调节供给飞行器涡轮机、飞行器的燃料的系统及使用方法与流程

本发明涉及包括由储存在低温储罐中的燃料供应的涡轮机的飞行器的领域。

背景技术：

1、众所周知，以液态形式储存燃料(特别是氢)以减少飞行器的储罐的总尺寸和重量。例如，燃料在大约20到22开尔文(即，-253℃到-251℃)的温度下储存在飞行器上的低温储罐中。

2、为了能够喷射到涡轮机的燃烧室中，必须对燃料进行调节(即加压和加热)，以确保最佳燃烧。例如，为了降低涡轮机中循环空气所含水蒸气结冰的风险(特别是在涡轮机的燃料喷射器处)，需要进行调节。参见[图1]，示出了现有技术的调节系统，所述调节系统包括燃料回路100，所述燃料回路100在入口处连接到低温储罐r1，在出口处则连接到涡轮机t的燃烧室cc。在燃料回路100中从上游到下游循环的燃料流q相继通过机械泵101和加热模块102，所述机械泵101对液相燃料进行抽取。

3、加热模块102的使用需要能量来运行，这降低了调节系统的效率。在现有技术中已经提出使用从涡轮机t提取热量的加热模块102。实际上，涡轮机t产生的热量不足以在不影响效率的情况下加热燃料流q。此外，产生的热量取决于涡轮机t的转速。

4、本发明旨在通过提出一种新的燃料调节系统来消除至少一些上述缺陷，所述燃料调节系统允许以更高的效率和可操作性进行加热。

5、现有技术中已知专利申请us2021/207540a1、us2011/048026a1和us2015/337730a1教导了与燃料电池相关联的涡轮机。

技术实现思路

1、本发明涉及一种燃料的调节系统，所述调节系统配置为向涡轮机械(称为涡轮机)供应低温储罐的燃料，所述涡轮机配置为确保飞行器的推进，所述调节系统包括：

2、-燃料回路，其在入口处连接到低温储罐，在出口处则连接到涡轮机，

3、-泵，其配置为在燃料回路的上游到下游中循环燃料流，

4、-燃料电池，其配置为向飞行器的电网供电，

5、-至少一个第一热交换器，其属于燃料回路，并且配置为将燃料电池的热量传递到燃料流，以便对燃料流进行加热，以及

6、-至少一个第二热交换器，其安装在燃料回路中的第一热交换器的下游，配置为将涡轮机的热量传递到燃料流，以便对燃料流进行加热。

7、本发明利用燃料电池来调节存储在低温储罐中的燃料。燃料电池使用燃料产生电能，供涡轮机和/或飞行器使用。在实践中，燃料电池的效率约为50％，同时也产生大量的热量，而这些热量传统上是通过外部气流散失的。得益于本发明，产生的热量可调节用于飞行器涡轮机的低温燃料，从而实现燃料的最佳利用。此外，燃料电池在恒定速度下效率高，可以产生用于再加热的热量，而不受飞行器涡轮机的转速的影响。

8、此外，在现有技术中，燃料电池的传热流体通过大型散热器由飞行器外部的气流进行冷却，这给飞行器造成了显著的阻力。得益于本发明，可以取消散热器或缩小其尺寸。与外部气流的相互作用减少了，阻力也降到了最低。

9、通过使用两个串联的热交换器，燃料在燃料回路中分阶段加热。两个热交换器的存在引入的自由度意味着，即使燃料电池以恒定速度运行，也可以在所有运行条件下控制到达涡轮机的燃料的温度。这种串联加热还能提供更好的安全性，以防止水蒸气在氢气附近凝结的风险。

10、优选地，调节系统包括传热流体回路，用于对燃料电池进行冷却的传热流体在所述传热流体回路中循环，第一热交换器属于传热流体回路。以这种方式，传热流体回路可将燃料电池的热量直接传递给燃料，从而提高紧凑性并减轻质量。

11、优选地，调节系统包括旁通管道，所述旁通管道可以向第二热交换器供应燃料而不向第一热交换器供应燃料。有利地，当燃料需求在飞行阶段增加时，可以调节燃料的加热。有利地，燃料电池的速度保持不变，旁通管道可确保在燃料流增加的情况下仍能以最佳方式对燃料进行加热。当燃料电池从燃料回路获取燃料时，这是特别有利的。

12、优选地，旁通管道包括旁通阀，所述旁通阀允许调节直接提供给第一热交换器和直接提供给第二热交换器的燃料量。旁通阀优选地根据离开第一热交换器的燃料流量和/或燃料的温度进行控制。

13、优选地，燃料电池由燃料回路供给，特别是由先前由第一热交换器进行加热的燃料流的一部分供给。使用燃料电池还具有直接使用低温储罐中的燃料的优点，使燃料电池能够自主运行，并简化调节系统。

14、根据本发明的一个方面，传热流体回路包括减载支路(下文称为“主减载支路”)，所述减载支路包括热交换器(下文称为“主减载交换器”)，所述热交换器用于减少提供给第一热交换器的热输入。当燃料电池以恒定且高效的速度产生过多热量时，可以避免燃料过度加热。

15、优选地，主减载支路还包括主减载阀，所述主减载阀用于调节提供给第一热交换器和提供给主减载交换器的传热流体的量。

16、优选地，调节系统包括加热回路，涡轮机的传热流体(例如压缩阶段下游收集的气流、涡轮下游收集的已燃烧气体流或润滑流体)在所述加热回路中进行循环。以这种方式，尽可能靠近涡轮机来进行次级加热。

17、优选地，加热回路包括减载支路，在下文中称为“次级减载支路”，其包括热交换器，在下文中称为“次级减载交换器”，其允许调节对第二热交换器的热输入。

18、根据本发明的一个方面，调节系统包括空气供应导管，所述空气供应导管将涡轮机连接到燃料电池，以便向燃料电池供应来自涡轮机的加压气流。这样就无需为燃料电池配备专用压缩机，从而减少了质量和整体尺寸。

19、优选地，空气供应导管包括辅助支路，所述辅助支路包括辅助热交换器，以便调节提供给燃料电池的气流的温度。这样可以提高燃料电池的效率。

20、优选地，燃料回路包括辅助支路，所述辅助支路允许热量通过辅助交换器与空气供应导管的辅助支路进行交换。温度控制尽可能靠近涡轮机，与调节系统中的其他设备协同工作。

21、在一个优选方面，涡轮机与推进构件机械连接。

22、优选地，调节系统包括推进构件和用于驱动所述推进构件的驱动系统，所述驱动系统配置为由涡轮机和燃料电池供电。

23、优选地，燃料是二氢。这对于氢动力燃料电池特别有利。

24、本发明还涉及如上所述的涡轮机和调节系统的组件。本发明还涉及一种包括如上所述的涡轮机和调节系统的飞行器。

25、本发明还涉及一种用于向涡轮机供应燃料的方法，所述涡轮机(称为涡轮机械)配置为使用低温储罐的燃料来确保飞行器的推进，所述飞行器包括如前所述的调节系统，所述方法包括以下步骤：

26、-通过泵使燃料回路中的燃料流从上游到下游进行循环以供应涡轮机，

27、-通过燃料电池向飞行器的电网供电，

28、-将燃料电池的热量传递到燃料流q，以便通过第一交换器对所述燃料流q进行加热，然后

29、-将涡轮机t的热量传递到燃料流q，以便通过第二热交换器对燃料流q进行加热。

技术特征：

1.一种燃料的调节系统(sc)，所述调节系统(sc)配置为向称为涡轮机(t)的涡轮机械供应低温储罐(r1)的燃料(q)，所述涡轮机械配置为确保飞行器的推进，所述调节系统(sc)包括：

2.根据权利要求1所述的燃料的调节系统(sc)，其中调节系统(sc)包括传热流体回路(h1)，用于对燃料电池(p)进行冷却的传热流体在所述传热流体回路(h1)中循环，第一热交换器(31)属于传热流体回路(h1)。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的燃料的调节系统(sc)，其中调节系统(sc)包括旁通管道(w1)，所述旁通管道(w1)向第二热交换器(32)供应燃料(q)而不向第一热交换器(31)供应燃料(q)。

4.根据权利要求3所述的燃料的调节系统(sc)，其中旁通管道(w1)包括旁通阀(v1)，所述旁通阀(v1)允许调节直接提供给第一热交换器(31)和直接提供给第二热交换器(32)的燃料(q)的量。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料的调节系统(sc)，其中燃料电池(p)由所述燃料回路(cq)供应，特别是由先前由所述第一交换器(31)加热的燃料流(q)的一部分供应。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的燃料的调节系统(sc)，其中传热流体回路(h1)包括减载支路(h1d)，下文中称为“主减载支路h1d”，所述减载支路(h1d)包括热交换器(41)，下文中称为“主减载交换器41”，所述热交换器(41)用于调节提供给第一热交换器(31)的热输入。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料的调节系统(sc)，其中调节系统(sc)包括空气供应导管(a1)，所述空气供应导管(a1)将涡轮机(t)连接到燃料电池(p)，以便向燃料电池(p)供应来自涡轮机(t)的加压气流。

8.根据权利要求7所述的燃料的调节系统(sc)，其中空气供应导管(a1)包括辅助支路(a1a)，所述辅助支路(a1a)包括辅助热交换器(43)，以便调节提供给燃料电池(p)的气流的温度。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的燃料的调节系统(sc)，其中调节系统(sc)包括推进构件(op)和用于驱动所述推进构件(op)的驱动系统(9)，所述驱动系统(9)配置为由涡轮机(t)和燃料电池(p)供电。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的燃料的调节系统(sc)，其中燃料是二氢。

11.一种用于向涡轮机(t)供应燃料的方法，所述涡轮机(t)称为涡轮机械(t)，所述涡轮机(t)配置为使用低温储罐(r1)的燃料(q)来确保飞行器的推进，所述飞行器包括根据权利要求1至10中任一项所述的调节系统(sc)，所述方法包括以下步骤：

技术总结本发明涉及一种燃料的调节系统(SC)，所述调节系统(SC)配置为从低温储罐(RI)向涡轮机(T)供应燃料(Q)，所述调节系统(SC)包括：燃料回路(CQ)，其在入口处连接到低温储罐(RI)，在出口处则连接到涡轮机(T)；泵(1)；燃料电池(P)，其配置为向飞行器的电网供电；至少一个第一热交换器(31)，其属于燃料回路(CQ)并且配置为将燃料电池(P)的热量传递到燃料流(Q)，以便对所述燃料流(Q)进行加热；以及至少一个第二热交换器(32)，其安装在燃料回路(CQ)中第一热交换器(31)的下游，并且配置为将涡轮机(T)的热量传递到燃料流(Q)，以便对所述燃料流(Q)进行加热。技术研发人员：P-A·M·C·蓝伯特,H·P·M·茹昂受保护的技术使用者：赛峰集团技术研发日：技术公布日：2024/6/5