燃料调节系统的制作方法

本发明涉及一种用于飞行器的调节系统。特别地，本发明属于一种具有新型架构的调节系统，该调节系统包括动力单元和热量回收回路。本发明还涉及一种包括所述调节系统的飞行器、以及一种藉由本发明的调节系统对燃料进行调节的方法。

背景技术：

1、辅助动力单元或apu在航空技术领域中众所周知的是用作能够向飞行器的除推进功能之外的功能供应能量的发动机。apu通常用在大型飞行器中，并且位于这些飞行器的尾锥部分处/或附近。

2、典型的apu通常包括：动力区段，该动力区段是apu的动力产生区段；负载压缩机区段，该负载压缩机区段向飞行器提供气动动力；以及传动区段，该传动区段负责将来自发动机的主轴的动力传递至发电机以提供电力。还已知apu允许飞行器在地面和在飞行中外部电源和气动动力源自主。

3、另外，飞行器中的辅助动力单元可以用于在所述飞行器在地面上时在主发动机不运行的情况下替代主发动机。apu在正常操作期间也维持用于启动主发动机的临时动力，其可以用于在主发动机未达到调度条件时替代主发动机产生的动力，或者连续实施用于供应紧急动力，直到飞行器着陆为止。

4、现有技术披露了在汽车领域中应用的实施燃氢的发动机。

5、另外，在用于飞行器的燃气涡轮领域中，众所周知的技术提供了排气热量回收。然而，目前使用的这些技术和科技适用于化石燃料发动机。

6、氢发动机的已知问题是基于将氢燃料调节直至环境温度以及正确的压力，以便在适当的条件下进给至apu的发动机，同时确保安全燃烧，避免对所述辅助动力单元的不同部件和导管造成损坏。由于氢的储存条件(在航空技术领域中为20k左右)，氢是这样一种燃料，其需要使消耗这种类型燃料的系统具有特定的大小和特定的操作条件。

7、另外，将氢用于飞行器中的发动机的另外的已知问题是由相变引起的，当被进给至发动机之前存储在飞行器中时，氢为液相。然而，为了使apu的发动机以最佳方式工作，必须使液氢经历从液态到气态的相变。这些相变还需要使系统的设计和大小被确定成使得氢在其条件(温度、压力、相等)在整个辅助动力系统中发生变化的同时保持稳定。

8、因此，本领域需要一种调节系统，该调节系统在实施于飞行器中时允许回收氢发动机产生的热量、更特别地来自排气的热量，并且使所述系统的大小适应飞行器的特定情况，并且需要一种调节系统，该调节系统能够在飞行器的任何飞行或地面操作中将氢保持在其最佳条件。

技术实现思路

1、本发明提供了根据权利要求1所述的调节系统、根据权利要求14所述的飞行器、以及根据权利要求15所述的用于对调节系统的燃料进行调节的方法。从属权利要求披露了本发明的特定实施例。

2、在第一发明方面，本发明提供了一种用于飞行器的调节系统，该调节系统包括动力单元，其中，动力单元包括：

3、-燃料入口，该燃料入口被配置成向燃料导管供应液体燃料，

4、-发动机，该发动机包括连接至燃料导管的入口以及连接至动力单元出口的出口，该动力单元出口被配置成将气体从发动机排出，

5、-蒸发装置，该蒸发装置包括燃料入口和燃料出口，其中，该蒸发装置被配置成向燃料导管的燃料供应热量并且使燃料导管的燃料在燃料出口处从液体形式或超临界流体形式(scf)转变为低温气体形式，

6、-加热装置，该加热装置包括燃料入口和燃料出口，该加热装置连接至蒸发装置，并且其中，加热装置被配置成向燃料导管的燃料供应热量，

7、其中，调节系统包括热量回收回路，该热量回收回路包括工作流体、以及与蒸发装置处于流体连通的热交换器，

8、热交换器连接至动力单元出口，热交换器包括入口和出口并且被配置成将热量从动力单元出口的排气传递至工作流体，

9、热量回收回路被配置成将来自热交换器的热量经由/通过该工作流体供应至蒸发装置，并且

10、蒸发装置被配置成将来自热量回收回路的工作流体的热量供应至燃料导管的燃料。

11、本发明的调节系统包括动力单元。在一些实施例中，动力单元是辅助动力单元(也称为apu)，或者是被配置用于向飞行器传输动力的任何推进系统。在动力单元为apu的特定实施例中，所述辅助动力单元被配置用于提供标准apu功能(其用来传输电力和气动动力以供地面操作和飞行操作)。另外，调节系统适合安装在飞行器中。

12、动力单元包括燃料导管，该燃料导管被配置成向燃料导管供应液体燃料。燃料导管藉由燃料入口向动力单元进给，并且进一步地其另一端连接至动力单元出口。

13、向燃料入口提供的燃料为液相，并且之前在特定温度和压力条件下存储。在优选实施例中，燃料在从20k至30k的温度范围内存储。在燃料入口处，所述燃料在包含在所述温度范围内的某一温度下被注入。

14、动力单元还包括蒸发装置，该蒸发装置包括燃料入口和燃料出口。蒸发装置被配置成向燃料导管的燃料供应热量，并且使燃料导管的燃料从液体形式转变为气体形式。蒸发装置的主要功能之一是将进入所述蒸发装置的燃料从入口温度调节至出口温度，其中出口温度显著高于入口温度，同时所述燃料将燃料从液体形式或超临界流体形式(scf)转化为低温气体形式。

15、在一些实施例中，蒸发装置能够对高的温度梯度(比如从在20k与30k之间的低温温度)提供一致的行为。在优选实施例中，蒸发装置的燃料入口处的燃料为超临界流体形式(scf)或转化为低温气体形式，并且在蒸发装置的燃料出口处，气体燃料被调节直至环境温度，优选地在225k与330k之间。

16、动力单元进一步包括加热装置，该加热装置连接至蒸发装置并且被配置成向燃料导管的燃料供应热量。加热装置还包括燃料入口和燃料出口。

17、当飞行器仍处于地面并且动力单元的发动机还未运行时，注入到发动机和动力单元中的燃料温度总体过低，无法使系统安全工作，并且无法将燃料以其操作条件(比如温度、压力和相)提供至发动机。在这些条件下，当燃料温度较低(即冷启动)时，发动机消耗的燃料更多，并且需要更多的热量来以操作条件提供燃料。因此，加热装置负责提供所需的能量和热量，使得燃料导管的燃料达到所有这些操作条件。

18、加热装置被视为是本发明的调节系统的支持，在调节系统处于全力操作模式时，该加热装置被关闭，并且调节系统仅藉由蒸发装置向燃料导管的燃料提供所需的能量/热量。加热装置提供给燃料导管的能量减少，同时蒸发装置提供给燃料导管的能量增加。即，加热装置与蒸发装置之间的平衡被视为是对调节系统的主动控制，更特别地是对动力单元的燃料的主动控制。

19、有利地，藉由加热装置加热燃料避免了发动机冷启动的情况，而冷启动被视为是动力单元的任何实施例(比如辅助动力单元或螺旋桨)的最差启动情况。特别地，发动机的冷启动是动力单元的最差启动情况，这是因为发动机启动所需的燃料更多，同时需要从加热装置得到更多的热量。

20、在一些实施例中，加热装置包括专用外部电池，这些专用外部电池确保向加热装置提供能量，使得藉由加热装置向燃料导管的燃料提供热量，而独立于动力单元产生的动力。此外，通过具有专用外部电池，飞行器被视为是自主的。

21、动力单元还包括发动机，该发动机包括连接至燃料导管的入口以及连接至动力单元出口的出口。动力单元出口被配置成将气体从发动机排出。

22、在一些实施例中，本发明的发动机是燃气涡轮。

23、在一些实施例中，动力单元出口包括消音器或消声器。

24、本发明的调节系统还包括热量回收回路。热量回收回路包括与动力单元的蒸发装置处于流体连通的热交换器，该热交换器回收来自动力单元的排气的热量。另外，热量回收回路包括工作流体，该工作流体被理解为在热量回收回路内部循环的流体。另外，热量回收回路被视为是独立的闭合回路，其中燃料和工作流体永远不会直接接触或混合。

25、热交换器的长度确保压力降被最小化。在一些实施例中，热交换器是枕板式热交换器或pphe。

26、另外，热交换器在动力单元的启动阶段具有零性能率或低性能率，但仍需要尽快达到其操作条件，以便优化热量回收回路性能，并且因此优化整个动力单元的性能。

27、热量回收回路被配置成藉由蒸发装置将来自动力单元的排气的工作流体热量供应至燃料导管的燃料。即，蒸发装置的燃料导管和热量回收回路共享共用表面，以便传递从热量回收回路回收的所述热量。

28、有利地，具有共用表面的蒸发装置和热量回收回路部分具有紧凑的形状，有益于本发明的调节系统的总的大小。在优选实施例中，热量回收回路的与蒸发装置中的燃料导管接触的所述部分具有多重s弯形状。

29、在调节系统的动力单元处于操作条件(即，在运行)、或者调节系统的动力单元不运行时，热量回收回路的工作流体不断循环和运动，以避免所述工作流体在与燃料导管(其中，在工作流体与动力单元的燃料导管的第一接触点的这个特定位置处，燃料导管的燃料的温度显著低于工作流体的温度，该第一接触点位于蒸发装置的燃料入口附近)接触时冻结。

30、热量回收回路的热交换器连接至动力单元出口，并且被配置成将来自动力单元出口的排气的热量传递至热量回收回路内部的工作流体。有利地，热交换器覆盖动力单元出口的整个垂直截面，以便从动力单元运作所产生的排气中获得最多的热量。

31、另外，虽然热量回收回路被配置用于藉由蒸发装置将热量从工作流体传递至流体导管的流体，但由于所述热量回收回路是闭合回路，因此热量回收回路与燃料导管在物理上脱离联接、并且因此与发动机在物理上脱离联接。因此，如果动力单元的燃料导管或热量回收回路损坏，不需要将两者彼此脱离联接来对动力单元的其中一个元件或热量回收回路的其中一个元件进行维护或维修。此外，热量回收回路可独立于发动机的旋转而操作并且还可在动力单元的发动机操作之前或之后根据要求操作。

32、有利地，热量回收回路是对动力单元、更特别地是对燃料导管的热量支持。

33、热交换器在动力单元一运行时便启动，以便尽早从动力单元出口的排气获得热量，或者在发动机运行之前启动，使得热量回收回路藉由工作流体和蒸发装置尽快向燃料导管的燃料提供热量，因此，旨在在蒸发装置能够无需来自加热装置的支持而独立地向燃料导管的燃料提供动力单元的发动机达到操作条件所需的热量时在尽可能短的时间内关闭加热装置。即，当燃料达到225k与330k之间的温度时。

34、在一些实施例中，燃料入口、和/或蒸发装置的入口和出口、和/或加热装置的入口和出口、和/或发动机的入口、和/或热交换器的入口和出口包括惰性装置。

35、惰性装置是能够产生惰性气体的系统，该惰性气体被注入到包封区域中，使得所述区域例如就位于这些包封区域中的元件的最终泄漏而言或者就所述包封区域中起火的情况而言具有增强的安全性。

36、有利地，本发明的调节系统在动力单元运作的任何时间向动力单元的发动机提供所需温度在225k与330k之间的燃料。因此，本发明的调节系统允许对燃料条件(比如压力和温度)进行恒定和精确的控制。

37、在特定实施例中，热量回收回路进一步包括：

38、-第一泵送装置，

39、-压力调节装置，该压力调节装置被配置用于调节工作流体的压力。

40、第一泵送装置允许致动热量回收回路内部的工作流体的循环流动，并且所述工作流体在热量回收回路内部不断流动。

41、在一些实施例中，第一泵送装置位于压力调节装置的下游。在一些其他实施例中，第一泵送装置位于压力调节装置的上游。

42、在一些实施例中，热量回收回路内部的工作流体的压力被设定为热量回收系统可以应付的最高值，以便使第一泵送装置的能量消耗最小化。第一泵送装置的运作和控制独立于发动机的运作。

43、在一些实施例中，工作流体的压力恒定在1.5mpa至6mpa的范围内、优选地在2.2mpa。

44、在一些实施例中，第一泵送装置机械地连接至动力单元的发动机。

45、有利地，第一泵送装置至少向工作流体提供最小压力差量，使得所述工作流体在热量回收回路内部循环。在一些实施例中，最小压力差量高于或等于0.2mpa，并且所述差量优选地尽可能低。

46、在特定实施例中，工作流体的压力高于流体导管的流体的压力。

47、在特定实施例中，热量回收回路(8)进一步包括第一旁通导管，该第一旁通导管被配置成连接热量回收回路的第一部分和热量回收回路的第二部分，其中，该第一部分位于热交换器的入口的上游，第二导管的第二部分位于热交换器的出口的下游。

48、有利地，第一旁通致动，作为对热交换器的入口和出口处的工作流体温度的主动控制系统。

49、在特定实施例中，热量回收回路进一步包括第二旁通导管，该第二旁通导管被配置成连接热量回收回路的第三部分和热量回收回路的第四部分，其中，该第三部分位于蒸发装置与热量回收回路的第一部分之间，并且其中，热量回收回路的第四部分位于热量回收回路的第二部分与蒸发装置之间。

50、在特定实施例中，第一旁通导管包括第一旁通阀，第二旁通导管包括第二旁通阀。

51、在特定实施例中，热交换器被配置用于围封动力单元出口的整个垂直截面。

52、将动力单元出口的区域与热交换器完全围封确保了相对于动力单元出口所产生的热量，获得传递至工作流体的最多的热量。

53、在特定实施例中，加热装置位于蒸发装置的下游且在发动机的上游。

54、有利地，通过将加热装置置于蒸发装置的下游，在加热装置的入口处提供的燃料被注入时的温度高于在蒸发装置的入口处的燃料温度。因此通过低温的燃料避免了因需要高加热性能而对加热装置造成的可能损坏以及对燃料导管的最终损坏。

55、在更特定的实施例中，加热装置与发动机之间的导管是柔性软管。

56、在特定实施例中，加热装置位于蒸发装置的上游，发动机位于蒸发装置的下游。

57、在更特定的实施例中，蒸发装置与发动机之间的导管是柔性软管。

58、有利地，借助于该特定布置，即使在调节系统为冷、即在启动过程期间，也能对燃料进行加热，从而防止热量回收回路、特别是工作流体冻结。

59、在特定实施例，调节系统进一步包括阀和第二泵送装置，其中，阀和第二泵送装置被配置成向动力单元供应燃料。

60、在液体形式的燃料进入动力单元之前，泵送装置使燃料的压力上升。阀使系统能够打开或关闭燃料从燃料入口到动力单元的通道。

61、优选地，第二泵送装置位于阀的上游，并且阀位于动力单元的燃料入口的上游。同样优选地，第二泵送装置和阀两者是机械的。

62、在特定实施例中，蒸发装置的燃料导管以及热量回收回路以对向流动(counterflow)安装。

63、蒸发装置的燃料导管以及热量回收回路以对向流动安装允许供应所提供的最大热量，但是热量回收回路的工作流体在燃料导管的燃料所在的蒸发装置的入口处更冷。由于热量回收回路内部的工作流体向燃料导管的燃料传递热量，工作流体的温度降低，使燃料的温度增加并且有利于燃料从液体形式到气体形式的相变。热量回收回路保持连接至燃料导管直至蒸发装置的出口，在此处，燃料导管的燃料的温度高于其在入口处的温度，并且发生相变；另外，工作流体在与蒸发装置的出口的接触点处的温度低于工作流体与蒸发装置的入口接触时的温度。

64、有利地，蒸发装置的燃料导管以及热量回收回路以对向流动安装，以便提供工作流体与燃料之间的经优化的热量传递。

65、在特定实施例中，蒸发装置包括第二热交换器和第三热交换器。

66、在整个文件中，热量回收回路的热交换器被视为第一热交换器。

67、在该特定实施例中，第二热交换器位于第一热交换器的下游，即工作流体处于其最高温度的点处。在另一端，第二热交换器还位于燃料入口的下游，即燃料在本发明的调节系统中处于其最低温度的点处。因此，第二热交换器提供工作流体与燃料之间的温度差量，该温度差量使燃料导管的该特定位置处的特定体积的燃料变化以便开始相变，即从液体形式或超临界流体形式(scf)变为低温气体形式。

68、在同一特定实施例中，第三热交换器位于第二热交换器的下游，并且提供热回收系统与燃料导管之间的另一接触点，使得工作流体与燃料导管的燃料之间的残余温度差量能够在燃料相变之后向燃料提供过热。

69、在特定实施例中，热量回收回路包括至少一个温度传感器和/或至少一个压力传感器。

70、沿热量回收回路控制压力确保了正确监测沿热量回收回路的工作流体的压力，从而优化燃料导管的燃料调节，确保本发明的调节系统提供的主动控制。

71、在特定实施例中，流体导管的流体是氢气(h2)，和/或该热量回收回路的工作流体是氮气(n2)、氦气(he)、或者是氮气(n2)和氦气(he)的混合物、和/或乙二醇水(egw)。

72、在一些实施例中，流体导管的流体是纯氢。

73、在一些其他实施例中，流体导管的流体是氢与比如甲烷、丙烷、丁烷等燃料的混合物。在流体导管的流体是混合物的特定情况下，氢占混合物的大部分。

74、在特定实施例中，蒸发装置和加热装置两者被包封，和/或其中，第二泵送装置和阀两者被包封。

75、有利地，包封调节系统的一些特定元件(比如蒸发装置和加热装置或者第二泵送装置和阀)，在燃料导管的燃料在这些关键元件所在之处泄漏的情况下保护调节系统的其余部分。

76、在第二发明方面，本发明提供了一种包括根据本发明的第一发明方面的调节系统的飞行器。

77、在第三发明方面，本发明提供了一种用于在飞行器位于地面或在飞行时对根据本发明的第一发明方面的调节系统的燃料进行调节的方法，该方法包括以下步骤：

78、a)致动加热装置，该加热装置被配置用于向燃料导管的燃料供应附加的热量，直到燃料温度参考值tfh为止，

79、b)运行动力单元，

80、c)将来自热量回收回路的热量供应至蒸发装置，

81、d)将来自蒸发装置的热量供应至燃料导管，直到燃料温度参考值tfl为止，

82、e)减少加热装置供应的附加热量，

83、f)继续将来自热量回收回路的热量供应至蒸发装置，直到燃料达到燃料温度参考值tfh为止，

84、g)当达到燃料温度参考值tfh时关停加热装置。

85、在优选实施例中，加热装置位于蒸发装置的下游。

86、在一些实施例中，温度参考值tfh低于或等于燃料温度参考值tfl。

87、在步骤a)，致动加热装置以向燃料导管的燃料供应附加的热量，使得燃料的温度达到温度参考值tfh，以避免调节系统的位于加热装置下游的发动机和燃料导管受到损坏。

88、在一些实施例中，温度参考值tfh介于225k与330k之间、优选地为288k左右。

89、在步骤c)和步骤d)，在动力单元运行且apu的发动机产生排气之后，热量回收回路经由工作流体和蒸发装置向燃料导管的燃料供应热量。在该方法的这个步骤，使燃料导管的燃料的温度上升直至达到燃料温度参考值tfl。

90、在一些实施例中，燃料温度参考值tfl为225k。

91、在本发明的第一发明方面的方法的步骤e)，加热装置和热量回收回路两者均向燃料导管的燃料提供热量。特别地，在加热装置的出口处，通过本发明的调节系统将燃料温度参考值tfl恒定且精确地保持在燃料温度参考值tfl、优选地288k。

92、此外，同样在步骤e)，热量回收回路和加热装置两者均向燃料导管的燃料供应热量，但是热量回收回路供应的热量增加，加热装置供应的热量相应地减少。特别地，当燃料导管的燃料在蒸发装置的出口处的温度等于或高于燃料温度参考值tfl但仍低于温度参考值tfh时，加热装置供应的附加热量减少。在特定实施例中，致动加热装置，并且当燃料导管的燃料在蒸发装置的出口处的温度在225k到330k的范围内、优选地为288k左右时，减少供应至燃料导管的附加热量。

93、在本方法的步骤g)，一旦热量回收回路能够通过自身将燃料导管的燃料的温度保持在温度参考值tfh，便关停加热装置。在特定实施例中，在蒸发装置的出口处的温度参考值tfh为288k。

94、有利地，本发明的方法提供了对调节系统的燃料所需的温度进行恒定且精确的保持，使得发动机以最佳方式运作。

95、在第三发明方面的特定实施例中，第二泵送装置被配置成将燃料以燃料压力参考值pf供应至动力单元，并且第一泵送装置和压力调节装置被配置成将工作流体保持在工作流体压力参考值pwf。

96、在一些实施例中，燃料压力参考值pf为1.25mpa。

97、在一些实施例中，工作流体压力参考值pwf恒定在1.5mpa至6mpa的范围内、优选地在2.2mpa。

98、2.2mpa。

99、有利地，本发明的方法还提供了对调节系统的燃料所需的压力进行恒定且精确的保持，使得发动机以最佳方式运作。

100、本说明书(包括权利要求、实施方式和附图)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形式进行组合，除了这些相互排斥的特征和/或步骤的组合。