[發(fā)明專利]中間冷卻器和后冷卻器的低溫燃料冷卻

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200980146481.4
• 申請(qǐng)日: 2009-09-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102224027A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-10-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: A·N·布魯克斯;J·G·戴利;B·D·黑彼斯
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 威羅門(mén)飛行公司
• 主分類號(hào): B60H1/00
• 分類號(hào): B60H1/00
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民

相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考

本申請(qǐng)要求2008年9月23日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No.61/194103的權(quán)益，通過(guò)引用在此并入該申請(qǐng)以供所有目的。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明一般涉及一種飛行器動(dòng)力裝置熱管理系統(tǒng)(aircraft?powerplant?thermal?management?system)，并且更具體地涉及一種飛行器動(dòng)力裝置，其被配置為使用汽化低溫液體燃料、使用低于環(huán)境溫度的冷卻劑冷卻各種組件。

背景技術(shù)

飛行器動(dòng)力裝置通常需要為與氫氣燃料反應(yīng)的氧氣而消耗周圍的空氣。在高海拔，空氣的壓力和密度非常低，并且通常為了在動(dòng)力裝置中可使用空氣，必須壓縮空氣。這個(gè)壓縮所要求的動(dòng)力是該動(dòng)力裝置的總動(dòng)力輸出(gross?output?power)的顯著部分，因此使壓縮所需的動(dòng)力最少以便最小化對(duì)整個(gè)系統(tǒng)效率的影響是非常重要的。

使用一個(gè)或更多個(gè)渦輪增壓器可最有效地完成對(duì)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣增壓。渦輪增壓器是發(fā)動(dòng)機(jī)排氣驅(qū)動(dòng)的渦輪和該渦輪驅(qū)動(dòng)的入口空氣壓縮機(jī)的組合。

在基于氫氣內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力裝置的情形中，空氣對(duì)氫氣(air-to-hydrogen)的質(zhì)量流量比通常約為70∶1。發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與每發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)燃燒的氫氣量近似成比例。發(fā)動(dòng)機(jī)吸收的空氣量與供應(yīng)給進(jìn)氣歧管的空氣密度成比例。因此，達(dá)到所需的扭矩水平要求達(dá)到一定的進(jìn)入空氣密度。

空氣密度與除以溫度的壓力成比例。可通過(guò)壓力和溫度的任何適當(dāng)組合獲得必要密度。更高的溫度意味著需要更高的壓力來(lái)達(dá)到所需的密度，因此，眾所周知，在第一次壓縮之后使用中間冷卻器(intercooler)(例如，在兩個(gè)壓縮機(jī)中第一個(gè)之后的熱交換器)冷卻空氣，并且在第二次壓縮之后使用后冷卻器(aftercooler)(例如，在第二壓縮機(jī)之后的熱交換器)再次冷卻空氣。

這些冷卻器的冷卻越有效，則壓縮空氣時(shí)就消耗越少的能量。然而，大量的空氣冷卻設(shè)備可引起壓力下降，抵消了壓縮機(jī)的益處。因此，期望最大化冷卻器的冷卻能力，同時(shí)最小化其壓力下降。通常，用于冷卻中間冷卻器或后冷卻器的冷卻劑的溫度被限制在周圍空氣的環(huán)境溫度。

因此，存在對(duì)能夠?yàn)閴嚎s的空氣和其他需要高效冷卻的設(shè)備提供高效冷卻的飛行器動(dòng)力裝置的需要。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例滿足這些和其他需要，并且提供另外的相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

在各種實(shí)施例中，本發(fā)明解決了上面提到的一些或所有需要，提供一種具有高效冷卻系統(tǒng)的動(dòng)力裝置。

本發(fā)明的動(dòng)力裝置經(jīng)配置用于在飛行條件的范圍中使用，并且通常包括動(dòng)力轉(zhuǎn)換器、由動(dòng)力轉(zhuǎn)換器使用從而產(chǎn)生可用能量的低溫燃料源(cryogenic?source?of?fuel)、燃料熱交換器、由動(dòng)力轉(zhuǎn)換器使用的低壓氧化劑源、用于氧化劑的第一壓縮機(jī)和第一壓縮機(jī)熱交換器。該燃料源被配置為在低于環(huán)境溫度的溫度下在飛行條件的整個(gè)范圍提供燃料。該燃料熱交換器被配置為加熱來(lái)自燃料源的燃料，并且由此冷卻冷卻劑到低于環(huán)境溫度的溫度。

通過(guò)使用更低溫的冷卻劑是高效地獲得更好的中間冷卻器和后冷卻器冷卻的一個(gè)方式。有利地是，第一壓縮機(jī)熱交換器被配置為在來(lái)自燃料熱交換器的亞環(huán)境溫度(sub-ambient?temperature)下使用冷卻劑，從而沿著氧化劑流動(dòng)路徑冷卻在第一壓縮機(jī)和動(dòng)力轉(zhuǎn)換器中間的氧化劑。這減少了高海拔發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣壓縮系統(tǒng)消耗的動(dòng)力，高海拔發(fā)動(dòng)機(jī)例如是燃燒從液體氫氣罐汽化的氫氣氣體的發(fā)動(dòng)機(jī)。而且，如果也使用后續(xù)的高壓壓縮機(jī)，那么更低溫的空氣會(huì)減少其校正的質(zhì)量流，減少其動(dòng)力需要和/或其尺寸和重量。因此，中間冷卻器的冷卻需要和氫氣燃料的升溫需要之間存在獨(dú)特的配合。

該動(dòng)力裝置通常進(jìn)一步包括沿著氧化劑的流動(dòng)路徑在第一壓縮機(jī)熱交換器和動(dòng)力轉(zhuǎn)換器中間的第二壓縮機(jī)。第二壓縮機(jī)被配置為在動(dòng)力轉(zhuǎn)換器使用氧化劑之前，進(jìn)一步壓縮來(lái)自第一壓縮機(jī)熱交換器的氧化劑。第二壓縮機(jī)熱交換器也被配置為在亞環(huán)境溫度使用來(lái)自燃料熱交換器的冷卻劑。第二壓縮機(jī)熱交換器沿著氧化劑的流動(dòng)路徑冷卻第二壓縮機(jī)和動(dòng)力轉(zhuǎn)換器中間的氧化劑。這降低了達(dá)到供給發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣的期望密度所需的壓力，并由此減少所需的壓縮功。因此，在后冷卻器的冷卻需要和氫氣燃料的升溫需要之間存在獨(dú)特的配合。

為了幫助降低冷卻劑的溫度，燃料熱交換器上游的沖壓空氣(ram-air)熱交換器被配置為將冷卻劑冷卻到剛剛高于環(huán)境溫度的溫度。