Lng/航空煤油航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供應(yīng)系統(tǒng)及燃燒室工作方式的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種LNG/航空煤油航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供應(yīng)系統(tǒng)及燃燒室工作方式。
【背景技術(shù)】
[0002]在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展過程中曾使用過不同的燃料，最早的航空燃料是柴油，后來是航空汽油、航空煤油。這些燃料是通過石油加工獲得，具有污染重的特點(diǎn)。航空煤油在燃燒過程中產(chǎn)生的CO2基本排放在大氣的平流層中，產(chǎn)生了很強(qiáng)的溫室效應(yīng)，因此航空業(yè)面臨著嚴(yán)峻的C(V咸排挑戰(zhàn)。同時(shí)，由于飛機(jī)飛行高度接近平流層，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放對(duì)臭氧層的破壞遠(yuǎn)高于其他設(shè)備。因此，低污染燃燒技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要標(biāo)志之一。
[0003]隨著世界航空業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)航空煤油的需求與日倶增。而全球石油儲(chǔ)量的減少，石油價(jià)格的波動(dòng)，使得航空能源安全性、經(jīng)濟(jì)性等問題愈顯突出。
[0004]液化天然氣(LNG)是將天然氣經(jīng)脫硫、脫水、脫重?zé)N和脫酸性氣體等一系列技術(shù)加工處理，并采用深冷技術(shù)，將天然氣冷卻到_162°C，在常壓下為液態(tài)的一種天然氣。在凈化處理、深冷生產(chǎn)過程中，非烴類成分及一些非甲烷烴類成分被去掉，成為純度很高的烷烴(96%以上是甲烷)。液態(tài)密度為0.42?0.46 t/m3(3#航空煤油密度為0.78 t/m3)，液態(tài)熱值為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?jī)H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、燃料純凈、燃燒穩(wěn)定性強(qiáng)、燃料熱值高(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。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(guó)防科技都有著至關(guān)重要的作用。
[0005]為實(shí)現(xiàn)LNG在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，美國(guó)通用電氣公司針對(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)行了研究。其采用了在同一個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中交替使用兩種燃料的燃燒室，不同的燃料通過各自的燃料供應(yīng)系統(tǒng)和燃油噴嘴進(jìn)入燃燒室發(fā)生反應(yīng)。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。同時(shí)其未涉及LNG與航空煤油在燃燒室內(nèi)如何進(jìn)行有效的燃燒。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。所設(shè)計(jì)的燃燒室使用一種燃料，未涉及兩種燃料在同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上同時(shí)使用的技術(shù)。同時(shí)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)一種可同時(shí)應(yīng)用航空煤油、LNG為燃料的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，并提出其工作方式是目前急需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:為實(shí)現(xiàn)LNG在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，同時(shí)克服LNG氣化系統(tǒng)需要額外的能量及提高發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)效率，提出了通過將高壓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)降低渦輪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，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料；為克服航空發(fā)動(dòng)機(jī)交替應(yīng)用兩種燃料時(shí)的燃油供應(yīng)、控制系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)的復(fù)雜性，提供了一種可應(yīng)用LNG和航空煤油雙燃料的中心分級(jí)低排放燃燒室，該技術(shù)方案能夠在保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作的同時(shí)，可以采用LNG和航空煤油雙燃料同時(shí)工作。
[0007]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
一種LNG/航空煤油航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供應(yīng)系統(tǒng)及燃燒室，如圖6所示，所述供應(yīng)系統(tǒng)包括LNG儲(chǔ)罐、低溫栗、氣化裝置、油箱、油栗；如圖3所示，所述燃燒室包括機(jī)匣、火焰筒和火焰筒頭部；所述LNG儲(chǔ)罐通過低溫栗與氣化裝置相連，氣化裝置通過管道與燃燒室相連；所述油箱與油栗相連，油栗通過管道與燃燒室相連；所述燃燒室為環(huán)形結(jié)構(gòu)，火焰筒上沿周向均勻布置多個(gè)火焰筒頭部；如圖4所示，所述火焰筒頭部包括預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)；所述預(yù)燃級(jí)位于火焰筒頭部的中心位置，主燃級(jí)位于火焰筒頭部預(yù)燃級(jí)的外圍；所述預(yù)燃級(jí)包括航空煤油油管、預(yù)燃級(jí)燃油噴嘴、空氣旋流器、文氏管，所述航空煤油油管與預(yù)燃級(jí)燃油噴嘴相連，空氣旋流器有兩級(jí)且均環(huán)繞在預(yù)燃級(jí)燃油噴嘴外側(cè)，文氏管一端位于兩級(jí)空氣旋流器之間，另一端伸入到火焰筒內(nèi)部；所述主燃級(jí)包括氣體燃料管、儲(chǔ)油槽、多點(diǎn)噴射孔、主燃級(jí)旋流器，所述氣體燃料管與儲(chǔ)油槽相連，儲(chǔ)油槽外環(huán)面上有多點(diǎn)噴射孔，主燃級(jí)旋流器沿周向布置于儲(chǔ)油槽外并與儲(chǔ)油槽外環(huán)面間留有一定間隙。
[0008]如圖2所示，所述低溫栗和氣化裝置之間設(shè)置有PID控制器和壓力傳感器；所述氣化裝置和燃燒室之間設(shè)置有電控節(jié)流閥、機(jī)械調(diào)節(jié)閥、止回閥和緩沖罐和流量控制器；所述電控節(jié)流閥一端與氣化裝置相連，另一端與機(jī)械調(diào)節(jié)閥相連；所述機(jī)械調(diào)壓閥一端與電控節(jié)流閥相連，另一端與止回閥相連；所述止回閥一端與機(jī)械調(diào)節(jié)閥相連，另一端與緩沖罐相連；所述緩沖罐一端與止回閥相連，另一端與流量控制器相連；所述控制器一端分別與緩沖罐和電控節(jié)流閥相連，另一端分別與油栗和燃燒室相連。
[0009]所述LNG儲(chǔ)罐和氣化裝置上都安裝有爆破片。
[0010]所述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)。
[0011]—種LNG/航空煤油航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供應(yīng)系統(tǒng)及燃燒室工作方式，航空煤油儲(chǔ)存在油箱內(nèi)，航空煤油經(jīng)油栗增壓后由輸油管進(jìn)入燃油總管，其中燃油流量通過流量控制器對(duì)燃油栗轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)；
低溫燃料LNG以液態(tài)形式儲(chǔ)存在LNG儲(chǔ)罐中，液態(tài)LNG由LNG儲(chǔ)罐下面出口處流出，LNG在低溫栗內(nèi)增壓后再由管道連接至氣化裝置實(shí)現(xiàn)LNG由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)；氣態(tài)燃料的流量由電控節(jié)流閥控制，經(jīng)電控節(jié)流閥的氣體燃料流入機(jī)械調(diào)壓閥，再經(jīng)緩沖罐緩沖后氣體燃料在流量控制器的控制下進(jìn)入氣體燃料總管，經(jīng)氣體燃料總管分配后的氣體燃料經(jīng)氣體燃料噴嘴進(jìn)入燃燒室進(jìn)行燃燒。
[0012]在所述燃燒室中燃料采用分級(jí)供油的方式，并根據(jù)燃燒室的工作狀態(tài)分別進(jìn)入主燃級(jí)和預(yù)燃級(jí)；燃燒過程在火焰筒的燃燒區(qū)內(nèi)完成；燃燒區(qū)包括預(yù)燃燒區(qū)和主燃燒區(qū)，預(yù)燃燒區(qū)即預(yù)燃級(jí)所在的位置，主燃燒區(qū)即主燃級(jí)所在的位置；預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)的燃料分別在預(yù)燃燒區(qū)和主燃燒區(qū)內(nèi)完成燃燒，并在燃燒區(qū)內(nèi)形成兩個(gè)同軸的環(huán)形旋轉(zhuǎn)射流；燃油總管與航空煤油油管相通，航空煤油通過航空煤油油管供應(yīng)給預(yù)燃級(jí)噴嘴，預(yù)燃級(jí)的工作是通過內(nèi)側(cè)的同旋向(或不同旋向)的雙級(jí)旋流器和直射式預(yù)燃級(jí)噴嘴的匹配來實(shí)現(xiàn)；氣體燃油總管與氣體燃料管相通，主燃級(jí)以氣化后的LNG為燃料，燃料經(jīng)主燃級(jí)氣體燃料管和儲(chǔ)油槽從多個(gè)周向均布的多點(diǎn)噴射孔噴射出，經(jīng)多點(diǎn)噴射孔直接噴射進(jìn)入由主燃級(jí)旋流器進(jìn)口進(jìn)來的空氣中，燃料和空氣經(jīng)均勻摻混后進(jìn)入火焰筒頭部，形成均勻的預(yù)混油氣混合物在主燃區(qū)中燃燒。
[0013]一種可應(yīng)用航空煤油和LNG為燃料，工作時(shí)可以使用一種燃料也可以兩種燃料同時(shí)使用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。如圖1所示，飛機(jī)上有2個(gè)燃料儲(chǔ)存裝置(油箱和LNG儲(chǔ)罐)可為發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料，油箱位于機(jī)翼內(nèi)儲(chǔ)存航空煤油，LNG儲(chǔ)罐位于機(jī)身上儲(chǔ)存低溫LNG燃料。燃油系統(tǒng)可分別為發(fā)動(dòng)機(jī)提供航空煤油和LNG燃料，通過燃油控制系統(tǒng)根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，可分別或同時(shí)向航空發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)航空煤油、LNG燃料。
[0014]航空煤油儲(chǔ)存在油箱內(nèi)，通過供油系統(tǒng)為發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料。LNG燃料儲(chǔ)存在低溫LNG儲(chǔ)罐中，通過LNG氣化裝置氣化和增壓裝置增壓后為航空發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料。低溫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)。
[0015]如圖6所示，航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用LNG燃料時(shí)，溫度為_165°C左右、壓力為常壓的低溫LNG儲(chǔ)存在LNG儲(chǔ)