用于燃烧器的燃料供应系统的制作方法

1.本公开大体涉及用于燃烧器的燃料供应系统，具体地涉及用于涡轮发动机的燃烧器的燃料供应系统。


背景技术：

2.燃气涡轮发动机包括涡轮，该涡轮由发动机的燃烧器内的可燃燃料的燃烧驱动。涡轮发动机利用燃料注入器组件将可燃燃料注入到燃烧器中。燃料注入器组件可以在注入之前将燃料与空气混合以便实现高效燃烧。燃料燃烧器流体联接到具有单个液态燃料源的燃料供应系统。
附图说明
3.在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的完整且可行的公开，包括其最佳模式，其中：
4.图1是用于飞行器的涡轮发动机的示意横截面视图，该涡轮发动机包括燃烧区段。
5.图2是适合用作图1的燃烧区段的燃料供应部的燃料供应系统的示意图，该燃料供应系统至少具有第一燃料供应部和第二燃料供应部。
6.图3是适合用作图1的燃烧区段的燃料供应部的示例性燃料供应系统的示意图，该示例性燃料供应系统具有示例性第一燃料供应部和示例性第二燃料供应部。
具体实施方式
7.本文描述的本公开的方面涉及用于具有热源的涡轮发动机的燃烧区段的燃料供应系统。燃料供应系统可以包括具有液态燃料的第一燃料供应部、具有第一气态燃料的第二燃料供应部、以及热联接到热源并流体联接到第一燃料供应部的热交换器。如本文所用，术语“热交换器”或其迭代可以指构造成将热量从一种流体传递到另一种流体的任何合适的热交换器。热交换器可以产生足够的热量以将液态燃料转变为第二气态燃料。燃料供应系统还可以包括具有第三气态燃料的第三燃料供应部、主燃料管线和吹扫(purge)燃料管线。主燃料管线可以将第二燃料供应部或第三燃料供应部中的至少一个流体联接到燃烧区段。吹扫燃料管线可以将第一气态燃料、第二气态燃料、第三气态燃料、液态燃料或其任意组合中的至少一个流体联接到燃料供应系统的外部部分。液态燃料、第一气态燃料和第二气态燃料可以是可包含氢的燃料(以下称为含氢燃料)，其可作为液态燃料储存。
8.燃料供应系统可以提供包含供应至燃烧区段的含氢燃料的燃烧燃料流。与传统燃料相比，含氢燃料在不牺牲发动机性能的情况下对环境的影响更小。燃料供应系统能够保证含氢燃料可在涡轮发动机的燃烧区段中用于燃烧。包括传统燃料的传统燃料供应系统不适合用于含氢燃料。此外，燃料供应系统可以提供使用废热来至少部分地操作的系统。燃料供应系统的热交换器可以从排气区段回收至少一些废热，以便将液态燃料热联接到足以引起第二气态燃料的相变的热源。传统燃料供应系统不使用废热。
9.为了说明的目的，将关于用于飞行器涡轮发动机的涡轮来描述本公开。然而，应当理解，本文描述的本公开的方面不限于此，并且可以在发动机(包括压缩机、发电涡轮)内，以及在非飞行器应用(例如其他移动应用和非移动工业、商业和住宅应用)中具有普遍适用性。
10.现在将详细参考燃烧器架构，尤其是用于向位于涡轮发动机内的燃烧器提供燃料的燃料注入器和旋流器，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标号来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似的标号已用于指代本公开的相似或类似部分。
11.如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
12.术语“前”和“后”是指涡轮发动机或运载器内的相对位置，并且是指涡轮发动机或运载器的正常操作姿态。例如，对于涡轮发动机，前是指更靠近发动机的位置，而后是指更靠近发动机喷嘴或排气口的位置。
13.如本文所用，术语“上游”是指与流体流动方向相反的方向，而术语“下游”是指与流体流动方向相同的方向。术语“前向”或“前”表示在某物的前面，“后向”或“后”表示在某物的后面。例如，当用于流体流动时，前向/前可以表示上游，后向/后可以表示下游。
14.术语“流体”可以是气体或液体。术语“流体连通”意指流体能够在指定区域之间建立连接。
15.此外，如本文所用，术语“径向”或“径向地”是指远离共同中心的方向。例如，在涡轮发动机的整体上下文中，径向是指沿着在发动机的中心纵向轴线和发动机外周之间延伸的射线的方向。
16.单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数引用，除非上下文另有明确指示。此外，如本文所用，术语“组”或“一组”元件可以是任意数量的元件，包括仅一个。
17.所有方向引用(例如，径向、轴向、近端、远端、上、下、向上、向下、左、右、横向、前、后、顶部、底部、上方、下方、竖直、水平、顺时针、逆时针、上游、下游、前向、后向等)仅用于标识目的，以帮助读者理解本公开，并且不应被解释为限制，特别是关于本文描述的公开的方面的位置、方位或使用的限制。连接引用(例如，附接、联接、连接和接合)将被广义地解释，并且可以包括元件集合之间的中间构件以及元件之间的相对移动，除非另有指示。因此，连接引用不一定意味着两个元件直接连接并且相对于彼此固定。示例性附图仅用于例释的目的，并且在所附附图中反映的尺寸、位置、顺序和相对大小可以变化。单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数引用，除非上下文另有明确指示。此外，如本文所用，术语“组”或“一组”元件可以是任意数量的元件，包括仅一个。
18.如本文中在整个说明书和权利要求书中所使用的近似语言被应用于修饰可以允许变化而不导致其相关的基本功能改变的任何定量表示。因此，由诸如“大约”、“近似”、“大体上”和“基本上”之类的一个或多个术语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度，或用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度，或用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可以指代在单个值、值的范围和/或限定值的范围的端点的1％、2％、4％、5％、10％、15％或20％的余量内。在此以
及在整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，这种范围被识别并包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。例如，本文公开的所有范围都包括端点，并且端点能够彼此独立地组合。
19.如本文所用，“系统”或“控制器模块”可以包括至少一个处理器和存储器。存储器的非限制性示例可以包括随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、闪存或一种或多种不同类型的便携式电子存储器，例如盘、数字多功能盘(dvd)、光盘-只读存储器(cd-rom)等，或这些类型的存储器的任何合适组合。处理器可以被构造成运行任何合适的程序或可执行指令，这些程序或可执行指令设计为执行各种方法、功能、处理任务、计算等，以启用或实现本文描述的技术操作或操作。程序可以包括计算机程序产品，计算机程序产品可以包括用于携带或具有存储在其上的机器可执行指令或数据结构的机器可读介质。这样的机器可读介质可以是任何可用介质，其可以被通用或专用计算机或具有处理器的其他机器访问。通常，这样的计算机程序可以包括具有进行特定任务或实施特定抽象数据类型的技术效果的例程、程序、对象、部件、数据结构、算法等。
20.图1是涡轮发动机10的示意图。作为非限制性示例，涡轮发动机10可以在飞行器内使用。涡轮发动机10可以至少包括压缩机区段12、燃烧区段14和涡轮区段16。驱动轴18旋转地联接压缩机区段12和涡轮区段16，使得其中一个的旋转影响另一个的旋转，并且限定涡轮发动机10的旋转轴线20。
21.压缩机区段12可以包括彼此串行流体联接的低压(lp)压缩机22和高压(hp)压缩机24。涡轮区段16可以包括彼此串行流体联接的hp涡轮26和lp涡轮28。驱动轴18可以将lp压缩机22、hp压缩机24、hp涡轮26和lp涡轮28可操作地联接在一起。替代地，驱动轴18可以包括lp驱动轴(未示出)和hp驱动轴(未示出)。lp驱动轴可以将lp压缩机22联接到lp涡轮28，并且hp驱动轴可以将hp压缩机24联接到hp涡轮26。lp线轴可以被限定为lp压缩机22、lp涡轮28和lp驱动轴的组合，使得lp涡轮28的旋转可以将驱动力施加到lp驱动轴，lp驱动轴进而可以使lp压缩机22旋转。hp线轴可以被限定为hp压缩机24、hp涡轮26和hp驱动轴的组合，使得hp涡轮26的旋转可以将驱动力施加到hp驱动轴，hp驱动轴进而可以使hp压缩机24旋转。
22.压缩机区段12可以包括多个轴向间隔开的级。每一级包括一组周向间隔开的旋转叶片和一组周向间隔开的固定轮叶。用于压缩机区段12的一级的压缩机叶片可以被安装到盘，盘被安装到驱动轴18。用于给定级的每一组叶片可以具有其自己的盘。压缩机区段12的轮叶可以被安装到壳体，壳体可以围绕涡轮发动机10周向延伸。应当理解，压缩机区段12的表示仅仅是示意性的并且可以有任意数量的级。进一步地，预期的是，在压缩机区段12内可以有任何其他数量的部件。
23.与压缩机区段12类似，涡轮区段16可以包括多个轴向间隔开的级，其中每一级具有一组周向间隔开的旋转叶片和一组周向间隔开的固定轮叶。用于涡轮区段16的一级的涡轮叶片可以被安装到盘，盘被安装到驱动轴18。用于给定级的每一组叶片可以具有其自己的盘。涡轮区段的轮叶可以以周向方式被安装到壳体。要注意的是，可以有任意数量的叶片、轮叶和涡轮级，因为图示的涡轮区段仅仅是示意性的表示。进一步地，预期的是，在涡轮区段16内可以有任何其他数量的部件。
24.燃烧区段14可以串行设置在压缩机区段12和涡轮区段16之间。燃烧区段14可以流
体联接到压缩机区段12和涡轮区段16的至少一部分，使得燃烧区段14至少部分地将压缩机区段12流体联接到涡轮区段16。作为非限制性示例，燃烧区段14可以在燃烧区段14的上游端处流体联接到hp压缩机24，并且在燃烧区段14的下游端处流体联接到hp涡轮26。
25.在涡轮发动机10的操作期间，环境空气或大气空气经由压缩机区段12上游的风扇(未示出)被吸入压缩机区段12，空气在压缩机区段12处被压缩，限定加压空气。然后，加压空气可以流入燃烧区段14，加压空气在燃烧区段14处与燃料混合并被点燃，从而生成燃烧气体。hp涡轮26从这些燃烧气体中提取一些功，hp涡轮26驱动hp压缩机24。燃烧气体被排出到lp涡轮28中，lp涡轮28提取附加功来驱动lp压缩机22，并且排气最终经由涡轮区段16下游的排气区段(未示出)从涡轮发动机10被排出。lp涡轮28的驱动驱动了lp线轴，以使风扇(未示出)和lp压缩机22旋转。加压气流和燃烧气体可以一起限定流过涡轮发动机10的风扇、压缩机区段12、燃烧区段14和涡轮区段16的工作气流。
26.图2是燃料供应系统100的示意图，燃料供应系统100适合用作通用燃烧区段114(例如图1的燃烧区段14)的燃料供应部。燃料供应系统100可以包括第一燃料供应部102、第二燃料供应部104、第三燃料供应部106和热交换器108。燃料供应系统100可以包括燃烧燃料流，燃烧燃料流流过燃料供应系统并最终进入燃烧区段或流出燃料供应系统100。如本文所用，术语“燃烧燃料流”可以包括来自第一燃料供应部、第二燃料供应部、第三燃料供应部、来自另一燃料或流体源，或其任何组合的任何合适流体。燃料供应系统100的一部分中的燃烧燃料流可以不同于燃料供应系统的另一部分中的燃烧燃料流。
27.热源110可以热联接到热交换器108。热源110可以是来自涡轮发动机10(图1)的任何部件或处理流体流的热源。例如，热源110可以是但不限于来自涡轮区段16(图1)的下游部分的排出流体。作为非限制性示例，热源110可以限定为热源或流体的混合物。作为非限制性示例，热源110可以被限定为排气和环境空气的流体混合物，其在热耦合到热交换器108之后被重定向到排气区段并且从涡轮发动机排出。
28.燃料供应部102、104、106可以包含相同或不同相(固态、液态、气态)的相同或不同燃料类型。在一个非限制性示例中，第一燃料供应部102可以包含液态燃料。液态燃料可以是液态含氢燃料。作为非限制性示例，液态燃料可以是纯氢低温冷冻液态燃料。第二燃料供应部104可以包含第二气态燃料。第二燃料供应部104中的燃料类型与第一燃料供应部102中的燃料类型相同。作为非限制性示例，两者可以是不同相的含氢燃料(例如，第一燃料供应部102是液态氢，第二燃料供应部104是气态氢)。第一燃料供应部102可以流体联接到热交换器108。热源110可以在液态燃料流过热交换器108时加热液态燃料，并将液态燃料转变为流出热交换器108的第二气态燃料。第一气态燃料和第二气态燃料均可以是含氢燃料。第一气态燃料可以具有第一气态氢含量。第二气态燃料可以具有等于第一气态氢含量的第二气态氢含量。或者，第一气态氢含量和第二气态氢含量可以不相等。第三燃料供应部106可以具有第三气态燃料。作为非限制性示例，第三气态燃料可以是氢以外的任何其他合适的气态燃料。作为非限制性示例，第三气态燃料可以是丙烷、甲烷、惰性气体(例如，气态氮)或其任何组合。设想第一气态燃料、第二气态燃料、第三气态燃料或其组合可以限定流入燃烧区段114的燃烧燃料流。
29.燃烧燃料流可以基于涡轮发动机的操作状态而改变。作为非限制性示例，在启动期间，第一气态燃料、第三气态燃料或其组合可以被供应至燃烧区段114并被点燃，从而启
动发动机。在正常操作期间(例如，在启动之后)，液态燃料可以供应到热交换器，在热交换器中发生从液体到气体的相变(例如，第二气态燃料)。第二气态燃料可以供应至燃烧区段114并点燃。可将至少一部分第二气态燃料供应至第二燃料供应部104，以再填充第二燃料供应部104。在停机期间，第一气态燃料、第三气态燃料或其组合可以限定燃烧燃料流，并吹扫燃料供应系统100的任何残余燃烧燃料流。
30.燃料供应系统100可以包括流体联接到第一燃料供应部102的第一燃料泵112和第一止回阀115。第一燃料泵112可以将液态燃料供给到第一止回阀115中。第一止回阀115可以抵抗燃料供应系统100的第一止回阀115下游的一部分偏置，使得燃烧燃料流不能回流到第一过滤器118或第一燃料泵112中。
31.第二燃料泵120可以将液态燃料从第一止回阀115泵送到热交换器108中。第二燃料泵120和第一燃料泵112可以是任何合适的泵。
32.燃料供应系统100可以包括沿燃料供应系统100的各个部分的一组过滤器。该组过滤器可以被构造成从流过过滤器的相应燃烧燃料流中去除不期望进入燃烧区段114的颗粒物质或其他污染物。作为非限制性示例，该组过滤器可以包括第一燃料泵112下游和第一止回阀115上游的第一过滤器，以及设置在第二燃料泵120下游和热交换器108上游的第二过滤器122。第一燃料泵112和第二燃料泵120可以通过任何合适的方法驱动。
33.流量换能器124可以设置在燃料供应系统100内。作为非限制性示例，流量换能器124可以设置在热交换器108的上游和第二过滤器122的下游。流量换能器124可以被构造成测量燃料供应系统100的相应部分内的燃烧燃料流的质量流率。然而，应当理解，流量换能器124可以设置在燃料供应系统100的任何合适部分内的适当位置处，在该位置处流量换能器124可以测量通过燃料供应系统100的相应部分的燃烧燃料流的质量流率。
34.可以在热交换器108的下游提供加热器126。加热器126可用于将离开热交换器108的燃烧燃料流加热到期望温度。加热器126可以是任何合适的加热器。作为非限制性示例，加热器126可以是微调汽化器(trim vaporizer)。
35.可以在加热器126的下游提供蓄能器128。蓄能器128可以被构造为可对燃料供应系统100内的燃烧燃料流加压的压力存储容器。蓄能器128可以是任何合适的蓄能器，例如通过外力(例如，涡轮发动机10、重物、弹簧等)保持在压力下的液压蓄能器。
36.可以在蓄能器的下游和恰好在燃烧区段之前的上游提供一组阀。作为非限制性示例，该组阀可以包括流量计量阀130和截止阀132。流量计量阀130可以用于限制或以其他方式控制燃烧燃料流的质量流率。流量计量阀130可以进一步用于限制或加压燃烧燃料流。截止阀132可以用于停止进入燃烧区段114的燃烧燃料流。
37.第二燃料供应部104可以流体联接到热交换器108的下游端处或下游的一部分。作为非限制性示例，当液态燃料供应到热交换器108时，第二燃料供应部104可以流体联接到包括第二气态燃料的燃料供应系统100的一部分。第一压力释放阀136可以设置在热交换器108和第二燃料供应部104之间。第一压力释放阀136可以抵抗来自第二燃料供应部104的燃烧燃料流偏置，使得来自热交换器108的下游部分的燃烧燃料流(例如，气态燃料)可以流过第一压力释放阀136并进入第二燃料供应部104。这样，第二燃料供应部104可以被燃料供应系统100内的燃烧燃料流填充或再填充。作为非限制性示例，第二气态燃料可以再填充第二燃料供应部104。因此，第二燃料供应部104可以被限定为具有第一气态燃料、第二气态燃料
或其组合的燃料供应部。
38.第二压力释放阀138可以流体联接到第一压力释放阀136下游的第二燃料供应部104。离开第二压力释放阀138的燃烧燃料流可以限定排出流体流140。作为非限制性示例，排出流体流140可以被导向涡轮发动机的下游部分(例如，涡轮区段16，或涡轮区段16下游的排气区段)，或直接导向大气。第二压力释放阀138可以抵抗排出流体流140。当相应释放阀上游的燃烧燃料流的压力超过预定阈值压力时，第一压力释放阀136和第二压力释放阀138可以各自打开或以其他方式允许燃烧燃料流通过相应阀。因此，当第二燃料供应部104内的气态燃料的压力达到或超过预定压力阈值时，第二压力释放阀138可以打开，或允许来自第二燃料供应部104的燃烧燃料流通过排出流体流140排出。作为非限制性示例，第一压力释放阀136和第二压力释放阀138可以是弹簧止回阀。
39.混合阀134可以选择性地流体联接第二燃料供应部104和第三燃料供应部106，以限定第一气态燃料和第三气态燃料的气态混合物。混合阀134可以流体联接到燃料供应系统100的热交换器108下游的一部分。作为非限制性示例，混合阀134可以流体联接到燃料供应系统100的热交换器108下游和加热器126上游的一部分。混合阀134可以选择性地将气态混合物流体供应到燃料供应系统100的一部分。如本文所述，第一气态燃料可以是气态氢，而第三气态燃料可以是任何其他合适的燃料(例如，气态氮)。作为非限制性示例，第三气态燃料可以是甲烷、丙烷、丁烷或当与氢或含氢燃料(例如，第一气态燃料或第二气态燃料)混合时产生的混合燃料的火焰传播速度低于含氢燃料的任何其他气态碳氢化合物或非碳氢化合物气体。
40.第三气态燃料供应管线142可以流体联接到第三燃料供应部106。第三气态燃料供应管线142可以再填充或填充第三燃料供应部106。第三气态燃料供应管线142可以流体联接到包括第三气态燃料的辅助箱。辅助箱可以设置在涡轮发动机10内，或设置在涡轮发动机10的外部。或者，第三气态燃料供应管线142可以流体联接到包括第三气态燃料的燃料供应系统100的一部分，使得当第三气态燃料供应到燃料供应系统100时，至少一部分第三气态燃料在流过燃料供应系统100的至少一部分之后被供应回第三燃料供应部106。
41.第一阀144可以沿燃料供应系统100的分支设置，该分支远离将被直接供应到燃烧区段114的燃烧燃料流。第一阀144可以设置在蓄能器128的下游和流量计量阀130的上游。
42.燃料供应系统100的其上设置有第一阀144的分支可以流体联接到主燃料管线148。第一阀144可以选择性地将燃料供应系统100的一部分流体联接到主燃料管线148，并且可以进一步确保主燃料管线148内的主燃料流不能流过第一阀144远离主燃料管线148。主燃料管线148可以流体联接到燃料供应系统100的位于第二燃料泵120上游和第一止回阀115下游的一部分，并且流体联接到燃料供应系统100的第二燃料泵120下游和第二过滤器122上游的一部分。第二阀150可以选择性地将主燃料管线148流体联接到燃料供应系统的第二燃料泵120上游和第一止回阀115下游的部分。第三阀可以将主燃料管线148流体联接到燃料供应系统100的第二燃料泵120下游和第二过滤器122上游的一部分。
43.吹扫燃料管线154可以流体联接到第二阀150和第三阀152上游的主燃料管线148。吹扫燃料管线154可以流体联接到至少一个吹扫气体流。作为非限制性示例，吹扫燃料管线154可以流体联接到包含第一吹扫气体的第一吹扫流(f1)和包含第二吹扫气体的第二吹扫流(f2)。第一吹扫气体和第二吹扫气体可以是可被供应到燃料供应系统100的任何可染色
气体(stainable gas)。作为非限制性示例，第一吹扫气体可以是任何合适的惰性气体(例如，氮、氦等)，而第二吹扫气体可以是与第一气态燃料和第二气态燃料具有相等或不相等氢含量的气态氢。
44.可沿吹扫燃料管线154设置分别抵抗第一吹扫流(f1)和第二吹扫流(f2)偏置的第二止回阀156和第三止回阀158。第二止回阀156和第三止回阀158可以确保燃烧燃料流不会在与第一吹扫流(f1)和第二吹扫流(f2)的箭头相反的方向上流出吹扫燃料管线154。
45.可以沿第二止回阀156和第三止回阀158下游的吹扫燃料管线154提供吹扫燃料加热器160。吹扫燃料加热器160可以在进入主燃料管线148之前加热吹扫燃料管线154内的燃烧燃料流。
46.第四阀162可以选择性地将吹扫燃料管线154流体联接到主燃料管线148。第四阀162可设置在吹扫燃料加热器160的下游。
47.燃料供应系统100的至少一部分可以设置在涡轮发动机10内，而燃料供应系统100的其余部分可以设置在涡轮发动机10的外部。作为非限制性示例，至少第一燃料供应部102连同第一燃料泵112、第一过滤器118和第一止回阀115可以设置在涡轮发动机外部(由箭头164指示)，而燃料供应系统100的其余部分可以设置在涡轮发动机内或沿涡轮发动机设置(由箭头166指示)。
48.燃料供应系统100还可以包括具有处理器和存储器的控制器模块163。控制器模块163或处理器可以可操作地或通信地联接到本文描述的燃料供应系统100的各个部分并且被构造为操作各个部分。作为非限制性示例，控制器模块163可用于选择性地控制第一燃料泵112、第二燃料泵120、加热器126、吹扫燃料加热器160、混合阀134、流量计量阀130、截止阀132、第一阀144、第二阀150、第三阀152或第四阀162的操作(例如，打开、关闭、启动、截止等)。此外，控制器模块163可以被构造成监测整个燃料供应系统100的一个或多个传感器，并基于来自一个或多个传感器的读数操作燃料供应系统100的相应部件。作为非限制性示例，控制器模块163可以通信地联接到流量换能器124。基于来自流量换能器124的传感器读数，控制器模块163可以控制燃料供应系统100的各个部分(例如，第一燃料泵112或第二燃料泵120)，以将燃料供应系统100内的燃烧燃料流的质量流率增加或减少到期望质量流率。设想燃料供应系统100的各个其他部分可以经由控制器模块163控制。作为非限制性示例，任何数量的压力释放阀(例如第一压力释放阀136或第二压力释放阀138)可以经由控制器模块163控制，使得控制器模块163可以打开或关闭相应压力释放阀。
49.在操作期间，燃料供应系统100可以将燃烧燃料流供应到燃烧区段114，在燃烧区段114中燃烧燃料流最终被点燃，从而生成如本文所述的燃烧气体。作为非限制性示例，燃烧燃料流可以供应到设置在燃烧器上游的燃烧区段内的燃料注入器或一组燃料注入器。燃料供应系统100内的燃烧燃料流可以取决于涡轮发动机10的操作。作为非限制性示例，燃烧燃料流可以在涡轮发动机10的启动、正常操作和停机期间变化。
50.在涡轮发动机10的启动期间，燃烧区段114可以被开启。可以关闭第一燃料泵112，使得液态燃料不流过燃料供应系统100。然而，可以打开第二燃料泵120，并且可以打开混合阀134、第一阀144以及第二阀150或第三阀152中的至少一个，使得第一气态燃料和第三气态燃料的气态混合物流过主燃料管线148、热交换器108，并最终进入燃烧区段114。作为非限制性示例，第二燃料泵120可由电机驱动，该电机电联接到涡轮发动机10的附件齿轮箱或
启动发电机。因此，第二燃料泵120可以在燃烧区段内发生燃烧之前(例如，在涡轮发动机10完全启动之前)启动。由于这是在启动期间，因此热源110可能没有足够的温度来充分加热热交换器108内的燃烧燃料流。换言之，在启动期间热源110不足以引起燃烧燃料流的相变。液态燃料不能燃烧，然而，第一气态燃料、第二气态燃料、第三气态燃料或其组合可以燃烧。因此，在启动期间，燃烧燃料流是来自第二燃料供应部104和第三燃料供应部106的气态流体。在热交换器108中不需要从液体到气体的相变。可以选择性地操作加热器126、蓄能器128和流量计量阀130，以使气态混合物在进入燃烧区段114之前达到期望的温度、压力和质量流率。燃烧燃料流然后可以被供给到燃烧区段114，在燃烧区段114中燃烧燃料流被燃烧，这最终开始燃烧区段114下游的涡轮区段的旋转和涡轮发动机10的完全启动。与其他燃料相比，纯气态氢的火焰传播速度非常快，并且可能导致启动时燃烧不成功(例如，如果在启动过程中使用吹扫氢，则涡轮发动机可能无法正常启动)。因此，设想通过将氢燃料与其他燃料(例如，来自第三燃料供应部106的丙烷、甲烷、氮等)混合来降低火焰传播速度可导致燃烧区段114内的更受控燃烧，更受控燃烧总能导致涡轮发动机的成功启动。
51.在涡轮发动机10的正常操作期间(例如，在启动之后和停机之前)，吹扫燃料管线154可以关闭(例如，第一阀144、第二阀150和第三阀152关闭)并且第一燃料泵112开启。这样，来自第一燃料供应部102的液态燃料可以流过燃料供应系统100并进入热交换器108。当涡轮发动机10现在启动时，热源110足以引起液态燃料到第二气态燃料的相变。热交换器108可以至少部分地使燃烧燃料流达到期望的压力和温度，然而，热交换器108的主要目的是使燃烧燃料流达到期望的相(例如，气态)。可以选择性地操作加热器126、蓄能器128和流量计量阀130，以使第二气态燃料在进入燃烧区段114之前达到期望的温度、压力和质量流率。进一步设想混合阀134可以在这个阶段期间打开，使得第一气态燃料和第三气态燃料的气态混合物在进入燃烧区段114之前与第二气态燃料合并。这可以用于进一步控制进入燃烧区段114的燃烧燃料流的温度和压力。由第二气态燃料限定的燃烧燃料流然后可以流入燃烧区段114，在燃烧区段114中燃烧燃料流最终燃烧以生成燃烧气体并驱动涡轮发动机10。
52.由于在启动期间使用第二气态燃料和第三气态燃料来开启燃烧区段114，所以第二燃料供应部104和第三燃料供应部106可以至少部分地耗尽。至少一部分第二气态燃料可以通过第一压力释放阀136供应到第二燃料供应部104。因此，第二气态燃料可以至少部分地再填充第二燃料供应部104。第三燃料供应部106可以通过第三气态燃料供应管线142至少部分地再填充。
53.在涡轮发动机10的停机期间，可以关闭第一燃料泵112，使得液态燃料不供应到热交换器108。可以打开第二阀150或第三阀152中的至少一个，并且可以打开第四阀162，使得吹扫气体(例如，来自第一吹扫流(f1)或第二吹扫流(f2)中的至少一个)通过吹扫燃料管线154供应并进入主燃料管线148。吹扫燃料加热器160可以在吹扫气体进入主燃料管线148之前将其加热到期望的温度。截止阀132可以关闭，使得燃烧燃料流不进入燃烧区段114而是循环通过燃料供应系统100直到残余物被全部收集。在期望的时间量之后，可以重新打开截止阀132，并且吹扫气体可以被供给到燃烧区段114并最终通过排气区段排出到大气。当涡轮发动机10停机时，这种向燃料供应系统100供应吹扫气体的过程可用于吹扫燃料供应系统100中的不希望留在燃料供应系统100中(例如，热交换器108内)的任何残留气体或液体。
54.图3是适合用作通用燃烧区段214(例如图1的燃烧区段14)的燃料供应部的示例性燃料供应系统200的示意图。燃料供应系统200类似于燃料供应系统100，因此，相似部分将用增加到200系列的相似数字来标识，应当理解，除非另有说明，否则燃料供应系统100的相似部分的描述适用于燃料供应系统200。还将进一步理解，燃料供应系统100可以包括燃料供应系统200的任何合适部分，反之亦然。
55.燃料供应系统200可以包括具有液态燃料的第一燃料供应部202、具有第一气态燃料的第二燃料供应部204和具有第三气态燃料的第三燃料供应部206。热交换器208可以设置在第二燃料供应部204的下游并且流体联接到热源210(例如，涡轮发动机10(图1)的热源)。第一止回阀215可以设置在第一燃料供应部102的下游，并且抵抗来自第二燃料供应部204的燃烧燃料流偏置。燃料泵220可以设置在第一止回阀215的下游并且泵送燃料供应系统200内的燃烧燃料流。加热器226和流量计量阀230可以设置在热交换器208的下游，并且被构造为分别控制燃烧燃料流的热量、压力和质量流率。混合阀234可以流体联接第二燃料供应部204和第三燃料供应部206以限定两者的气态混合物，该气态混合物可以供应给燃料供应系统200。第一压力释放阀236可以设置在热交换器208的下游，并且将热交换器208的下游部分或热交换器208下游的燃料供应系统200的一部分流体联接到第二燃料供应部204。第二压力释放阀238可以流体联接到第二燃料供应部204和排出流体流240。主燃料管线248可以流体联接到燃料供应系统100。第一阀250和第二阀252可以选择性地将主燃料管线248流体联接到燃料供应系统200的其余部分。燃料供应系统200的至少一部分(例如，第一燃料供应部202或第一止回阀215)可以设置在涡轮发动机外部(由箭头264指示)，而燃料供应系统200的其余部分可以设置在涡轮发动机内或沿涡轮发动机设置(由箭头266指示)。
56.与燃料供应系统100类似，燃料供应系统200可以包括可基于涡轮发动机的操作状态而改变的燃烧燃料流。作为非限制性示例，在启动期间，第一气态燃料、第三气态燃料或其组合可以供应到燃烧区段214并点燃，从而启动发动机。在正常操作期间(例如，在启动之后)，液态燃料可以供应到热交换器，在热交换器中发生从液体到气体的相变(例如，第二气态燃料)。第二气态燃料可以供应到燃烧区段114并点燃。至少一部分第二气态燃料可以供应到第二燃料供应部204以再填充第二燃料供应部204。在停机期间，第一气态燃料、第三气态燃料或其组合可以限定燃烧燃料流，并吹扫燃料供应系统200的任何残余燃烧燃料流。
57.燃料供应系统200可以包括沿燃料供应系统200设置的任何合适的传感器，该传感器被构造为测量或以其他方式感测与燃烧燃料流相关的至少一个参数。作为非限制性示例，燃料供应系统200可以包括加热器226下游的第一温度传感器268，其可测量或感测燃烧燃料流的温度。然而，应当理解，可以沿燃料供应系统200的任何合适部分设置任何数量的温度传感器，以测量燃料供应系统200的相应部分处的燃烧燃料流的温度。作为非限制性示例，第二温度传感器270可以设置在第二燃料供应部204的下游。将进一步理解，燃料供应系统200可以包括任何其他合适的传感器，例如但不限于质量流率传感器(例如，燃料供应系统100的流量换能器124)、压力传感器、第一温度传感器268、第二温度传感器270或其任何组合。
58.除了第一止回阀215可以是压力释放阀(即弹簧止回阀)之外，第一止回阀215可以类似于第一止回阀115。当液态燃料等于或高于预定压力时，第一止回阀215可允许液态燃料流过第一止回阀215。
59.除了主燃料管线248流体联接到燃料供应系统200的其余部分的位置不同之外，主燃料管线248类似于主燃料管线148。与主燃料管线148相似，通过第一阀250的选择性操作，主燃料管线248可以选择性地流体联接到燃料供应系统200的燃料泵220上游和第一止回阀215下游的一部分。然而，通过第二阀252的选择性操作，主燃料管线248可以进一步选择性地流体联接到燃料供应系统200的流量计量阀230下游的一部分。此外，与主燃料管线148相比，主燃料管线248可以包括第一气态燃料和第三气态燃料的更受控气态混合物。主燃料管线248内的第一气态燃料和第三气态燃料之比可以由流体联接到第二燃料供应部204的第三阀274和流体联接到第三燃料供应部206的第四阀276控制。
60.除了混合阀234选择性地流体联接到燃料供应系统200的热交换器208上游的一部分之外，混合阀234类似于混合阀134。作为非限制性示例，混合阀234通过第一分流阀278选择性地流体联接到燃料供应系统200的燃料泵220下游的一部分。弹簧止回阀形式的第二压力释放阀280可以抵抗来自第一分流阀278的燃烧燃料流偏置。混合阀234、第一分流阀278和第二压力释放阀280可以被限定为主燃料管线248的一部分。
61.第二分流阀282可以设置在热交换器208的下游并且流体联接到第二燃料供应部204。第三压力释放阀284可以设置在第二分流阀282的下游和第二燃料供应部204的上游，并且抵抗来自第二燃料供应部204的燃烧燃料流偏置。第一压力释放阀236和第三压力释放阀284可以设置的燃料供应系统200的部分在燃料供应系统200的用第二气态燃料至少部分地再填充第二燃料供应部204的一部分上。当第二分流阀282可选择性地操作时，可以取决于第二燃料供应部204的燃料水平而将更多或更少的第二气态燃料供应至第二燃料供应部204。作为非限制性示例，当确定第二燃料供应部204需要再填充并且通过第一压力释放阀236的燃烧燃料流本身是不够的时，可以切换第二分流阀282以将燃烧燃料流与流过第一压力释放阀236的燃烧燃料流一起提供给第二燃料供应部。或者，第一压力释放阀236和第三压力释放阀284可以额定在不同的压力下。作为非限制性示例，第三压力释放阀284可以具有比第一压力释放阀236低的额定压力。在燃烧燃料流不足以通过第一压力释放阀236但足以通过第三压力释放阀284并且第二燃料供应部204需要再填充的情况下，第二分流阀282可以切换以将至少一部分燃烧燃料流导向第二燃料供应部204。
62.可以提供类似于控制器模块163的控制器模块263，以选择性地控制燃料供应系统200的任何合适部分的操作。作为非限制性示例，控制器模块263可以选择性地操作第一燃料泵220、加热器226、混合阀234、流量计量阀230、第一阀250、第二阀252、第三阀274、第四阀276、第一分流阀278或第二分流阀282。此外，控制器模块263可以被构造成监测遍及燃料供应系统200的一个或多个传感器，并基于来自一个或多个传感器的读数操作燃料供应系统200的相应部件。作为非限制性示例，控制器模块263可以通信地联接到第一温度传感器268或第二温度传感器270。基于来自温度传感器268的传感器读数，控制器模块263可以控制加热器226以确保燃烧燃料流在进入燃烧区段214之前具有适当的温度。
63.在启动期间，加热器226可以打开并且流量计量阀230、第一阀250、第二阀252、以及第三阀274或第四阀276中的至少一个可以至少部分地打开/由控制器模块操作。第一阀250、第二阀252、第三阀274和第四阀276的打开可以允许至少包含第一气态流体、第三气态流体或其混合物的第一主气体进入燃料供应系统200。可以进一步打开混合阀234和第一分流阀278，以允许包含第一气态燃料和第三气态燃料的混合物的第二主气体进入燃料供应
系统200。可以开启燃料泵220以允许燃烧燃料流通过燃料供应系统。启动期间的燃烧燃料流可以限定为没有液态燃料的流体。至少一部分燃烧燃料流可以流过加热器226、流量计量阀230，并最终进入燃烧区段214。加热器226可以至少部分地加热燃烧燃料流，使得燃烧燃料流在进入燃烧区段214之前处于期望的温度。流量计量阀230可以加压和限制燃烧燃料流。这样，在启动期间进入燃烧区段的燃烧燃料流的压力、速度、热量和质量流率可以被控制在一旦点燃就发生燃烧的期望参数。
64.在停机期间，加热器226和流量计量阀230可以关掉或关闭。第一阀250、第二阀252和第三阀274可以都打开。燃料泵220可以降低到怠速，使得第一气态燃料被泵送通过燃料供应系统200。这可以进行直到燃烧燃料流的温度低于第三气态燃料的液体饱和温度。一旦发生这种情况，流量计量阀230可以打开并且第二阀252和第三阀274可以关闭。可以打开第四阀276并且可以用第三气态燃料吹扫系统，第三气态燃料然后可以进入燃烧区段214并最终离开排气区段。
65.本公开的益处包括包含具有含氢燃料的燃烧燃料流的燃料供应系统。与传统燃料相比，含氢燃料在不牺牲发动机性能的情况下对环境的影响更小。与传统燃料的燃烧相比，作为含氢燃料(例如，低碳或零碳燃料)的燃烧副产物生成的排气含有较少的对环境有害的污染化学物质和颗粒物质。然而，含氢燃料的燃烧具有比传统燃料更高的火焰温度。也就是说，氢或氢混合燃料通常比传统燃料(如石油基燃料，或石油和合成燃料混合物)具有更宽的可燃范围和更快的燃烧速度。因此，许多为传统燃料设计的燃烧部件不适用于氢或氢混合燃料。例如，传统燃料供应系统不适合作为包含含氢燃料的燃料供应系统。传统燃料供应系统将无法在含氢燃料进入燃烧室以便发生期望燃烧之前使含氢燃料达到所需的温度、压力、相、质量流率或速度。然而，如本文所述，燃料供应系统包括可用于控制压力、温度、速度或质量流率的各种部件(例如，加热器、混合阀、热交换器、蓄能器、液压回路、流量计量阀、第一燃料泵或第二燃料泵，如本文所述)。这些部件可以最终导致燃烧燃料流以含氢燃料的期望压力、温度、速度和质量流率进入燃烧区段，从而导致燃烧室内期望的受控燃烧。这种控制对于传统燃料供应系统是不可能的。
66.与传统燃料供应系统相比，本公开的进一步益处包括更有效的燃料供应系统。例如，传统燃料供应系统可以包括热交换器以在燃料供应系统内的燃烧燃料流进入燃烧区段之前对其进行加热。然而，热交换器热联接到。然而，如本文所述，燃料供应系统包括热联接到现有发动机热源(例如，排气区段内的排气)的热交换器。在传统涡轮发动机(例如，使用传统燃料的涡轮发动机)的燃料供应系统中，排气的热量不足以将低温冷冻的液态氢变为气态。然而，由于本文所述的涡轮发动机使用具有比传统燃料更高火焰温度的含氢燃料，因此排气也更热。因此，排气可以被引导回到涡轮发动机中并热联接到热交换器，以产生从液体到气体的相变。因此，与传统涡轮发动机相比，该涡轮发动机是更高效的涡轮发动机。
67.在尚未描述的范围内，各个方面的不同特征和结构可以根据需要组合使用或相互替代使用。一个特征没有在所有示例中示出并不意味着它不能被如此示出，而是为了描述的简洁而这样做。因此，可以根据需要混合和匹配不同方面的各种特征以形成新方面，无论新方面是否被明确描述。本文描述的特征的所有组合或排列都被本公开覆盖。
68.该书面描述使用示例来描述本文描述的本公开的方面，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本公开的方面，包括制造和使用任何装置或系统以及进行
任何结合的方法。本公开的方面的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。
69.本公开的进一步方面由以下条项的主题提供：
70.一种燃料供应系统，所述燃料供应系统选择性地流体联接到具有至少一个热源的涡轮发动机的燃烧区段并且限定用于所述燃烧区段的燃料源，所述燃料供应系统包括：第一燃料供应部，所述第一燃料供应部具有液态燃料；第二燃料供应部，所述第二燃料供应部具有第一气态燃料；以及热交换器，所述热交换器流体联接到所述第一燃料供应部并且热联接到所述至少一个热源，所述热交换器产生足以将所述液态燃料变成第二气态燃料的热量，所述第二气态燃料是与所述第一气态燃料相同类型的燃料；其中所述第一燃料供应部和所述第二燃料供应部分别选择性地流体联接到所述燃烧区段。
71.根据任何前述条项所述的燃料供应系统，进一步包括第三燃料供应部，所述第三燃料供应部具有不同于所述第一气态燃料和所述第二气态燃料的第三气态燃料。
72.根据任何前述条项所述的燃料供应系统，进一步包括混合阀，所述混合阀流体联接到所述第二燃料供应部和所述第三燃料供应部，并且被构造为输出所述第一气态燃料和所述第三气态燃料的混合物。
73.根据任何前述条项所述的燃料供应系统，其中，所述混合阀选择性地流体联接到所述涡轮发动机的所述燃烧区段。
74.根据任何前述条项所述的燃料供应系统，其中，所述混合物在所述涡轮发动机启动时供应到所述燃烧区段。
75.根据任何前述条项所述的燃料供应系统，其中，所述第三气态燃料包括气态氮、甲烷、丙烷或丁烷中的一种，所述液态燃料包括液态氢，并且所述第一气态燃料包括气态氢。
76.根据任何前述条项所述的燃料供应系统，其中，所述液态燃料包括液态氢，并且所述第一气态燃料具有气态氢。
77.根据任何前述条项所述的燃料供应系统，其中，所述第一气态燃料具有第一气态氢含量，并且所述第二气态燃料具有与所述第一气态氢含量相同的第二气态氢含量。
78.根据任何前述条项所述的燃料供应系统，进一步包括主燃料管线，所述主燃料管线将所述第二燃料供应部流体联接到所述燃料供应系统的所述热交换器上游的一部分。
79.根据任何前述条项所述的燃料供应系统，其中，在所述液态燃料供应到所述热交换器之前，所述主燃料管线将第一气态燃料流供应到所述热交换器。
80.根据任何前述条项所述的燃料供应系统，进一步包括设置在所述热交换器上游和所述第一燃料供应部下游的燃料泵，其中所述主燃料管线选择性地流体联接到所述燃料供应系统的所述燃料泵下游的一部分。
81.根据任何前述条项所述的燃料供应系统，其中，所述主燃料管线选择性地流体联接到所述燃料供应系统的所述燃料泵上游的一部分。
82.根据任何前述条项所述的燃料供应系统，进一步包括分流阀，所述分流阀流体联接到所述主燃料管线并且沿所述燃料供应系统的所述燃料泵下游的所述一部分设置。
83.根据任何前述条项所述的燃料供应系统，其中，所述主燃料管线流体联接到所述
燃料供应系统的所述热交换器下游的一部分。
84.根据任何前述条项所述的燃料供应系统，进一步包括第三燃料供应部，所述第三燃料供应部选择性地流体联接到所述主燃料管线，并且包含不同于所述第一气态燃料和所述第二气态燃料的第三气态燃料。
85.根据任何前述条项所述的燃料供应系统，进一步包括吹扫燃料管线，所述吹扫燃料管线选择性地流体联接到吹扫气体和所述主燃料管线，其中所述吹扫气体能够在所述涡轮发动机的停机期间供给通过所述主燃料管线。
86.根据任何前述条项所述的燃料供应系统，其中，所述第二气态燃料能够选择性地供应到所述第二燃料供应部，使得所述第二燃料供应部能够包含气态混合物，所述气态混合物包括所述第一气态燃料和所述第二气态燃料中的至少一个。
87.根据任何前述条项所述的燃料供应系统，进一步包括压力释放阀，当所述气态混合物超过阈值压力值时，所述压力释放阀能够将所述气态混合物排出到所述第二燃料供应部的外部。
88.根据任何前述条项所述的燃料供应系统，其中，所述涡轮发动机的所述热源是排气流。
89.根据任何前述条项所述的燃料供应系统，其中，所述第一流体供应部设置在所述涡轮发动机的外部，并且所述热交换器设置在所述涡轮发动机的内部内。

技术特征：
1.一种燃料供应系统，所述燃料供应系统选择性地流体联接到具有至少一个热源的涡轮发动机的燃烧区段并且限定用于所述燃烧区段的燃料源，其特征在于，所述燃料供应系统包括：第一燃料供应部，所述第一燃料供应部具有液态燃料；第二燃料供应部，所述第二燃料供应部具有第一气态燃料；以及热交换器，所述热交换器流体联接到所述第一燃料供应部并且热联接到所述至少一个热源，所述热交换器产生足以将所述液态燃料变成第二气态燃料的热量，所述第二气态燃料是与所述第一气态燃料相同类型的燃料；其中所述第一燃料供应部和所述第二燃料供应部分别选择性地流体联接到所述燃烧区段。2.根据权利要求1所述的燃料供应系统，其特征在于，进一步包括第三燃料供应部，所述第三燃料供应部具有不同于所述第一气态燃料和所述第二气态燃料的第三气态燃料。3.根据权利要求2所述的燃料供应系统，其特征在于，进一步包括混合阀，所述混合阀流体联接到所述第二燃料供应部和所述第三燃料供应部，并且被构造为输出所述第一气态燃料和所述第三气态燃料的混合物。4.根据权利要求3所述的燃料供应系统，其特征在于，其中，所述混合阀选择性地流体联接到所述涡轮发动机的所述燃烧区段。5.根据权利要求4所述的燃料供应系统，其特征在于，其中，所述混合物在所述涡轮发动机启动时供应到所述燃烧区段。6.根据权利要求2所述的燃料供应系统，其特征在于，其中，所述第三气态燃料包括气态氮、甲烷、丙烷或丁烷中的一种，所述液态燃料包括液态氢，并且所述第一气态燃料包括气态氢。7.根据权利要求1所述的燃料供应系统，其特征在于，其中，所述液态燃料包括液态氢，并且所述第一气态燃料具有气态氢。8.根据权利要求1所述的燃料供应系统，其特征在于，其中，所述第一气态燃料具有第一气态氢含量，并且所述第二气态燃料具有与所述第一气态氢含量相同的第二气态氢含量。9.根据权利要求1所述的燃料供应系统，其特征在于，进一步包括主燃料管线，所述主燃料管线将所述第二燃料供应部流体联接到所述燃料供应系统的所述热交换器上游的一部分。10.根据权利要求9所述的燃料供应系统，其特征在于，其中，在所述液态燃料供应到所述热交换器之前，所述主燃料管线将第一气态燃料流供应到所述热交换器。

技术总结
一种用于涡轮发动机的燃烧区段的燃料供应系统。涡轮发动机包括热源。燃料供应系统包括具有液态燃料的第一燃料供应部、具有第一气态燃料的第二燃料供应部、以及流体联接到第一燃料供应部和热源的热交换器。热交换器产生的热量足以将液态燃料变成与第一气态燃料相同类型的第二气态燃料。类型的第二气态燃料。类型的第二气态燃料。


技术研发人员：大卫
受保护的技术使用者：通用电气阿维奥有限责任公司
技术研发日：2023.02.01
技术公布日：2023/8/5