專利名稱：旋風分離器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種包括旋風分離器的燃料系統。同樣，本發明還涉及從燃料罐移除水或冰的方法以及在燃料系統中安裝旋風分離器的方法。
背景技術：
水是燃料中不可避免的污染物。水可影響燃料系統中的部件并且導致操作延遲并增加維修活動。此外，微生物污染的趨勢與燃料罐中存在的水和溫度成正比。雖然水有可能影響陸上或基于水的交通工具的燃料系統，但是水在飛行器燃料系統中尤其成問題。水可通過在補給燃料期間裝載到飛行器燃料罐中的燃料進入到飛行器燃料罐中(溶解水)以及通過借由其通風系統進入飛行器燃料罐的空氣進入到飛行器燃料罐中。在飛行器的上升和降落期間，至環境空氣的通風系統通常需要標準化燃料罐內的壓力。由于水在燃料中的溶解性隨著溫度降低而降低，因此在飛行器巡航期間當燃料溫度降低時出現水從燃料分離(dissolution)。水形成微米量級的小微滴。微滴保持懸浮在燃料中并且在燃料中產生近均質水霧或霧氣狀現象。水微滴的密度(大約1000kg/m3)類似于航空燃料的密度(大約800kg/m3)。水微滴尺寸以及水微滴與周圍燃料的相對密度是確定微滴的沉降速度的重要參數(斯托克斯定律)。沉降速度與微滴半徑的平方成比例。 在微米量級的微滴尺寸下，微滴花費很長時間沉降到罐底部。密度差小(雖然明顯)，但是在該情形中確定微滴的緩慢沉降速度的主要因素是微滴尺寸。具有懸浮水微滴的燃料被供應到發動機中，在發動機中水微滴與燃料一起燒掉。然而，懸浮水的低濃度意味著水從燃料系統的移除速率低。當燃料罐內的溫度在飛行器飛行的巡航階段降低時，懸浮水微滴可變成冰，從而形成“雪花”。雪花花費甚至更長時間來沉降到燃料罐的底部，因為相比于水微滴而言，冰的密度(大約900kg/m3)更接近燃料的密度。此外，當在燃料罐中建立足夠的自然對流流時，燃料中的水霧或霧氣狀現象傾向于被清除掉。來自于較冷罐結構和表面的自然對流流所攜帶的較干燥(非飽和)燃料再溶解懸浮的水微滴。自然對流的流動攜帶飽和燃料，使其接觸冷的罐表面，在該處，從燃料分離水導致在冷表面上冷凝。冷凝水趨于沿著燃料罐的壁向下移動并且以水池形式被收集在罐的底部。可在飛行器位于地面上時將來自于這些水池中的水排干，但這是耗時且昂貴的， 從而導致損失操作效率。US4081373描述了一種系統，其中在燃料系統中連接有旋風分離器和水聚結器。來自于燃料罐的燃料被輸送到旋風分離器中，所述旋風分離器將燃料拉成密集旋風螺旋，離心力從燃料_雜質濃縮物分離出相對純凈的燃料。組合的旋風分離器和水聚結器使“凈化” 燃料返回至燃料罐，并且燃料-雜質混合物被供應到輔助分離器中。輔助分離器使“凈化” 燃料進一步返回至燃料罐，并且水_固體(雜質)沉淀物被分離出并且定期地排掉。雜質沉淀物被排出到大氣中或到收集容器中。當使用收集容器時，仍需要在飛行器位于地面上時排出該雜質沉淀物。在排出到大氣的情形中，將需要合適的排出系統，其向燃料系統添加了重量和維護成本等并且可導致在出口處的結冰問題。

發明內容
本發明的第一方面提供一種燃料系統，其包括液體燃料罐、發動機以及旋風分離器，所述旋風分離器具有流體連接到燃料罐的入口、流體連接到發動機燃料輸送系統的第一出口、以及第二出口，其中，旋風分離器適于將密度相對較大的材料從第一出口排出，將密度相對較小的材料從第二出口排出。本發明的第二方面提供一種從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體燃料；使用旋風分離器將罐中的液體燃料分離為富含水的燃料和凈化燃料； 以及將富含水的燃料排出到發動機。本發明的第三方面提供一種在燃料系統中安裝旋風分離器的方法，所述燃料系統包括液體燃料罐和發動機，旋風分離器具有入口、第一出口以及第二出口，旋風分離器適于將密度相對較大的材料從第一出口排出，將密度相對較小的材料從第二出口排出，所述方法包括將入口流體連接到燃料罐，將第一出口流體連接到發動機燃料供應系統。用于將固體從液體分離、或分離(或至少濃縮)不同密度的液體的旋風分離器還公知為水力旋風器或水力旋流器。在操作中，自然地出現在燃料中的水或冰(其比燃料密度更大)將通過旋風分離器來分離或至少濃縮，以形成富含水的燃料混合物，其可被供應到發動機以被燒掉。從旋風分離器的第二出口離開的較低密度的凈化燃料優選地被供應回到燃料罐中。富含水的混合物中的水濃度相比于罐中燃料的水濃度優選地要高數個數量級，因此通過本發明的燃料系統能從燃料罐更快速地移除水。通過從罐移除水而不是僅僅將冷凝水分配回到罐中，使罐中水的濃度較低并且防止與罐內水冷凝相關的問題，甚至在低溫下也是如此。關于飛行器燃料系統，在飛行的巡航階段罐內面臨最低溫，因此旋風分離器優選地在巡航期間運行，以便在否則最可能出現冷凝時移除水。優選的是在水懸浮在燃料中時移除水。一旦發生冷凝，水微滴聚結成較大微滴、水池或薄膜，水就不容易再溶解在燃料中， 甚至當燃料溫度升高從而增加水在燃料中的溶解性時也是如此。如果允許水冷凝并且在罐內聚集，那么可能需要其他裝置(例如，除水線路)，從而導致增加的重量和成本。由于富含水的燃料中的水濃度最初比罐中的大得多，因此水移除速率最初高，并且隨罐中燃料的含水量降低而降低。在達到最低罐溫度之前，在旋風分離器運行開始時迅速移除水，從而最小化罐中的水積聚。雖然旋風分離器優選地在巡航期間運行，但是旋風分離器可在飛行的任何階段(滑行、起飛、巡航或著陸)期間運行。例如，在飛行的早期階段(滑行和起飛)期間，水可通過射流泵從燃料罐儲槽引入到引入線路并且與推動流一起排出到旋風分離器。旋風分離器的入口優選地被連接到燃料供應線路，所述燃料供應線路適于從燃料罐的傾向于收集水或冰(優選仍處于懸浮)的區域中夾帶燃料和水或冰的混合物。當燃料在燃料供應線路中流動時，該混合物被夾帶到流中。供應線路可包括多孔表面，混合物流穿過該多孔表面以被夾帶在燃料流中。多孔表面可以是在燃料供應線路壁中的網格、網眼或一系列穿孔。燃料供應線路優選地連接到燃料泵或者形成為用于傳輸燃料的加壓系統的一部
分。泵可以是射流泵等。
發動機燃料供應系統優選地適于夾帶來自于燃料罐的燃料。為了降低供應至發動機的水濃度，富含水的燃料混合物在被供應到發動機之前與來自于罐的燃料混合。可控制供應至發動機的水的濃度，使其不超過發動機制造商推薦的極限值。在低溫下，懸浮水可變回為冰，所述冰可在旋風分離器中潛在地積聚因而損害旋風分離器的性能。為了應對這種情況，該旋風分離器可包括熱交換器。熱交換器可包括通過例如電子或液壓系統驅動的熱源，以防止冰積聚在旋風分離器的內表面上。在意圖使用所述燃料系統的交通工具(例如，飛行器)內存在多種可用于此目的的熱源。另選地，旋風分離器可包括作為熱源的集成加熱元件。旋風分離器的內表面可包括疏水涂層或“防冰”涂層，以防止或減少水或冰粘到旋風分離器。涂層可以是涂料或其他涂層材料。可根據本發明第三方面的方法將旋風分離器改裝到現有燃料系統。


現將參考附圖來描述本發明的實施方式，在附圖中圖1示意性地示出了旋風分離器；圖2a示意性地示出了旋風分離器的俯視圖；圖2b示意性地示出了在操作期間旋風分離器內的流的3D視圖；圖3示意性地示出了結合有圖1中的旋風分離器的燃料系統；圖4示意性地示出了在圖3中的燃料系統中在旋風分離器的入口的上游處的流配置的細節；圖5示意性地示出了在旋風分離器入口的上游處的另選流配置，以替換在圖3中的燃料系統中的如圖4所示的流配置；圖6示意性地示出了在圖3中的燃料系統中的旋風分離器的第一出口下游處的流配置的細節；圖7示意性地示出了在旋風分離器的第一出口下游處的另選流配置，以替換在圖 3中的燃料系統中的如圖6所示的流配置；圖8示出了圖3中的燃料系統的總體配置的框圖；圖9示出了圖3中的燃料系統的總體配置的框圖并且具有相對于圖8中所示而言另選的控制體系；圖10示出了包括旋風分離器的燃料系統的另選總體配置的框圖；圖11示出了包括旋風分離器的燃料系統的又一另選總體配置的框圖，所述旋風分離器具有相對于圖10中所示而言不同的控制體系；圖12示出了燃料系統的總體配置的框圖，所述燃料系統包括兩個旋風分離器、兩個燃料罐以及一個發動機供應系統，布置成以增加一個罐中的水濃度為代價降低另一個罐中的水濃度；圖13示意性地示出了另選旋風分離器。
具體實施例方式圖1示意性地描述了旋風分離器1，其具有入口 2、第一出口 3以及第二出口 4。旋風分離器1具有圓柱形上部和圓錐形下部。圓錐形下部具有圓錐形殼體5，其具有向下變窄的截頭圓錐形狀，所述截頭圓錐形圍繞中心設置的縱向軸線對稱地延伸。旋風分離器1的上端部6具有較大直徑并且設置在旋風分離器1的具有較小直徑的下端部7上方。入口 2 設置成鄰近于上端部6，第一出口 3設置成鄰近于下端部7。管件8延伸到旋風分離器1的上部中并且流體連接到第二出口 4。圖2a示意性地描述了旋風分離器1的俯視圖，以示出入口 2至旋風分離器1的上端部6的配置。圖2b描述了在操作期間，旋風分離器1內的三維流動。通過入口 2的液體被切向引入到圓柱形上部的內部并且以螺旋路徑9(見圖1和 2b)向下流動通過圓錐形下部，所述圓錐形下部在其朝向圓錐形殼體5的下部10向下延伸時成錐形或變窄。由于切向入口以及殼體的圓柱形/圓錐形形狀，該流動被強制形成為螺旋路徑9。旋轉(螺旋)流產生高離心G-力，使得懸浮在液體中的密度較大的材料將移動到圓錐形殼體5的橫截面區域內的最外周，從而在螺旋流動的芯部留有密度較小的材料。 由于橫截面面積朝向殼體的底部減少，因此過量的流被強制以緊密的內(芯部)螺旋(見圖2b)向上移動。設置管件8的入口 11，使得密度相對較小的材料從第二出口 4排出。主螺旋流9通過旋風分離器1的主流動方向以及圓錐形殼體5的幾何尺寸導致密度相對較大的分子和顆粒被收集在圓錐形殼體5的下部區域10中。由此，密度相對較大的材料從第一出口 3被排出。雖然圖1示出了豎直取向的旋風分離器1，但本領域技術人員將理解的是，當空間需求不允許豎直取向時旋風分離器1可非豎直地取向。圍繞旋風分離器1的圓柱形上部和圓錐形下部被設置熱交換器12，以融化冷凍材料，否則該冷凍材料往往會粘到旋風分離器1的內表面上。熱能從熱源被供應給熱交換器 12，所述熱源可以是專用熱源或者可以是電子、液壓或其他熱量產生系統所產生的廢熱的貯槽。旋風分離器1的內表面13被噴涂有疏水或“防冰”涂料或材料，以防止或減少水或冰粘到內表面13，從而使得該水或冰更快地朝向第一出口 3運動。在操作中，旋風分離器被用于燃料系統中，以從燃料內分離或者至少濃縮大量的懸浮水、冰塊和顆粒材料。大體積燃料流被強制進入到旋風分離器1的入口2中。入口 2 中的流動垂直于圓錐形殼體5的中心軸線。在流動沿著螺旋路徑9行進時，離心力將使得密度較大的冰、水和顆粒材料移動到圓錐形殼體5的內部的外周部并貼著圓錐形殼體5的內表面13。密度較小的凈化燃料將傳送到圓錐形殼體5的內部的中心區域內并進入管件8 的入口 11中。管件8將凈化燃料傳送到第二出口 4。通過旋風分離器1的流動的主驅動力來自于進入入口 2的大體積流率流。第一出口 3可向相對低的靜態壓力區域排放，所述相對低的靜態壓力區域提供將流抽吸通過旋風分離器的一些作用。然而，該作用僅是次要的。第二出口 4的出流由旋風分離器1中的流驅動。第一出口 3和第二出口 4的直徑的尺寸設置成使得旋風分離器1具有期望的操作特性。第二出口 4的直徑可大于、小于或等于第一出口 3的直徑。第二出口 4的出流可連接到抽吸裝置或系統，以優化出流特征。旋風分離器1具有兩種防護，以防止冰粘到旋風分離器1的內表面13上。主防護是在內表面13上的疏水和/或防冰涂層。該涂層被施加到旋風分離器1的所有內表面。次防護是通過熱交換器12對內表面13加熱。所施加的熱量被優化，使得在旋風分離器1的內表面13上的任何冰粒會在接觸點溶化，從而使得冰粒被螺旋流9剪掉。應當注意的是， 不旨在使螺旋流9中的懸浮冰粒融化。通過內表面13上的疏水涂層，防止或阻礙螺旋流9 中的水粘到旋風分離器1的內表面13。水、燃料和任何顆粒物質以及殘余冰的混合物穿過旋風分離器1的第一出口 3。圖3示出了安裝在燃料系統中的旋風分離器1。燃料系統包括旋風分離器1、具有底板21的燃料罐20以及消耗燃料的發動機(在圖3中未示出)。至旋風分離器的入口 2 的流52通過除水射流泵系統30傳送。旋風分離器1的第二出口 4將凈化燃料流71返回至燃料罐20的優化區域(通常是上部區域)。從旋風分離器1的第一出口 3排出的富含水的燃料流61通過發動機供應系統80被供應到發動機。現將在下文更詳細地描述除水射流泵系統30。除水射流泵系統30包括具有泵31 的推動流線路34、引入流線路32、射流泵35以及混合流線路36。泵31從罐20抽吸流40 并且在推動流線路34中在壓力下將流41傳送到射流泵35。引入流線路32將流42從燃料 20的儲槽22傳輸到射流泵35。射流泵35將來自于推動流線路34和引入流線路32的流混合并且在混合流線路36中排放混合流50。燃料罐儲槽22是罐20的一體部分。其位于罐20的最底部。在一段時間內，罐中的任何自由水將作為水流24向下移動并且被收集在儲槽22中。引入流線路32具有鄰近于儲槽22設置的喇叭口入口 33。在開始操作除水射流泵系統30時，在儲槽22中可收集有有限量的水。推動流41 引發引入流線路32中的流42。儲槽22中的任何自由水可通過被夾帶在流43中而被拾取， 所述流43從罐20進入到喇叭口入口 33。噴射泵35將水霧化成流50中的小微滴。混合流 50通過將參考下文的圖4來進一步詳細描述的流配置被傳送到旋風分離器入口 2中。在儲槽22中的全部自由水被消耗后，引入流線路32將引入來自于罐20的燃料，因為儲槽是罐的一體部分。參考圖4，示出了正好在圖3中的燃料系統中的旋風分離器1的入口 2的上游的流配置的示意性細節。混合流線路36攜帶大體積混合流50。旋風分離器入口 2具有這樣的流線路14，其具有與混合流線路36的出口 37分離的喇叭口形入口 15。混合流線路36中的流50當在混合流線路36的出口 37和流線路14的入口 15之間經過時從燃料罐20中夾帶燃料及懸浮在其中的任何水形成的流51。流線路36和14優選地設置成鄰近于罐20的底部，主要是因為發動機供應系統80 被安裝在罐的底部。此外，由于旋風分離器1被設計成將凈化燃料流4返回至罐的上部區域中，在操作時段中，旋風分離器1將產生懸浮水濃縮分層，使得更高的濃度位于罐的底部附近。因此，通過將流線路36和14設置成鄰近于罐的底部，具有懸浮的更高濃度水的燃料被夾帶到流線路14中的流52中，使得該系統通過該分層受益并且以優化狀況來操作。然而，本領域技術人員將理解的是，流線路36、14不必要被設置在罐的底部。燃料和水、以及任何冰或其他顆粒材料形成的流52在射流泵35的壓力下從流線路36被供應到旋風分離器1的入口 2中。現參考圖5，示意性地示出了正好在旋風分離器1的入口 2的上游的第二另選流配置，其可替代如圖4中所示的流配置。在第二另選流配置中，流線路36和14通過多孔流線路136連接，所述多孔流線路攜帶燃料形成的大體積混合流50，大體積混合流50可包含來自于除水射流泵系統30的一些懸浮水、冰或其他顆粒材料。當流50通過多孔流線路136 時，其夾帶來自于罐20內的燃料和懸浮在其中的任何水形成的流51。多孔流線路具有多孔壁，其可包括一系列穿孔或可以是網眼等。合成的流52被排放到旋風分離器1的入口 2。 基于與如圖4所述的配置所列出的相同理由，多孔流線路136優選地設置成靠近燃料罐20 的底部。參考圖3，旋風分離器1的第一出口 3排放水、燃料和任何顆粒物質以及殘余冰形成的富含水的燃料流61。由于旋風分離器1往往從第一出口 3而不是第二出口 4排放任何顆粒物質，因此在旋風分離器1的第一出口 3的下游可需要合適的過濾裝置。這樣的過濾器可能需要被定期地清潔或更換。旋風分離器1用于防止顆粒物質圍繞燃料罐20再循環并且過濾器會用于防止任何這種顆粒物質進入發動機中。經由第二出口 4離開旋風分離器1的凈化燃料被供應回到燃料罐中，優選地回到燃料罐的上部區域中。由此，相比于從燃料罐進入到旋風分離器1的入口 2中的燃料，再循環回到燃料罐的燃料具有顯著更低濃度的水、冰或顆粒材料。現將在下文更詳細地描述發動機供應系統80。發動機供應系統80包括發動機供應線路81和發動機供應泵82。發動機供應線路81具有喇叭口入口 83，其設置成鄰近于罐底板21。入口 83具有橫過其嘴部的網眼(未示出)，用于過濾掉進入發動機供應線路81 中的較大顆粒物質。可在發動機供應系統80中的其他地方設置附加過濾裝置，以過濾掉更精細的顆粒物質。發動機供應泵82將燃料流64引導到燃料系統的發動機。當發動機供應泵82運行時，燃料流62經由入口 83被從罐20抽吸到發動機供應線路81中。入口 83設置成鄰近于罐的底部，以最小化罐中的不可使用的燃料。由于來自于旋風分離器1的第一出口 3的流61，懸浮水的濃度傾向于更高。在操作期間，從旋風分離器1的第一出口 3排出的富含水的燃料流61被夾帶到發動機供應線路81中的流(用流線路63表示)中。參考圖6，示出了正好在圖3中的燃料系統的旋風分離器1的第一出口 3的下游的流配置的示例性細節。從旋風分離器1的第一出口 3流動的富含水的燃料流61在排出線路84中流動。排出線路84具有出口 85，其位于罐底板21附近并鄰近于發動機供應線路 81的入口 83。當發動機供應泵82在運行時，富含水的燃料流61被夾帶到抽吸至發動機供應線路81的入口 83中的燃料流62中。重要的是，控制發動機供應線路81中的水濃度，使其不超過發動機制造商所推薦的極限值。在發動機供應線路81中的流63中的水濃度可由合適的閥或其他燃料控制裝置來控制。發動機消耗供應來的燃料中的水，使得在操作期間水從燃料罐20移除。在圖7中示意性地示出了位于旋風分離器1的第一出口 3的下游的發動機供應系統中的第二另選流配置。發動機供應系統180與發動機供應系統80類似，只不過從旋風分離器1的第一出口 3流動的富含水的燃料流61直接流動到發動機供應線路中。富含水的燃料流61在排出線路184中流動，所述排出線路184流體連接到發動機供應線路181，位于其喇叭口入口 183和發動機供應泵(在圖7中未示出)之間。當發動機供應泵在運行時， 來自于燃料底板21的燃料形成的流62在入口 183處被抽吸到發動機供應線路181中。流 61在發動機供應線路181中被夾帶到流62中，以形成流63，其通過發動機供應泵泵送到更下游的發動機。發動機消耗流63中的燃料和水。燃料流63中的水濃度可按照與如圖6所繪出的流配置類似的方式由合適的閥或其他燃料管理裝置來控制。圖8是如圖3所示的燃料系統的總體配置的框圖。流路徑和流部件以實線示出， 控制鏈路和控制部件用虛線示出。流路徑和流部件在上文關于圖3進行了描述。燃料系統還包括在發動機供應線路81 (或181)中的傳感器86，以探測發動機供應線路81中到發動機88的流63中的懸浮水的濃度。來自傳感器86的信號在控制器87中進行處理以控制泵 31，所述泵傳輸在射流泵35中的推動流41。通過控制泵31，推動流41可變化，最終可使混合流50變化。傳輸到旋風分離器1 的流對于旋風分離器1的運行特性具有兩種作用。在至入口 2的低流率的情況下，會產生低旋轉(角度)速率且因此產生低G-力(離心力)，使得不足以從旋風分離器1中分離出致密材料。此外，在低流率時，通過旋風分離器1的吞吐流量減少，使得在旋風分離器1的第一出口 3和第二出口 4處都具有更少的流量流出。由此，可控制至發動機88的流63中的懸浮水的濃度。此外，控制泵31會控制引入流42和推動流41在射流泵35中的混合，所述射流泵可用于改變供應到旋風分離器1的混合流50中水的濃度。在飛行的早期階段，引入流線路 32將引入來自于儲槽22的水，因此對泵31的控制將是對于混合流50中的水濃度進行的主要控制。當儲槽22中的水被消耗且引入流線路32從罐20引入燃料流時，那么混合流50中的水濃度不會隨著變化的推動流41而變化，因為推動流中的水濃度將會與引入流量42中的相同。圖9是如圖3所示的燃料系統中的總體配置的框圖，其具有替代如圖8所示的另選控制體系。流路徑和流部件以實線示出，控制鏈路和控制部件用虛線示出。圖8中的燃料系統和圖9中的燃料系統之間的唯一區別在于，圖9中的燃料系統還包括設置在旋風分離器1的第二出口 4的下游處的閥72，以使一部分流71沿著凈化流線路73轉向泵31。閥 72由控制器87基于來自于傳感器86的信號來控制，以使流71中的合適量的凈化燃料轉向泵31，以夾帶到供應給射流泵35的推動流74中。射流泵35將混合流75排出到旋風分離器1的入口 2。在該情形中，控制器87不影響被傳輸到旋風分離器1的入口 2的流率。因此，旋風分離器1的操作特性(即，吞吐量和G-力)不被控制器87改變。通過控制流向泵31的凈化燃料流73，推動流74中的水濃度可變化，最終混合流75中的水濃度可變化。流向泵 31的高凈化燃料流率會降低混合流75中的懸浮水濃度，反之亦然。由此，可控制流向發動機88的流63中的懸浮水濃度。圖10是包括旋風分離器1的燃料系統的另選總體配置的框圖。在圖8和10中示出的相同附圖標記指代相同的實體。如圖10所示的燃料系統與如圖8所示的燃料系統的不同之處在于，省略了射流泵 35和儲槽22，并且泵31被設置成將燃料(包括懸浮在其中的任何水)的大體積流45從罐 20朝向旋風分離器1的入口 2泵送。從泵31排出的流45夾帶來自于罐20的燃料(包括懸浮在其中的任何水)流51以形成混合流46。流46被稱為混合流，這是因為流45和流51 在從罐20的不同部分得到時可包含不同濃度的懸浮水。混合流46被供應到旋風分離器1 的入口 2。通過控制泵31，傳送到旋風分離器1的流46可變化，從而控制旋風分離器的操作特性(即，吞吐量和G-力)，如上文關于圖8所述。由此，可控制流向發動機88的流63中的懸浮水濃度。圖11是包括旋風分離器1的燃料系統的另選總體配置的框圖。在圖9和圖11中示出的相同附圖標記指代相同的實體。如圖11所示的燃料系統與如圖9所示的燃料系統的不同之處在于，省略了射流泵 35和儲槽22，并且泵31被設置成將燃料(包括懸浮在其中的任何水)的大體積流76從罐 20朝向旋風分離器1的入口 2泵送。從泵31排出的流76夾帶來自于罐20的燃料(包括懸浮在其中的任何水)流51以形成混合流77。混合流77被供應到旋風分離器1的入口 2。通過控制流向泵31的凈化燃料流73，可改變被傳送到旋風分離器1的入口 2的混合流77中的水濃度。控制器87不影響旋風分離器1的運行特性(即，吞吐量和G-力)。 由此，可按照與上文參考圖9列出的類似方式來控制至發動機88的流63中的懸浮水濃度。可如以下所述修改包括燃料罐、發動機、發動機供應泵和發動機供應線路的現有燃料系統以適合于本發明。一個或更多個旋風分離器需要流體連接在燃料罐與發動機供應線路之間，其中第一出口朝向發動機供應線路排出，第二出口向燃料罐回排。飛行器燃料系統可包括通過管件網連接的多個罐并且具有一個或更多個發動機供應系統。發動機供應系統可為用于推進和/或用于飛行器設備/系統的一個或更多個發動機提供動力。術語“發動機”是指消耗燃料的任何裝置，即內燃機、汽輪機和燃料電池等寸。每個發動機供應系統可使用至少一個旋風分離器。在一些情形中，可使用更多個旋風分離器以滿足發動機供應系統的燃料需求。它們通常被并聯設置。然而，旋風分離器可另選地級聯(串聯)設置，以改進分離效率，其中上游旋風分離器的第一出口向下游旋風分離器的入口排放。此外，旋風分離器可用于以增加一個罐中的水濃度為代價降低另一個罐中的水濃度。該策略可用于將水約束在有限數量(例如，一個或兩個)的罐中，其中與其他罐中相比， 這些罐可能更容易接近以通過儲槽中的排水閥來排出水。圖12描述了具有兩個罐和一個發動機供應系統的這種燃料系統的總體配置的框圖。燃料系統主要包括與圖8所示的燃料系統類似的第一和第二燃料系統。第一燃料系統中的與圖8中的燃料系統的部件相同的部件用相同的附圖標記加上撇號(‘)來表示。第二燃料系統中的與圖8中的燃料系統的部件相同的部件用相同的附圖標記加上雙撇號(") 來表示。流路徑和流部件用實線示出，控制鏈路和控制部件用虛線示出。如圖12所示的燃料系統被設置成使得其優選地降低第一燃料罐20'中懸浮水的濃度。在第一燃料罐20'中不存在發動機供應線路入口。在第二燃料罐20"中的發動機供應線路入口不僅夾帶流量61"和62"(根據圖8中的配置)，而且夾帶來自于第一旋風分離器1'的第一出口的出口流61'(密度較大的流)以及來自于第二燃料罐20"內的第二流162。發動機供應線路入口不夾帶來自于第一燃料罐20'內的流量。來自于第二旋風分離器1"的第二出口的出口流71"(密度較小的凈化燃料流)排放到第一燃料罐20' 中。被供應到旋風分離器的罐內燃料可包括一些懸浮水微滴。此外，來自于罐的燃料可與從罐的底部處的水池中吹掃的水混合，所述水在被供應到旋風分離器之前通過射流泵等分配在燃料中。現有燃料系統可能已經包括除水射流泵系統，或者可在安裝旋風分離器時安裝這樣的系統。燃料系統例如可如圖8、圖9或圖12所示設置。另選地，燃料系統可不具有除水射流泵系統，使得旋風分離器被設置在例如如圖10和11所示的加壓燃料系統中。 在任一情形中，燃料被從罐供應到旋風分離器的入口。旋風分離器的第一出口在要被發動機供應泵占用并且供應到發動機的發動機供應線路方向上排放富含水的燃料。例如，在旋風分離器的第一出口之間的流體連接可如圖 3所示設置(在圖6中詳細示出)或者如圖7所示設置。在燃料系統中安裝用于控制供應到旋風分離器的入口的流的控制系統。例如，該控制系統可以是如圖8至圖11中所示的任何一個。在這些配置中的控制系統包括控制器和在發動機供應線路中的傳感器，所述控制器根據傳感器輸出信號來控制在旋風分離器的入口上游的燃料流。連接旋風分離器的第二出口以便將凈化燃料排出到罐(如圖8至圖11的配置中所示)，以及還可排出到旋風分離器的入口上游的射流泵或加壓燃料系統(如圖9和圖11 所示)。將理解的是，可類似地使用其他流配置。重要地，具有相對高濃度的水的大體積燃料流必須經由加壓系統或射流泵等從燃料罐抽取并供應到旋風分離器的入口。圖13描述了本發明的用于在燃料系統中使用的另選旋風分離器101。旋風分離器 101的與旋風分離器1中的對應的特征被賦予相同的附圖標記，但是在圖13中以“100”序列編號。旋風分離器101與旋風分離器1的唯一不同之處在于，穿孔的多孔內壁116內置于殼體105內以形成腔117。腔117被設置在殼體105的內壁與旋風分離器101的內部容積之間。腔117具有流體入口 118。在使用中，凈化燃料從第二出口 104排出的流中抽出， 并且在壓力下經由入口 118被泵送到腔117中。可使用合適的閥裝置從第二出口 104排出的流中抽出凈化燃料，并且設置合適的泵，以將抽出的燃料泵送到入口 118中。可任選地設置熱交換器112，用于加熱腔117中的凈化燃料。在泵的壓力下，腔117中的凈化燃料被驅動通過穿孔的內壁116，以在壁116的內側上形成溫熱的凈化燃料層，以便防止來自于螺旋流109的水/冰粘到壁116上。這消除了對旋風分離器101的內側上的疏水或防冰涂層的需要。旋風分離器101的其余特征和功能與旋風分離器1中的相同。由于旋風分離器往往從第一出口而不是第二出口排出任何顆粒物質，因此可在發動機供應系統中設置合適的過濾裝置，如上所述。此外，可在旋風分離器的上游設置合適過濾裝置，以在流進入到旋風分離器之前過濾掉較大顆粒物質。這種過濾器可能需要被定期地清潔或更換。旋風分離器用于防止任何殘余顆粒物質繞燃料罐再循環，因為顆粒物質將從第一出口而不是第二出口被排出，以通過發動機供應系統的過濾器收集。包括燃料罐、旋風分離器、發動機以及各種供應線路的燃料系統可以是飛行器燃料系統。然而，燃料系統實質上可以位于任何陸上或基于水的交通工具中，例如船只或貨車。在飛行器燃料系統的情形中，旋風分離器的熱交換器可由在飛行器內的任何熱源驅動，所述熱源例如是產生廢熱的電氣或液壓系統。雖然已經在上文參考一個或多個優選實施方式描述了本發明，但是應理解的是，在不偏離由所附權利要求限定的本發明的范圍的情況下可做出各種變化或修改。
權利要求
1.一種燃料系統，其包括液體燃料罐、發動機以及旋風分離器，所述旋風分離器具有流體連接到所述燃料罐的入口、流體連接到發動機燃料供應系統的第一出口、以及第二出口， 其中，所述旋風分離器適于將密度相對較大的材料從所述第一出口排出，將密度相對較小的材料從所述第二出口排出。
2.根據權利要求1所述的燃料系統，其中，所述第二出口流體連接到所述燃料罐。
3.根據權利要求1或2所述的燃料系統，其中，所述旋風分離器的所述入口被連接到燃料線路，所述燃料線路適于在燃料在所述供應線路中流動時夾帶燃料和水或冰的混合物。
4.根據權利要求3所述的燃料系統，其中，所述燃料線路被連接到燃料泵或者形成用于傳輸燃料的加壓系統的一部分。
5.根據前述權利要求中任一項所述的燃料系統，其中，所述發動機燃料供應系統適于在燃料在該供應系統中流動時夾帶來自于所述燃料罐的燃料。
6.根據前述權利要求中任一項所述的燃料系統，其中，所述旋風分離器包括熱交換器。
7.根據前述權利要求中任一項所述的燃料系統，其中，所述旋風分離器的內表面包括疏水和/或防冰涂層。
8.根據權利要求1至6中任一項所述的燃料系統，其中，在所述旋風分離器內設置多孔壁。
9.一種飛行器，所述飛行器包括根據前述任一權利要求所述的燃料系統。
10.一種從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體燃料；使用旋風分離器將該燃料罐中的液體燃料分離為富含水的燃料和凈化燃料；以及將所述富含水的燃料排出到發動機。
11.根據權利要求10所述的方法，該方法還包括將所述凈化燃料返回至所述燃料罐中。
12.根據權利要求10或11所述的方法，其中，所述富含水的燃料在被供應到所述發動機之前與來自于所述燃料罐的燃料混合。
13.根據權利要求10至12中任一項所述的方法，其中，所述旋風分離器被加熱以防止冰積聚。
14.根據權利要求10至13中任一項所述的方法，所述方法被實施在飛行器上。
15.根據權利要求14所述的方法，其中，在飛行器的飛行的巡航階段實施所述方法。
16.一種在燃料系統中安裝旋風分離器的方法，所述燃料系統包括液體燃料罐和發動機，所述旋風分離器具有入口、第一出口以及第二出口，所述旋風分離器適于將密度相對較大的材料從所述第一出口排出，將密度相對較小的材料從所述第二出口排出，所述方法包括將所述入口流體連接到所述燃料罐，將所述第一出口流體連接到發動機燃料供應系統。
17.根據權利要求16所述的方法，該方法還包括將所述第二出口流體連接到所述燃料罐。
18.根據權利要求16或17所述的方法，其中，所述燃料系統位于飛行器上。
全文摘要
一種燃料系統，其包括液體燃料罐、發動機以及旋風分離器，所述旋風分離器具有流體連接到燃料罐的入口、流體連接到發動機燃料供應系統的第一出口、以及第二出口。旋風分離器適于將密度相對較大的材料從第一出口排出，將密度相對較小的材料從第二出口排出。燃料系統可用于通過使用旋風分離器將罐中的液體燃料分離為富含水的燃料和凈化燃料而從燃料罐移除水或冰。富含水的燃料被排放到發動機中，在所述發動機中水與燃料一起被燒掉。旋風分離器可在現有燃料系統中進行改裝。燃料系統可位于飛行器中。
文檔編號B64D37/00GK102348486SQ201080011279
公開日2012年2月8日 申請日期2010年3月5日 優先權日2009年3月11日
發明者J·K-W·拉姆 申請人:空中客車操作有限公司