旋风分离器的制作方法

专利名称：旋风分离器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括旋风分离器的燃料系统。同样，本发明还涉及从燃料罐移除水或冰的方法以及在燃料系统中安装旋风分离器的方法。
背景技术：
水是燃料中不可避免的污染物。水可影响燃料系统中的部件并且导致操作延迟并增加维修活动。此外，微生物污染的趋势与燃料罐中存在的水和温度成正比。虽然水有可能影响陆上或基于水的交通工具的燃料系统，但是水在飞行器燃料系统中尤其成问题。水可通过在补给燃料期间装载到飞行器燃料罐中的燃料进入到飞行器燃料罐中(溶解水)以及通过借由其通风系统进入飞行器燃料罐的空气进入到飞行器燃料罐中。在飞行器的上升和降落期间，至环境空气的通风系统通常需要标准化燃料罐内的压力。由于水在燃料中的溶解性随着温度降低而降低，因此在飞行器巡航期间当燃料温度降低时出现水从燃料分离(dissolution)。水形成微米量级的小微滴。微滴保持悬浮在燃料中并且在燃料中产生近均质水雾或雾气状现象。水微滴的密度(大约1000kg/m3)类似于航空燃料的密度(大约800kg/m3)。水微滴尺寸以及水微滴与周围燃料的相对密度是确定微滴的沉降速度的重要参数(斯托克斯定律)。沉降速度与微滴半径的平方成比例。 在微米量级的微滴尺寸下，微滴花费很长时间沉降到罐底部。密度差小(虽然明显)，但是在该情形中确定微滴的缓慢沉降速度的主要因素是微滴尺寸。具有悬浮水微滴的燃料被供应到发动机中，在发动机中水微滴与燃料一起烧掉。然而，悬浮水的低浓度意味着水从燃料系统的移除速率低。当燃料罐内的温度在飞行器飞行的巡航阶段降低时，悬浮水微滴可变成冰，从而形成“雪花”。雪花花费甚至更长时间来沉降到燃料罐的底部，因为相比于水微滴而言，冰的密度(大约900kg/m3)更接近燃料的密度。此外，当在燃料罐中建立足够的自然对流流时，燃料中的水雾或雾气状现象倾向于被清除掉。来自于较冷罐结构和表面的自然对流流所携带的较干燥(非饱和)燃料再溶解悬浮的水微滴。自然对流的流动携带饱和燃料，使其接触冷的罐表面，在该处，从燃料分离水导致在冷表面上冷凝。冷凝水趋于沿着燃料罐的壁向下移动并且以水池形式被收集在罐的底部。可在飞行器位于地面上时将来自于这些水池中的水排干，但这是耗时且昂贵的， 从而导致损失操作效率。US4081373描述了一种系统，其中在燃料系统中连接有旋风分离器和水聚结器。来自于燃料罐的燃料被输送到旋风分离器中，所述旋风分离器将燃料拉成密集旋风螺旋，离心力从燃料_杂质浓缩物分离出相对纯净的燃料。组合的旋风分离器和水聚结器使“净化” 燃料返回至燃料罐，并且燃料-杂质混合物被供应到辅助分离器中。辅助分离器使“净化” 燃料进一步返回至燃料罐，并且水_固体(杂质)沉淀物被分离出并且定期地排掉。杂质沉淀物被排出到大气中或到收集容器中。当使用收集容器时，仍需要在飞行器位于地面上时排出该杂质沉淀物。在排出到大气的情形中，将需要合适的排出系统，其向燃料系统添加了重量和维护成本等并且可导致在出口处的结冰问题。

发明内容
本发明的第一方面提供一种燃料系统，其包括液体燃料罐、发动机以及旋风分离器，所述旋风分离器具有流体连接到燃料罐的入口、流体连接到发动机燃料输送系统的第一出口、以及第二出口，其中，旋风分离器适于将密度相对较大的材料从第一出口排出，将密度相对较小的材料从第二出口排出。本发明的第二方面提供一种从燃料罐移除水或冰的方法，所述方法包括提供燃料罐中的液体燃料；使用旋风分离器将罐中的液体燃料分离为富含水的燃料和净化燃料； 以及将富含水的燃料排出到发动机。本发明的第三方面提供一种在燃料系统中安装旋风分离器的方法，所述燃料系统包括液体燃料罐和发动机，旋风分离器具有入口、第一出口以及第二出口，旋风分离器适于将密度相对较大的材料从第一出口排出，将密度相对较小的材料从第二出口排出，所述方法包括将入口流体连接到燃料罐，将第一出口流体连接到发动机燃料供应系统。用于将固体从液体分离、或分离(或至少浓缩)不同密度的液体的旋风分离器还公知为水力旋风器或水力旋流器。在操作中，自然地出现在燃料中的水或冰(其比燃料密度更大)将通过旋风分离器来分离或至少浓缩，以形成富含水的燃料混合物，其可被供应到发动机以被烧掉。从旋风分离器的第二出口离开的较低密度的净化燃料优选地被供应回到燃料罐中。富含水的混合物中的水浓度相比于罐中燃料的水浓度优选地要高数个数量级，因此通过本发明的燃料系统能从燃料罐更快速地移除水。通过从罐移除水而不是仅仅将冷凝水分配回到罐中，使罐中水的浓度较低并且防止与罐内水冷凝相关的问题，甚至在低温下也是如此。关于飞行器燃料系统，在飞行的巡航阶段罐内面临最低温，因此旋风分离器优选地在巡航期间运行，以便在否则最可能出现冷凝时移除水。优选的是在水悬浮在燃料中时移除水。一旦发生冷凝，水微滴聚结成较大微滴、水池或薄膜，水就不容易再溶解在燃料中， 甚至当燃料温度升高从而增加水在燃料中的溶解性时也是如此。如果允许水冷凝并且在罐内聚集，那么可能需要其他装置(例如，除水线路)，从而导致增加的重量和成本。由于富含水的燃料中的水浓度最初比罐中的大得多，因此水移除速率最初高，并且随罐中燃料的含水量降低而降低。在达到最低罐温度之前，在旋风分离器运行开始时迅速移除水，从而最小化罐中的水积聚。虽然旋风分离器优选地在巡航期间运行，但是旋风分离器可在飞行的任何阶段(滑行、起飞、巡航或着陆)期间运行。例如，在飞行的早期阶段(滑行和起飞)期间，水可通过射流泵从燃料罐储槽引入到引入线路并且与推动流一起排出到旋风分离器。旋风分离器的入口优选地被连接到燃料供应线路，所述燃料供应线路适于从燃料罐的倾向于收集水或冰(优选仍处于悬浮)的区域中夹带燃料和水或冰的混合物。当燃料在燃料供应线路中流动时，该混合物被夹带到流中。供应线路可包括多孔表面，混合物流穿过该多孔表面以被夹带在燃料流中。多孔表面可以是在燃料供应线路壁中的网格、网眼或一系列穿孔。燃料供应线路优选地连接到燃料泵或者形成为用于传输燃料的加压系统的一部
分。泵可以是射流泵等。
发动机燃料供应系统优选地适于夹带来自于燃料罐的燃料。为了降低供应至发动机的水浓度，富含水的燃料混合物在被供应到发动机之前与来自于罐的燃料混合。可控制供应至发动机的水的浓度，使其不超过发动机制造商推荐的极限值。在低温下，悬浮水可变回为冰，所述冰可在旋风分离器中潜在地积聚因而损害旋风分离器的性能。为了应对这种情况，该旋风分离器可包括热交换器。热交换器可包括通过例如电子或液压系统驱动的热源，以防止冰积聚在旋风分离器的内表面上。在意图使用所述燃料系统的交通工具(例如，飞行器)内存在多种可用于此目的的热源。另选地，旋风分离器可包括作为热源的集成加热元件。旋风分离器的内表面可包括疏水涂层或“防冰”涂层，以防止或减少水或冰粘到旋风分离器。涂层可以是涂料或其他涂层材料。可根据本发明第三方面的方法将旋风分离器改装到现有燃料系统。


现将参考附图来描述本发明的实施方式，在附图中图1示意性地示出了旋风分离器；图2a示意性地示出了旋风分离器的俯视图；图2b示意性地示出了在操作期间旋风分离器内的流的3D视图；图3示意性地示出了结合有图1中的旋风分离器的燃料系统；图4示意性地示出了在图3中的燃料系统中在旋风分离器的入口的上游处的流配置的细节；图5示意性地示出了在旋风分离器入口的上游处的另选流配置，以替换在图3中的燃料系统中的如图4所示的流配置；图6示意性地示出了在图3中的燃料系统中的旋风分离器的第一出口下游处的流配置的细节；图7示意性地示出了在旋风分离器的第一出口下游处的另选流配置，以替换在图 3中的燃料系统中的如图6所示的流配置；图8示出了图3中的燃料系统的总体配置的框图；图9示出了图3中的燃料系统的总体配置的框图并且具有相对于图8中所示而言另选的控制体系；图10示出了包括旋风分离器的燃料系统的另选总体配置的框图；图11示出了包括旋风分离器的燃料系统的又一另选总体配置的框图，所述旋风分离器具有相对于图10中所示而言不同的控制体系；图12示出了燃料系统的总体配置的框图，所述燃料系统包括两个旋风分离器、两个燃料罐以及一个发动机供应系统，布置成以增加一个罐中的水浓度为代价降低另一个罐中的水浓度；图13示意性地示出了另选旋风分离器。
具体实施例方式图1示意性地描述了旋风分离器1，其具有入口 2、第一出口 3以及第二出口 4。旋风分离器1具有圆柱形上部和圆锥形下部。圆锥形下部具有圆锥形壳体5，其具有向下变窄的截头圆锥形状，所述截头圆锥形围绕中心设置的纵向轴线对称地延伸。旋风分离器1的上端部6具有较大直径并且设置在旋风分离器1的具有较小直径的下端部7上方。入口 2 设置成邻近于上端部6，第一出口 3设置成邻近于下端部7。管件8延伸到旋风分离器1的上部中并且流体连接到第二出口 4。图2a示意性地描述了旋风分离器1的俯视图，以示出入口 2至旋风分离器1的上端部6的配置。图2b描述了在操作期间，旋风分离器1内的三维流动。通过入口 2的液体被切向引入到圆柱形上部的内部并且以螺旋路径9(见图1和 2b)向下流动通过圆锥形下部，所述圆锥形下部在其朝向圆锥形壳体5的下部10向下延伸时成锥形或变窄。由于切向入口以及壳体的圆柱形/圆锥形形状，该流动被强制形成为螺旋路径9。旋转(螺旋)流产生高离心G-力，使得悬浮在液体中的密度较大的材料将移动到圆锥形壳体5的横截面区域内的最外周，从而在螺旋流动的芯部留有密度较小的材料。 由于横截面面积朝向壳体的底部减少，因此过量的流被强制以紧密的内(芯部)螺旋(见图2b)向上移动。设置管件8的入口 11，使得密度相对较小的材料从第二出口 4排出。主螺旋流9通过旋风分离器1的主流动方向以及圆锥形壳体5的几何尺寸导致密度相对较大的分子和颗粒被收集在圆锥形壳体5的下部区域10中。由此，密度相对较大的材料从第一出口 3被排出。虽然图1示出了竖直取向的旋风分离器1，但本领域技术人员将理解的是，当空间需求不允许竖直取向时旋风分离器1可非竖直地取向。围绕旋风分离器1的圆柱形上部和圆锥形下部被设置热交换器12，以融化冷冻材料，否则该冷冻材料往往会粘到旋风分离器1的内表面上。热能从热源被供应给热交换器 12，所述热源可以是专用热源或者可以是电子、液压或其他热量产生系统所产生的废热的贮槽。旋风分离器1的内表面13被喷涂有疏水或“防冰”涂料或材料，以防止或减少水或冰粘到内表面13，从而使得该水或冰更快地朝向第一出口 3运动。在操作中，旋风分离器被用于燃料系统中，以从燃料内分离或者至少浓缩大量的悬浮水、冰块和颗粒材料。大体积燃料流被强制进入到旋风分离器1的入口2中。入口 2 中的流动垂直于圆锥形壳体5的中心轴线。在流动沿着螺旋路径9行进时，离心力将使得密度较大的冰、水和颗粒材料移动到圆锥形壳体5的内部的外周部并贴着圆锥形壳体5的内表面13。密度较小的净化燃料将传送到圆锥形壳体5的内部的中心区域内并进入管件8 的入口 11中。管件8将净化燃料传送到第二出口 4。通过旋风分离器1的流动的主驱动力来自于进入入口 2的大体积流率流。第一出口 3可向相对低的静态压力区域排放，所述相对低的静态压力区域提供将流抽吸通过旋风分离器的一些作用。然而，该作用仅是次要的。第二出口 4的出流由旋风分离器1中的流驱动。第一出口 3和第二出口 4的直径的尺寸设置成使得旋风分离器1具有期望的操作特性。第二出口 4的直径可大于、小于或等于第一出口 3的直径。第二出口 4的出流可连接到抽吸装置或系统，以优化出流特征。旋风分离器1具有两种防护，以防止冰粘到旋风分离器1的内表面13上。主防护是在内表面13上的疏水和/或防冰涂层。该涂层被施加到旋风分离器1的所有内表面。次防护是通过热交换器12对内表面13加热。所施加的热量被优化，使得在旋风分离器1的内表面13上的任何冰粒会在接触点溶化，从而使得冰粒被螺旋流9剪掉。应当注意的是， 不旨在使螺旋流9中的悬浮冰粒融化。通过内表面13上的疏水涂层，防止或阻碍螺旋流9 中的水粘到旋风分离器1的内表面13。水、燃料和任何颗粒物质以及残余冰的混合物穿过旋风分离器1的第一出口 3。图3示出了安装在燃料系统中的旋风分离器1。燃料系统包括旋风分离器1、具有底板21的燃料罐20以及消耗燃料的发动机(在图3中未示出)。至旋风分离器的入口 2 的流52通过除水射流泵系统30传送。旋风分离器1的第二出口 4将净化燃料流71返回至燃料罐20的优化区域(通常是上部区域)。从旋风分离器1的第一出口 3排出的富含水的燃料流61通过发动机供应系统80被供应到发动机。现将在下文更详细地描述除水射流泵系统30。除水射流泵系统30包括具有泵31 的推动流线路34、引入流线路32、射流泵35以及混合流线路36。泵31从罐20抽吸流40 并且在推动流线路34中在压力下将流41传送到射流泵35。引入流线路32将流42从燃料 20的储槽22传输到射流泵35。射流泵35将来自于推动流线路34和引入流线路32的流混合并且在混合流线路36中排放混合流50。燃料罐储槽22是罐20的一体部分。其位于罐20的最底部。在一段时间内，罐中的任何自由水将作为水流24向下移动并且被收集在储槽22中。引入流线路32具有邻近于储槽22设置的喇叭口入口 33。在开始操作除水射流泵系统30时，在储槽22中可收集有有限量的水。推动流41 引发引入流线路32中的流42。储槽22中的任何自由水可通过被夹带在流43中而被拾取， 所述流43从罐20进入到喇叭口入口 33。喷射泵35将水雾化成流50中的小微滴。混合流 50通过将参考下文的图4来进一步详细描述的流配置被传送到旋风分离器入口 2中。在储槽22中的全部自由水被消耗后，引入流线路32将引入来自于罐20的燃料，因为储槽是罐的一体部分。参考图4，示出了正好在图3中的燃料系统中的旋风分离器1的入口 2的上游的流配置的示意性细节。混合流线路36携带大体积混合流50。旋风分离器入口 2具有这样的流线路14，其具有与混合流线路36的出口 37分离的喇叭口形入口 15。混合流线路36中的流50当在混合流线路36的出口 37和流线路14的入口 15之间经过时从燃料罐20中夹带燃料及悬浮在其中的任何水形成的流51。流线路36和14优选地设置成邻近于罐20的底部，主要是因为发动机供应系统80 被安装在罐的底部。此外，由于旋风分离器1被设计成将净化燃料流4返回至罐的上部区域中，在操作时段中，旋风分离器1将产生悬浮水浓缩分层，使得更高的浓度位于罐的底部附近。因此，通过将流线路36和14设置成邻近于罐的底部，具有悬浮的更高浓度水的燃料被夹带到流线路14中的流52中，使得该系统通过该分层受益并且以优化状况来操作。然而，本领域技术人员将理解的是，流线路36、14不必要被设置在罐的底部。燃料和水、以及任何冰或其他颗粒材料形成的流52在射流泵35的压力下从流线路36被供应到旋风分离器1的入口 2中。现参考图5，示意性地示出了正好在旋风分离器1的入口 2的上游的第二另选流配置，其可替代如图4中所示的流配置。在第二另选流配置中，流线路36和14通过多孔流线路136连接，所述多孔流线路携带燃料形成的大体积混合流50，大体积混合流50可包含来自于除水射流泵系统30的一些悬浮水、冰或其他颗粒材料。当流50通过多孔流线路136 时，其夹带来自于罐20内的燃料和悬浮在其中的任何水形成的流51。多孔流线路具有多孔壁，其可包括一系列穿孔或可以是网眼等。合成的流52被排放到旋风分离器1的入口 2。 基于与如图4所述的配置所列出的相同理由，多孔流线路136优选地设置成靠近燃料罐20 的底部。参考图3，旋风分离器1的第一出口 3排放水、燃料和任何颗粒物质以及残余冰形成的富含水的燃料流61。由于旋风分离器1往往从第一出口 3而不是第二出口 4排放任何颗粒物质，因此在旋风分离器1的第一出口 3的下游可需要合适的过滤装置。这样的过滤器可能需要被定期地清洁或更换。旋风分离器1用于防止颗粒物质围绕燃料罐20再循环并且过滤器会用于防止任何这种颗粒物质进入发动机中。经由第二出口 4离开旋风分离器1的净化燃料被供应回到燃料罐中，优选地回到燃料罐的上部区域中。由此，相比于从燃料罐进入到旋风分离器1的入口 2中的燃料，再循环回到燃料罐的燃料具有显著更低浓度的水、冰或颗粒材料。现将在下文更详细地描述发动机供应系统80。发动机供应系统80包括发动机供应线路81和发动机供应泵82。发动机供应线路81具有喇叭口入口 83，其设置成邻近于罐底板21。入口 83具有横过其嘴部的网眼(未示出)，用于过滤掉进入发动机供应线路81 中的较大颗粒物质。可在发动机供应系统80中的其他地方设置附加过滤装置，以过滤掉更精细的颗粒物质。发动机供应泵82将燃料流64引导到燃料系统的发动机。当发动机供应泵82运行时，燃料流62经由入口 83被从罐20抽吸到发动机供应线路81中。入口 83设置成邻近于罐的底部，以最小化罐中的不可使用的燃料。由于来自于旋风分离器1的第一出口 3的流61，悬浮水的浓度倾向于更高。在操作期间，从旋风分离器1的第一出口 3排出的富含水的燃料流61被夹带到发动机供应线路81中的流(用流线路63表示)中。参考图6，示出了正好在图3中的燃料系统的旋风分离器1的第一出口 3的下游的流配置的示例性细节。从旋风分离器1的第一出口 3流动的富含水的燃料流61在排出线路84中流动。排出线路84具有出口 85，其位于罐底板21附近并邻近于发动机供应线路 81的入口 83。当发动机供应泵82在运行时，富含水的燃料流61被夹带到抽吸至发动机供应线路81的入口 83中的燃料流62中。重要的是，控制发动机供应线路81中的水浓度，使其不超过发动机制造商所推荐的极限值。在发动机供应线路81中的流63中的水浓度可由合适的阀或其他燃料控制装置来控制。发动机消耗供应来的燃料中的水，使得在操作期间水从燃料罐20移除。在图7中示意性地示出了位于旋风分离器1的第一出口 3的下游的发动机供应系统中的第二另选流配置。发动机供应系统180与发动机供应系统80类似，只不过从旋风分离器1的第一出口 3流动的富含水的燃料流61直接流动到发动机供应线路中。富含水的燃料流61在排出线路184中流动，所述排出线路184流体连接到发动机供应线路181，位于其喇叭口入口 183和发动机供应泵(在图7中未示出)之间。当发动机供应泵在运行时， 来自于燃料底板21的燃料形成的流62在入口 183处被抽吸到发动机供应线路181中。流 61在发动机供应线路181中被夹带到流62中，以形成流63，其通过发动机供应泵泵送到更下游的发动机。发动机消耗流63中的燃料和水。燃料流63中的水浓度可按照与如图6所绘出的流配置类似的方式由合适的阀或其他燃料管理装置来控制。图8是如图3所示的燃料系统的总体配置的框图。流路径和流部件以实线示出， 控制链路和控制部件用虚线示出。流路径和流部件在上文关于图3进行了描述。燃料系统还包括在发动机供应线路81 (或181)中的传感器86，以探测发动机供应线路81中到发动机88的流63中的悬浮水的浓度。来自传感器86的信号在控制器87中进行处理以控制泵 31，所述泵传输在射流泵35中的推动流41。通过控制泵31，推动流41可变化，最终可使混合流50变化。传输到旋风分离器1 的流对于旋风分离器1的运行特性具有两种作用。在至入口 2的低流率的情况下，会产生低旋转(角度)速率且因此产生低G-力(离心力)，使得不足以从旋风分离器1中分离出致密材料。此外，在低流率时，通过旋风分离器1的吞吐流量减少，使得在旋风分离器1的第一出口 3和第二出口 4处都具有更少的流量流出。由此，可控制至发动机88的流63中的悬浮水的浓度。此外，控制泵31会控制引入流42和推动流41在射流泵35中的混合，所述射流泵可用于改变供应到旋风分离器1的混合流50中水的浓度。在飞行的早期阶段，引入流线路 32将引入来自于储槽22的水，因此对泵31的控制将是对于混合流50中的水浓度进行的主要控制。当储槽22中的水被消耗且引入流线路32从罐20引入燃料流时，那么混合流50中的水浓度不会随着变化的推动流41而变化，因为推动流中的水浓度将会与引入流量42中的相同。图9是如图3所示的燃料系统中的总体配置的框图，其具有替代如图8所示的另选控制体系。流路径和流部件以实线示出，控制链路和控制部件用虚线示出。图8中的燃料系统和图9中的燃料系统之间的唯一区别在于，图9中的燃料系统还包括设置在旋风分离器1的第二出口 4的下游处的阀72，以使一部分流71沿着净化流线路73转向泵31。阀 72由控制器87基于来自于传感器86的信号来控制，以使流71中的合适量的净化燃料转向泵31，以夹带到供应给射流泵35的推动流74中。射流泵35将混合流75排出到旋风分离器1的入口 2。在该情形中，控制器87不影响被传输到旋风分离器1的入口 2的流率。因此，旋风分离器1的操作特性(即，吞吐量和G-力)不被控制器87改变。通过控制流向泵31的净化燃料流73，推动流74中的水浓度可变化，最终混合流75中的水浓度可变化。流向泵 31的高净化燃料流率会降低混合流75中的悬浮水浓度，反之亦然。由此，可控制流向发动机88的流63中的悬浮水浓度。图10是包括旋风分离器1的燃料系统的另选总体配置的框图。在图8和10中示出的相同附图标记指代相同的实体。如图10所示的燃料系统与如图8所示的燃料系统的不同之处在于，省略了射流泵 35和储槽22，并且泵31被设置成将燃料(包括悬浮在其中的任何水)的大体积流45从罐 20朝向旋风分离器1的入口 2泵送。从泵31排出的流45夹带来自于罐20的燃料(包括悬浮在其中的任何水)流51以形成混合流46。流46被称为混合流，这是因为流45和流51 在从罐20的不同部分得到时可包含不同浓度的悬浮水。混合流46被供应到旋风分离器1 的入口 2。通过控制泵31，传送到旋风分离器1的流46可变化，从而控制旋风分离器的操作特性(即，吞吐量和G-力)，如上文关于图8所述。由此，可控制流向发动机88的流63中的悬浮水浓度。图11是包括旋风分离器1的燃料系统的另选总体配置的框图。在图9和图11中示出的相同附图标记指代相同的实体。如图11所示的燃料系统与如图9所示的燃料系统的不同之处在于，省略了射流泵 35和储槽22，并且泵31被设置成将燃料(包括悬浮在其中的任何水)的大体积流76从罐 20朝向旋风分离器1的入口 2泵送。从泵31排出的流76夹带来自于罐20的燃料(包括悬浮在其中的任何水)流51以形成混合流77。混合流77被供应到旋风分离器1的入口 2。通过控制流向泵31的净化燃料流73，可改变被传送到旋风分离器1的入口 2的混合流77中的水浓度。控制器87不影响旋风分离器1的运行特性(即，吞吐量和G-力)。 由此，可按照与上文参考图9列出的类似方式来控制至发动机88的流63中的悬浮水浓度。可如以下所述修改包括燃料罐、发动机、发动机供应泵和发动机供应线路的现有燃料系统以适合于本发明。一个或更多个旋风分离器需要流体连接在燃料罐与发动机供应线路之间，其中第一出口朝向发动机供应线路排出，第二出口向燃料罐回排。飞行器燃料系统可包括通过管件网连接的多个罐并且具有一个或更多个发动机供应系统。发动机供应系统可为用于推进和/或用于飞行器设备/系统的一个或更多个发动机提供动力。术语“发动机”是指消耗燃料的任何装置，即内燃机、汽轮机和燃料电池等寸。每个发动机供应系统可使用至少一个旋风分离器。在一些情形中，可使用更多个旋风分离器以满足发动机供应系统的燃料需求。它们通常被并联设置。然而，旋风分离器可另选地级联(串联)设置，以改进分离效率，其中上游旋风分离器的第一出口向下游旋风分离器的入口排放。此外，旋风分离器可用于以增加一个罐中的水浓度为代价降低另一个罐中的水浓度。该策略可用于将水约束在有限数量(例如，一个或两个)的罐中，其中与其他罐中相比， 这些罐可能更容易接近以通过储槽中的排水阀来排出水。图12描述了具有两个罐和一个发动机供应系统的这种燃料系统的总体配置的框图。燃料系统主要包括与图8所示的燃料系统类似的第一和第二燃料系统。第一燃料系统中的与图8中的燃料系统的部件相同的部件用相同的附图标记加上撇号(‘)来表示。第二燃料系统中的与图8中的燃料系统的部件相同的部件用相同的附图标记加上双撇号(") 来表示。流路径和流部件用实线示出，控制链路和控制部件用虚线示出。如图12所示的燃料系统被设置成使得其优选地降低第一燃料罐20'中悬浮水的浓度。在第一燃料罐20'中不存在发动机供应线路入口。在第二燃料罐20"中的发动机供应线路入口不仅夹带流量61"和62"(根据图8中的配置)，而且夹带来自于第一旋风分离器1'的第一出口的出口流61'(密度较大的流)以及来自于第二燃料罐20"内的第二流162。发动机供应线路入口不夹带来自于第一燃料罐20'内的流量。来自于第二旋风分离器1"的第二出口的出口流71"(密度较小的净化燃料流)排放到第一燃料罐20' 中。被供应到旋风分离器的罐内燃料可包括一些悬浮水微滴。此外，来自于罐的燃料可与从罐的底部处的水池中吹扫的水混合，所述水在被供应到旋风分离器之前通过射流泵等分配在燃料中。现有燃料系统可能已经包括除水射流泵系统，或者可在安装旋风分离器时安装这样的系统。燃料系统例如可如图8、图9或图12所示设置。另选地，燃料系统可不具有除水射流泵系统，使得旋风分离器被设置在例如如图10和11所示的加压燃料系统中。 在任一情形中，燃料被从罐供应到旋风分离器的入口。旋风分离器的第一出口在要被发动机供应泵占用并且供应到发动机的发动机供应线路方向上排放富含水的燃料。例如，在旋风分离器的第一出口之间的流体连接可如图 3所示设置(在图6中详细示出)或者如图7所示设置。在燃料系统中安装用于控制供应到旋风分离器的入口的流的控制系统。例如，该控制系统可以是如图8至图11中所示的任何一个。在这些配置中的控制系统包括控制器和在发动机供应线路中的传感器，所述控制器根据传感器输出信号来控制在旋风分离器的入口上游的燃料流。连接旋风分离器的第二出口以便将净化燃料排出到罐(如图8至图11的配置中所示)，以及还可排出到旋风分离器的入口上游的射流泵或加压燃料系统(如图9和图11 所示)。将理解的是，可类似地使用其他流配置。重要地，具有相对高浓度的水的大体积燃料流必须经由加压系统或射流泵等从燃料罐抽取并供应到旋风分离器的入口。图13描述了本发明的用于在燃料系统中使用的另选旋风分离器101。旋风分离器 101的与旋风分离器1中的对应的特征被赋予相同的附图标记，但是在图13中以“100”序列编号。旋风分离器101与旋风分离器1的唯一不同之处在于，穿孔的多孔内壁116内置于壳体105内以形成腔117。腔117被设置在壳体105的内壁与旋风分离器101的内部容积之间。腔117具有流体入口 118。在使用中，净化燃料从第二出口 104排出的流中抽出， 并且在压力下经由入口 118被泵送到腔117中。可使用合适的阀装置从第二出口 104排出的流中抽出净化燃料，并且设置合适的泵，以将抽出的燃料泵送到入口 118中。可任选地设置热交换器112，用于加热腔117中的净化燃料。在泵的压力下，腔117中的净化燃料被驱动通过穿孔的内壁116，以在壁116的内侧上形成温热的净化燃料层，以便防止来自于螺旋流109的水/冰粘到壁116上。这消除了对旋风分离器101的内侧上的疏水或防冰涂层的需要。旋风分离器101的其余特征和功能与旋风分离器1中的相同。由于旋风分离器往往从第一出口而不是第二出口排出任何颗粒物质，因此可在发动机供应系统中设置合适的过滤装置，如上所述。此外，可在旋风分离器的上游设置合适过滤装置，以在流进入到旋风分离器之前过滤掉较大颗粒物质。这种过滤器可能需要被定期地清洁或更换。旋风分离器用于防止任何残余颗粒物质绕燃料罐再循环，因为颗粒物质将从第一出口而不是第二出口被排出，以通过发动机供应系统的过滤器收集。包括燃料罐、旋风分离器、发动机以及各种供应线路的燃料系统可以是飞行器燃料系统。然而，燃料系统实质上可以位于任何陆上或基于水的交通工具中，例如船只或货车。在飞行器燃料系统的情形中，旋风分离器的热交换器可由在飞行器内的任何热源驱动，所述热源例如是产生废热的电气或液压系统。虽然已经在上文参考一个或多个优选实施方式描述了本发明，但是应理解的是，在不偏离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下可做出各种变化或修改。
权利要求
1.一种燃料系统，其包括液体燃料罐、发动机以及旋风分离器，所述旋风分离器具有流体连接到所述燃料罐的入口、流体连接到发动机燃料供应系统的第一出口、以及第二出口， 其中，所述旋风分离器适于将密度相对较大的材料从所述第一出口排出，将密度相对较小的材料从所述第二出口排出。
2.根据权利要求1所述的燃料系统，其中，所述第二出口流体连接到所述燃料罐。
3.根据权利要求1或2所述的燃料系统，其中，所述旋风分离器的所述入口被连接到燃料线路，所述燃料线路适于在燃料在所述供应线路中流动时夹带燃料和水或冰的混合物。
4.根据权利要求3所述的燃料系统，其中，所述燃料线路被连接到燃料泵或者形成用于传输燃料的加压系统的一部分。
5.根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统，其中，所述发动机燃料供应系统适于在燃料在该供应系统中流动时夹带来自于所述燃料罐的燃料。
6.根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统，其中，所述旋风分离器包括热交换器。
7.根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统，其中，所述旋风分离器的内表面包括疏水和/或防冰涂层。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料系统，其中，在所述旋风分离器内设置多孔壁。
9.一种飞行器，所述飞行器包括根据前述任一权利要求所述的燃料系统。
10.一种从燃料罐移除水或冰的方法，所述方法包括提供燃料罐中的液体燃料；使用旋风分离器将该燃料罐中的液体燃料分离为富含水的燃料和净化燃料；以及将所述富含水的燃料排出到发动机。
11.根据权利要求10所述的方法，该方法还包括将所述净化燃料返回至所述燃料罐中。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述富含水的燃料在被供应到所述发动机之前与来自于所述燃料罐的燃料混合。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，所述旋风分离器被加热以防止冰积聚。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，所述方法被实施在飞行器上。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，在飞行器的飞行的巡航阶段实施所述方法。
16.一种在燃料系统中安装旋风分离器的方法，所述燃料系统包括液体燃料罐和发动机，所述旋风分离器具有入口、第一出口以及第二出口，所述旋风分离器适于将密度相对较大的材料从所述第一出口排出，将密度相对较小的材料从所述第二出口排出，所述方法包括将所述入口流体连接到所述燃料罐，将所述第一出口流体连接到发动机燃料供应系统。
17.根据权利要求16所述的方法，该方法还包括将所述第二出口流体连接到所述燃料罐。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其中，所述燃料系统位于飞行器上。
全文摘要
一种燃料系统，其包括液体燃料罐、发动机以及旋风分离器，所述旋风分离器具有流体连接到燃料罐的入口、流体连接到发动机燃料供应系统的第一出口、以及第二出口。旋风分离器适于将密度相对较大的材料从第一出口排出，将密度相对较小的材料从第二出口排出。燃料系统可用于通过使用旋风分离器将罐中的液体燃料分离为富含水的燃料和净化燃料而从燃料罐移除水或冰。富含水的燃料被排放到发动机中，在所述发动机中水与燃料一起被烧掉。旋风分离器可在现有燃料系统中进行改装。燃料系统可位于飞行器中。
文档编号B64D37/00GK102348486SQ201080011279
公开日2012年2月8日 申请日期2010年3月5日 优先权日2009年3月11日
发明者J·K-W·拉姆 申请人:空中客车操作有限公司