
在诸如上述瞬态的发动机瞬态期间，由旁路系统和交换器旁路控制涡轮泵的涡轮处产生的动力峰值。
[0091]
当涡轮泵的出口处的压力和/或燃料流量和/或温度低于燃气涡轮主发动机所需的水平时，存在于旁路系统和/或交换器旁路中的任何流量调控和控制元件都会辅助系统满足燃气涡轮主发动机在流量、压力、温度等方面的需求。
[0092]
对于其中旁路系统和/或交换器通路可能不够用的、在涡轮泵处需要另外的动力以满足燃气涡轮主发动机需求的那些瞬态条件，离合器的轴将涡轮泵接合到发动机附件齿轮箱以向燃气涡轮主发动机提供另外的动力。
[0093]
这对于燃气涡轮主发动机的运行是有利的，因为这在每个运行阶段时根据每个上述阶段的动力需求提供所需的动力。
[0094]
在特定实施例中，该燃气涡轮主发动机的热交换器以操作性方式被构造成修改燃料的温度(t)和压力(p)，使得进行从所述燃料的第一状态到第二状态、优选地从液态到超临界状态的相变。
[0095]
因此，热交换器有两个不同的目的。首先，热交换器向燃料提供所需的能量以便给涡轮泵涡轮提供动力，同时另外地加热燃料，使得在涡轮泵涡轮之后，燃料处于适合喷射到燃烧室中的温度范围。
[0096]
也就是说，燃料以第一状态被提供到热交换器，在热交换器中，与处于第一状态的所述燃料进行热交换，由此通过改变燃料的参数(诸如温度和/或压力)来实现燃料状态的改变，从而将燃料转变成第二状态。修改此类参数意味着燃料在通过热交换器时的状态及其参数的改变。
[0097]
具体地，在氢发动机中，处于第二状态的燃料优选地处于气态或超临界状态以便喷射到发动机燃烧室中。在整个本文件中，针对燃料、尤其是作为燃料的氢的第二状态的术语“气态”和“超临界”表示被认为是等同的，因此，可以处于超临界状态的处于气态的经调节料是处于第二状态的燃料。
[0098]
也就是说，热交换器的主要功能是将能量传递给处于第一状态的燃料以便其随后在涡轮泵的涡轮处膨胀，热交换器提供了另外的优点：提供处于足以将燃料作为处于第二状态的燃料喷射在燃烧室中的参数下的加热的燃料，优选地是燃料中的加热的氢部分。
[0099]
在特定实施例中，涡轮进一步包括多个喷嘴，该多个喷嘴被构造成根据主发动机的动力需求定向。
[0100]
有利地，涡轮泵的涡轮处的可变角度喷嘴允许所述涡轮在两种不同条件(诸如在燃气涡轮主发动机最大推力期间或在飞行巡航速度期间所需的条件)下以提高的效率操作。具体地，喷嘴位于涡轮的上游。喷嘴是可变角度的元件。
[0101]
因此，涡轮泵的涡轮的这种构型提供了高压比，这允许将处于第二状态的燃料更好地喷射到燃烧室中。所述高压比通过来自涡轮泵以及来自另外的调控系统(诸如对应的交换器旁路或压力调控装置)的燃料流量控制和调控来实现。
[0102]
在第二发明方面中，本发明提供了一种飞行器，该飞行器包括根据第一发明方面所述的燃气涡轮主发动机。
[0103]
在第三发明方面中，本发明提供了一种用于向根据第一发明方面所述的燃气涡轮主发动机提供处于第二状态的燃料、优选地经调节的燃料的方法，包括以下步骤：
[0104]
a)将处于第一状态的燃料提供到涡轮泵的泵，并且通过热交换器的入口将处于第一状态的所述燃料泵送到热交换器，
[0105]
b)加热处于第一状态的燃料、优选地液态燃料，使得进行从第一状态到第二状态、优选地到超临界状态的相变，从而获得经调节的燃料，
[0106]
c)将处于第二状态的燃料从热交换器的出口：
[0107]-递送到涡轮，和/或
[0108]-通过旁路系统递送到涡轮的出口，
[0109]
d)通过压力调控装置对处于第二状态的燃料进行压力调控，
[0110]
e)将处于第二状态的燃料从涡轮的出口通过该至少一个喷射器喷射到燃烧室。
[0111]
也就是说，燃料所执行的路径在涡轮泵的泵中在燃料的第一状态条件下、优选地
在液相下开始。
[0112]
处于第一状态的所述燃料从泵被泵送到热交换器，因此通过热交换器的入口进入热交换器，在热交换器中，燃料流被加热。在热交换器位于燃气涡轮主发动机的排气端口处的情况下，加热是通过与上述发动机的废气进行温度交换进行的。
[0113]
燃料因此吸收由热交换器提供的热量并提高其温度，因此进行从第一状态到第二状态、优选地从液态到气态或超临界状态的相变，其中超临界状态提供的燃料粘度比处于液态的燃料的粘度低得多。在燃料中实现超临界状态提供了为燃料的喷射和点火提供更好条件的优点，尤其是对于氢。
[0114]
一旦燃料被驱动成第二状态，燃料流(处于第二状态)就在本方法的步骤c)处通过热交换器的出口从热交换器抽出，由此沿循前述燃料路径中的一个路径，即，要么进入涡轮泵的涡轮、此后被喷射到燃烧室中，要么在通过旁路系统之后在涡轮泵的出口处结合到用于将燃料喷射到燃烧室中的路径中，旁路系统可以调控以第二状态离开热交换器的所述燃料的流量。
[0115]
在于本方法的步骤e)中将燃料喷射在燃烧室中之前，并且在达到燃料的温度需求之后，在压力调控装置处调控处于第二状态的燃料流，以便达到所述通过至少一个喷射器喷射到燃烧室中的压力需求。
[0116]
在特定实施例中，在主发动机的起动期间，通过借助于热交换器旁路将处于第一状态的燃料直接泵送到热交换器的出口而避免步骤a)和b)。
[0117]
也就是说，换热器旁路被构造成使得将处于第一状态的燃料流直接驱动到换热器的出口并驱动到涡轮泵的涡轮的入口中，由此通过可以提供处于第一状态的燃料的温度和压力条件的另外的装置来实现将燃料喷射到燃烧室中所需的条件。具体地，处于第二状态的燃料，优选地具有氢部分的经调节的燃料，在主发动机的起动阶段中像汽态(vapor)和液态一样以超临界状态进行喷射。
[0118]
本说明书(包括权利要求、描述和附图)中描述的所有特征和/或所描述的方法的所有步骤可以以任何组合进行组合，除了这些互斥的特征和/或步骤的组合。
附图说明
[0119]
参考附图，鉴于本发明的详细描述，将清楚地理解本发明的这些和其他特性和优点，这些特性和优点从本发明的仅作为示例给出并且并不受其所限的优选实施例中变得显而易见。
[0120]
图1此图示出了燃气涡轮主发动机的示例的示意图。
[0121]
图2此图示出了燃气涡轮主发动机的另一个示例的全视图。
具体实施方式
[0122]
图1示出了燃气涡轮主发动机(1)的示例的示意图。
[0123]
具体地，发动机(1)是具有燃烧室(2)的燃烧发动机，在燃烧室中，燃料通过喷射器(2.1)进行喷射以便进行其点火。
[0124]
一旦燃料已经在燃烧室(2)内燃烧，来自燃烧室(2)的废气就通过排气端口排放到环境。此排气端口位于排气段(未示出)处，因此位于涡轮(3.2)之后，涡轮紧接在燃烧室(2)
之后。
[0125]
紧接在此排气口之后的是热交换器(4)。处于第一状态的燃料通过热交换器(4)，在热交换器中，实现到第二状态的相变。热交换器(4)的壁与通过排气端口从燃烧室(2)离开的废气热接触，并且所述废气的高温允许与存在于热交换器内部的处于第一状态的燃料进行热交换。因此，燃气涡轮主发动机(1)的燃料(在这种情况下是氢)从废气收获热量，并且因此被加热到其中燃料从第一状态转到第二状态的条件。
[0126]
燃料，尤其是处于液态的氢，被引入与燃烧室(2)流体连接的涡轮泵(3)的泵(3.1)中。
[0127]
具体地，液态燃料(lf)被引入泵(3.1)中并且被驱动到热交换器(4)，从而通过热交换器(4)的入口(4.1)将液态燃料(lf)引入内部。
[0128]
液态燃料(lf)在热交换器(4)内部被加热，并且以经调节状态(也就是说，作为处于超临界状态的经调节的燃料(cf))通过所述热交换器(4)的出口(4.2)离开热交换器，从而到达涡轮泵(3)的涡轮(3.2)。
[0129]
经调节的燃料(cf)通过涡轮泵(3)的出口(3.5)离开涡轮泵(3)的涡轮(3.2)，并且被引导至燃烧室(2)，从而在适合其点火的条件下通过喷射器(2.1)进入燃烧室(2)，由此给发动机(1)供应适当的动力。
[0130]
到达涡轮(3.2)的经调节的燃料(cf)的流量通过旁路系统(5)进行调控，旁路系统控制离开热交换器(4)并进入燃烧室(2)的经调节的燃料(cf)的流量。
[0131]
本图1中示出了氢在其液态和经调节状态下所沿循的路径。
[0132]
为了在液态和经调节状态下调控和控制所述燃料流，可以在图1所示的燃气涡轮主发动机(1)中引入另外的元件和系统。
[0133]
因此，图2示出了燃气涡轮主发动机(1)的另一个示例，其中也示出了图1中存在的全体元件。
[0134]
另外，压力调控装置(7)已被引入燃气涡轮主发动机(1)中，紧接在喷射器(2.1)之前。
[0135]
也就是说，经调节的燃料(cf)通过出口(3.5)离开涡轮(3.2)并且被引导至压力调控装置(7)。从旁路系统(5)直接流到涡轮泵(3)的出口(3.5)的经调节的燃料(cf)流也作为经调节的燃料(cf)的独特流被引导至压力调控装置(7)，该压力调控装置使燃料的压力适应发动机(1)的需求，以便在燃烧室(2)内部提供更好的经调节的燃料(cf)的喷射。另外，涡轮(3.2)包括多个喷嘴(3.2.1)，该多个喷嘴被构造成根据主发动机(1)的动力需求定向。
[0136]
此外，示出了位于热交换器(4)的入口(4.1)与出口之间的交换器旁路(6)。具体地，交换器旁路(6)是调整旁路阀，该调整旁路阀的入口位于泵(3.1)的出口(3.1.1)与热交换器(4)的入口(4.1)之间。
[0137]
上述交换器旁路(6)控制从泵(3.1)到热交换器(4.1)的液态燃料(lf)的流量，从而调控进入热交换器(4)内部的液态燃料的进入流量。
[0138]
因此，热交换器旁路(6)允许液态燃料流的一部分通过热交换器(4)，因此从热交换器接收热量(尤其是从废气交换来的热量)，并且将其相从液态改变为超临界状态。来自泵(3.1)的液态燃料(lf)的其余部分通过热交换器旁路(6)绕过热交换器(4)，从而从泵(3.1)直接转向到旁路系统(5)，旁路系统继而将该其余部分转向到涡轮泵(3)的出口(3.5)
或涡轮(3.2)的入口(3.2.2)。
[0139]
尽管在图1和图2中未示出，旁路系统(5)通过流量控制阀和压力调控器来构造，而交换器旁路(6)由调整旁路阀构造。
[0140]
尽管在图1和图2中的本组合中示出了上述元件，需注意的是，本文所提及的元件的任何组合都是可能的，其中例如，交换器旁路(6)与图1所示的元件和构型组合而不引入压力调控装置(7)是可能的，并且反之亦然。也就是说，由此形成燃气涡轮主发动机(1)的任何实施例的一部分的每个所提及的元件和系统都可以在其任何组合中使用。
[0141]
示例1：氢燃料的状态和温度
[0142]
关于燃气涡轮主发动机(1)的任何前述构型，这些系统被构造以便满足上述发动机(1)的需求。
[0143]
根据这种构型和要满足的需求，热交换器(4)可以被设定大小以便提供系统的优选构型。
[0144]
关于图2所示的实施例，热交换器(4)针对此应用被设定大小，从而提供燃料流在热交换器的出口处的61k的经调节氢(气态氢)的温度，以及气态氢气流在涡轮泵(3)的涡轮(3.2)的出口处的45k的温度，所述气态氢处于4.23mpa的压力，这意味着氢在涡轮出口处处于超临界状态。在这个压力水平(4.23mpa)下，氢处于液态时的温度为约33k，因此这意味着处于超临界状态的氢比其液态温度高12k。在此操作条件下涡轮泵(3)处的轴功率为326kw，涡轮压力比(从喷嘴到转子)为1.66。
[0145]
为了提高燃烧过程的效率，以及在氢的超临界喷射与氢的气态喷射之间提供权衡(可以进行权衡以选择合适的燃料温度范围)，特别重要的是用于将燃料(在这种情况下是氢)喷射在发动机(1)的燃烧室(2)中的高于气态的目标温度。也就是说，在燃料的不同温度水平之间进行权衡。具体地，已经证明：涡轮泵(3)的涡轮(3.2)的出口处超过40k的氢温度为发动机(1)提供了足够的点火和动力。
[0146]
为了使氢燃料在喷射器(2.1)处处于这种燃料的气态或超临界状态的对应温度水平，也可以通过增加每单位长度的传热递的盘管横截面形状、另外的盘管或其他类型的热交换器来设定热交换器(4)的大小以向燃料提供增加的功率传递。

技术特征：
1.-一种由燃料提供动力的燃气涡轮主发动机(1)，包括：-燃烧室(2)，所述燃烧室被构造成通过至少一个喷射器(2.1)接收燃料，-涡轮泵(3)，所述涡轮泵包括：
○
泵(3.1)，
○
入口(3.4)，所述入口用于将处于第一状态的所述燃料引入所述泵(3.1)中，
○
涡轮(3.2)，
○
出口(3.5)，所述出口用于将处于第二状态的所述燃料从所述涡轮(3.2)排出，所述出口(3.5)通过所述喷射器(2.1)流体连接到所述燃烧室(2)，以及
○
离合器(3.3)，所述离合器进一步包括轴(3.3.1)，-热交换器(4)，所述热交换器包括：
○
入口(4.1)，所述入口流体连接到所述涡轮泵(3)的泵(3.1)，以及
○
出口(4.2)，所述出口流体连接到所述涡轮泵(3)的涡轮(3.2)，所述热交换器(4)被构造用于将来自所述泵(3.1)的处于所述第一状态的燃料、优选地液态燃料(lf)加热成用于所述涡轮(3.2)的处于所述第二状态的燃料、优选地经调节的燃料(cf)，其中，所述发动机(1)进一步包括旁路系统(5)，所述旁路系统与所述热交换器(4)的出口(4.2)和所述涡轮泵(3)的出口(3.5)流体连接，并且其中，所述离合器(3.3)的轴(3.3.1)既联接到主发动机附件齿轮箱，又联接到所述涡轮泵(3)的轴。2.-根据前一权利要求所述的燃气涡轮主发动机(1)，进一步包括：排气端口，所述换交热器(4)位于所述排气端口处。3.-根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮主发动机(1)，进一步包括：交换器旁路(6)，所述交换器旁路位于所述热交换器(4)的入口(4.1)与出口(4.2)之间。4.-根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮主发动机(1)，进一步包括：压力调控装置(7)，所述压力调控装置被构造成调控处于所述第二状态的所述燃料在通过所述至少一个喷射器(2.1)进入所述燃烧室(2)之前的压力。5.-根据前一权利要求所述的燃气涡轮主发动机(1)，其中，所述压力调控装置(7)包括压力调控器、节流元件和/或阀，或它们的组合。6.根据权利要求4或5中任一项所述的燃气涡轮主发动机(1)，其中，所述压力调控装置(7)包括流量控制阀和压力调控器。7.根据权利要求4至6中任一项所述的燃气涡轮主发动机(1)，其中，所述压力调控装置(7)进一步包括控制装置。8.-根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮主发动机(1)，其中，所述离合器(3.3)的轴(3.3.1)与所述主发动机附件齿轮箱的轴联接。9.-根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮主发动机(1)，其中，所述热交换器(4)以操作性方式被构造成修改所述燃料的温度(t)和/或压力(p)，使得对所述燃料进行从所述第一状态到所述第二状态、优选地到超临界状态的相变。10.-根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮主发动机(1)，其中，所述燃料包含氢。
11.-根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮主发动机(1)，其中，所述涡轮(3.2)进一步包括多个喷嘴(3.2.1)，所述多个喷嘴被构造成根据所述主发动机的动力需求定向。12.-根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮主发动机(1)，其中，所述旁路系统(5)被构造成根据所述主发动机的动力需求调控处于所述第二状态的燃料的流量。13.-一种飞行器，包括根据权利要求1至12中任一项所述的燃气涡轮主发动机(1)。14.-一种用于向根据权利要求1至12中任一项所述的燃气涡轮主发动机(1)提供处于第二状态的燃料、优选地经调节的燃料(cf)的方法，包括以下步骤：a)将处于第一状态的燃料提供到所述涡轮泵(3)的泵(3.1)，并且通过所述热交换器(4)的入口(4.1)将处于所述第一状态的所述燃料泵送到所述热交换器(4)，b)加热处于所述第一状态的所述燃料、优选地液态燃料(lf)，使得进行从所述第一状态到所述第二状态、优选地到超临界状态的相变，从而获得经调节的燃料(cf)，c)将处于所述第二状态的燃料、即经调节的燃料(cf)从所述热交换器(4)的出口(4.2)：-递送到所述涡轮(3.2)，和/或-通过所述旁路系统(5)递送到所述涡轮(3.2)的出口(3.5)，d)通过所述压力调控装置(7)对处于所述第二状态的所述燃料进行压力调控，e)将处于所述第二状态的所述燃料从所述涡轮(3.2)的出口(3.5)通过所述至少一个喷射器(2.1)喷射到所述燃烧室(2)。15.-根据前一权利要求所述的用于向燃气涡轮主发动机(1)提供处于第二状态的燃料的方法，其中，在所述主发动机的起动期间，通过借助于所述热交换器旁路(6)将处于所述第一状态的所述燃料直接泵送到所述热交换器(4)的出口(4.2)而避免步骤a)和b)。

技术总结
本发明涉及燃气涡轮发动机领域，具体地涉及使用氢作为其燃料源的航空燃气涡轮发动机领域。本系统，涉及动力燃气涡轮发动机，优选地氢动力燃气涡轮发动机，克服了将燃料(诸如包含氢的燃料)喷射在燃气涡轮发动机的燃烧室中所需的高扬程。本发明还涉及一种包括这种系统的飞行器，以及一种用于通过上述系统向燃气涡轮发动机提供经调节的燃料的方法。轮发动机提供经调节的燃料的方法。轮发动机提供经调节的燃料的方法。


技术研发人员：米格尔
受保护的技术使用者：空中客车西班牙有限责任公司
技术研发日：2022.10.31
技术公布日：2023/5/30