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具有 涡轮 泵的气体 燃料系统

阅读：1020发布：2020-10-26

专利汇可以提供具有涡轮泵的气体燃料系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及具有涡轮泵的气体燃料系统。具体地，提供了一种用于机器的燃料系统。所述燃料系统可包括泵，所述泵具有限定有入口和出口的主体。所述泵还可具有与所述入口流体连通的压缩机部分、与所述出口流体连通的涡轮部分以及形成在所述压缩机部分的出口和所述涡轮部分的入口之间的导管。所述燃料系统还可包括结合于所述导管的换热器、与所述入口连通的液体燃料供应源以及与所述出口连通并配置为接收气体燃料的蓄集器。，下面是具有涡轮泵的气体燃料系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于机器的燃料系统，包括：
泵，所述泵具有：
限定有入口和出口的主体；
与所述入口流体连通的压缩机部分；
与所述出口流体连通的涡轮部分；以及
形成在所述压缩机部分的出口和所述涡轮部分的入口之间的导管；
结合于所述导管的换热器；
与所述入口连通的液体燃料供应源；以及
与所述出口连通并配置为接收气体燃料的蓄集器。
2.根据权利要求1所述的燃料系统，其特征在于，还包括将所述涡轮部分连接到所述压缩机部分的轴。
3.根据权利要求1所述的燃料系统，其特征在于，所述换热器配置为使发动机冷却剂循环以加热通过所述导管的液体燃料。
4.根据权利要求1所述的燃料系统，其特征在于，所述导管配置为使液体燃料气化，从而产生气体燃料。
5.根据权利要求1所述的燃料系统，其特征在于，所述液体燃料是液化天然气(LNG)。
6.一种操作燃料系统的方法，所述燃料系统包括泵，所述泵具有压缩机部分、涡轮部分和导管，所述方法包括：
在所述压缩机部分内对液体燃料加压；
使所述液体燃料通过所述导管；
在所述导管内加热所述液体燃料以使所述液体燃料气化为气体燃料；
允许所述气体燃料在所述涡轮部分内膨胀以给所述涡轮部分提供动力；
用所述涡轮部分的动力驱动所述压缩机部分；以及
将所述气体燃料引导到发动机。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，用所述涡轮部分驱动所述压缩机部分包括使连接所述涡轮部分和所述压缩机部分的轴旋转。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，加热所述液体燃料包括使发动机冷却剂循环通过所述导管处的换热器。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括在所述涡轮部分的动力不足时经由所述轴输入额外的动力以驱动所述压缩机部分，以及在所述涡轮部分的动力过量时经由所述轴吸收额外的动力。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括将气体燃料从所述涡轮部分引导到发动机。

说明书全文

具有涡轮 泵的气体 燃料系统

技术领域

[0001] 本发明大体上涉及一种气体燃料系统，更具体地涉及具有涡轮泵的气体燃料系统。

背景技术

[0002] 用气体燃料提供动力的发动机在机车应用中是常见的。例如，机车的发动机可单独由天然气提供动力，或由天然气和柴油燃料的混合物提供动力。用机车运输的天然气的优选形式是液化天然气(LNG)，这是因为其更高的能量密度。天然气通过冷却到约-162℃(-260°F)可凝结为液体，并随后被储存在冷藏或加压的容器或罐中。液化天然气随后可在输送到机车发动机前通过加热转化为气态。

[0003] 随着对减排和增效的需求的提高，以越来越高的压力向发动机输送天然气(即，高压直接喷射)成为优选。将天然气转换和加压至期望的压力可由气体压缩机、线性活塞泵或其它高压泵完成。然而，这些方法对发动机整体功效(大小或品质方面)带来不可接受的附加损失，削弱了天然气作为燃料源的经济可行性。因此，希望获得对天然气转换和加压的能效高的方法。

[0004] 1994年12月27日授权给Stolz等人的美国专利No.5,375,580(“’580专利”)中描述了一种尝试将液体燃料转换和加压为用于输送到发动机的压缩的气体燃料的方法。’580专利描述了由利用串联的高压泵和汽化器转换和加压的冷藏液体燃料驱动的机车。

[0005] 尽管’580专利的方法可能能够将冷藏的液体燃料转换和加压为加压的气体燃料，但其仍不太理想。具体地，’580专利中描述的高压泵的操作可能产生大量附加损失。由此，机车的能量效率以及使用天然气的优势都会削弱。

[0006] 所公开的燃料系统旨在克服上述的一个或多个问题和/或现有技术的其它问题。

发明内容

[0007] 一方面，本发明涉及一种用于机器的气体燃料系统。所述燃料系统可包括泵，所述泵具有限定有入口和出口的主体、与所述入口流体连通的压缩机部分、与所述出口流体连通的涡轮部分以及形成在所述压缩机部分的出口和所述涡轮部分的入口之间的导管。所述燃料系统还可包括结合于所述导管的换热器、与所述入口连通的液体燃料供应源以及与所述出口连通并配置为接收气体燃料的蓄集器。

[0008] 另一方面，本发明涉及一种操作燃料系统的方法，所述燃料系统包括泵，所述泵具有压缩机部分、涡轮部分和导管。所述方法可包括在所述压缩机部分内对液体燃料加压并使所述液体燃料通过所述导管。所述方法还可包括在所述导管内加热所述液体燃料以使所述液体燃料气化为气体燃料。所述方法还可包括允许所述气体燃料在所述涡轮部分内膨胀以给所述涡轮部分提供动力，用所述涡轮部分驱动所述压缩机部分以及将所述气体燃料引导到发动机。

[0009] 另一方面，本发明涉及一种组合列车(train consist)。该组合列车可包括配置为保持液体燃料供应源的补给车箱、具有发动机的机车和配置为从液体燃料供应源吸取液体燃料并将液体燃料引导到发动机的泵。所述泵可包括限定有入口和出口的主体，所述入口与液体燃料供应源连通，所述出口与发动机连通。压缩机部分与所述泵的入口流体连通。所述泵还可包括与所述出口流体连通的涡轮部分以及形成在压缩机部分的出口和涡轮部分的入口之间的导管。所述组合列车还可包括结合于所述导管并配置为从发动机接收冷却剂以加热所述导管中的液体燃料的换热器。
附图说明

[0010] 图1是具有示例性公开的燃料系统的可动式机器的概要图。

具体实施方式

[0011] 图1示出与可动式机器(具体为组合列车12)相关的示例性燃料系统10。组合列车12可具有一个或多个机车14和补给车箱16。机车14可联接成牵引补给车箱16，并且补给车箱16可配置为保持液体燃料供应源。液体燃料可经由燃料系统10被提供到机车14的一个或多个发动机18。然而应注意，燃料系统10可根据需要与其它可动的或静止的设备相关联。

[0012] 燃料系统10可包括协作配合成向发动机18提供例如为加压的天然气(CNG)的加压气体燃料的多个组成部分。这些组成部分可尤其包括液体燃料的罐20和泵22，该液体燃料例如为液化天然气(LNG)，该泵22配置为将来自罐20的液体燃料加压并气化为加压的气体燃料。燃料系统10还可包括配置为保持从泵22接收的加压的气体燃料供应的蓄集器24、换热器26和流体连接到蓄集器24的一个或多个压力调节装置。在所公开的实施例中，示出了两个压力调节装置，包括排放装置28和调节器30。排放装置28可设置成选择性地使蓄集器24与大气相通，而调节器30可布置在将蓄集器24连接到发动机18的供应线路
32内。调节器30可配置为调节向发动机18供应的加压气体燃料的压力。

[0013] 罐20可实施为配置成将液体燃料保持为液化状态的低温贮罐。在示例性实施例中，罐20是将液体燃料的温度保持在沸点(例如对于LNG约-165℃)以下的绝热罐。可设想，罐20可根据需要具有用于处理LNG的常规设备，例如冷却器、循环器、加热器、通风机等。

[0014] 蓄集器24可实施为配置成储存供发动机18将来使用的压缩的气体燃料的高压容器。当来自泵22的压缩的气体燃料的压力超过蓄集器24的压力时，压缩的气体燃料可流动到蓄集器24中。由于其中的压缩的气体燃料可压缩，它可像弹簧一样工作并将尽可能多的气体压入其中。可设想，蓄集器24在需要时可替换地实施为隔膜/弹簧偏压的或囊袋式的蓄集器。

[0015] 排放装置28和调节器30尽管用于不同目的，但能以类似的方式工作。具体地，排放装置28可配置为以不危害排放装置28的完好性的受控方式(即，以受控的压力和温度)选择性地允许压缩的气体燃料从蓄集器24排放到大气中。调节器30可类似地以受控的方式允许压缩的气体燃料从蓄集器24排放。然而，与排放装置28相比，调节器30可将排放的气体燃料经由供应线路32引导到发动机18。

[0016] 换热器26可结合于泵22或邻近泵22，并配置为加热通过泵22的燃料。在一个实施例中，换热器26可与使发动机冷却剂循环通过发动机18的冷却剂回路流体连通。换热器26可配置为使发动机冷却剂循环，从而使得来自发动机18的热量能由换热器26转移。换热器26的构型可变化。例如，换热器可以是壳体和管式、板和框架式或其它类似的换热器。可设想，如果需要，换热器26内用于加热燃料的热量可来自其它来源。例如，热量可来自由机车再生制动系统供给能量的电阻式加热元件。

[0017] 泵22可配置为接收来自罐20的液体燃料，对液体燃料加压并气化以产生加压的气体燃料。泵22可包括限定有入口36和出口38的主体34。泵22还可包括压缩机部分40、涡轮部分42以及位于压缩机部分40和涡轮部分42之间并将它们连接的导管44。

[0018] 压缩机部分40可与入口36流体连通并配置为从罐20接收液体燃料并将液体燃料压缩到期望的压力以产生加压的液体燃料。在一个示例中，压缩机部分40是多级压缩机，其例如具有四个压缩级。每个压缩级都可增大液体燃料的压力，例如在每级使压力翻倍。可设想，压缩机部分40可具有多于或少于四个的压缩级。还可设想，每个压缩级的输出压力可大于或小于输入压力的两倍。可基于供应到压缩机部分40的液体燃料的压力和/或发动机18的燃料喷射设计压力来确定级数。

[0019] 导管44可形成在压缩机部分40的出口和涡轮部分42的入口之间。导管44例如可以是收缩-扩张型喷嘴。导管44可具有收缩部分、扩张部分和它们之间的喉部。导管44可配置为在导管44的收缩部分中接收来自压缩机部分40的加压的液体燃料，并且将其引导通过喉部并从扩张部分导出。导管44的横截面积可在收缩部分中朝向喉部变窄。喉部的横截面积可表示导管44的最小横截面积。横截面积可随着远离喉部而经过导管44的扩张部分增大。由于导管44的横截面积在收缩部分中变窄，所以加压的液体燃料的速度在质量流率保持不变的同时可增大。在导管44的喉部内，加压的液体燃料的速度可成为音速。可设想，导管44可以是配置为连接压缩机部分40的出口和涡轮部分42的入口的任意类型的流体连接器(例如管道、管线、通道等)。例如，导管44可以是与压缩机部分40的出口和涡轮部分42的入口流体连通的大致直的管道。

[0020] 通过导管44的加压的液体燃料可由换热器26加热。换热器26可结合于导管44或邻近导管44。例如，换热器26可配置为环绕导管44的喉部。换热器26可使已经被发动机18加热的发动机冷却剂循环，以加热流过导管44的加压的液体燃料。

[0021] 随着加压的燃料移动通过导管44，其可能气化并成为加压的气体燃料。加压的气体燃料可流过横截面积增大的涡轮部分42，从而使加压的气体燃料能够膨胀并使速度增大到超音速。

[0022] 涡轮部分42可以是配置为由加压的气体燃料随着其离开导管44并通过涡轮部分42而膨胀所驱动的旋转式机械装置。涡轮部分42可配置为驱动压缩机部分40。涡轮部分
42可以是多级涡轮。涡轮部分42可与压缩机部分40具有相同级数或不同级数。

[0023] 泵22还可包括机械联动装置，例如轴46。轴46可连接涡轮部分42和压缩机部分40。轴46可配置为将由加压的气体燃料膨胀所产生的涡轮部分42的动力/能量传递(例如，旋转)到压缩机部分40。压缩机部分40可利用涡轮部分42的驱动动力以减小为了操作而从其它来源所需的动力。其它动力源例如可包括发动机18或其它的动力产生机械。其它动力源可联接到轴46并配置为在需要时(例如，涡轮部分42的动力输出不足)将额外的动力输入到压缩机部分40或配置为吸收从涡轮部分42产生的过量的动力。

[0024] 工业实用性

[0025] 所公开的燃料系统在许多气体处理情形中有潜在应用。所公开的燃料系统尤其在可动式气体燃料处理系统中有所应用，例如在组合列车中。所公开的燃料系统可有助于向组合列车的发动机提供加压气体燃料的能效高的输送。本文所用的液体燃料可以是液化石油气、液化丙烷、冷藏液态甲烷、液化天然气或储存为液体但在使用前气化的其它类似燃料。现在描述燃料系统10的操作。

[0026] 参照图1，燃料系统10的操作可开始于从罐20吸取液体燃料并将其供应到泵22的入口36。必要时，可使用进给泵21从罐20吸取液体燃料并将其供应到泵22。供应到入口36的液体燃料的压力可基于系统的液压参数以及进给泵21的存在和/或进给泵21的容量而改变。例如，进给泵21可配置为以45bar以上的压力向泵22供应液体燃料。

[0027] 供应到入口36的液体燃料随后可被引导成流入压缩机部分40中。在压缩机部分40内，液体燃料可经历多级压缩。例如，第一级压缩可使液体燃料从约45bar加压到约90bar。第二级压缩可使液体燃料从约90bar加压到约180bar。第三级压缩可使液体燃料从约180bar加压到约360bar。第四级压缩可使液体燃料从约360bar加压到约720bar。在另一实施例中，液体燃料可经历比四级更多或更少的压缩。

[0028] 压缩机部分40的出口随后可将加压的液体燃料引导至导管44。在导管44内，加压的液体燃料可由从换热器26传递的热量加热。燃料的温度可被提高到典型的发动机燃料操作温度，例如约40°F至约60°F或更高。

[0029] 随着加压的液体燃料被加热，液体燃料可气化并成为加压的气体燃料。应理解，在泵22内并且尤其是利用导管44，燃料可处于超临界状态，其中可不存在明显区分的液相和气相。当描述通过导管44的流动时，术语“加压的液体燃料”和“加压的气体燃料”的使用用于简化描述。加压的气体燃料在流出导管44并通过涡轮部分42的入口时可膨胀。

[0030] 在涡轮部分42内，加压的气体燃料可体积膨胀并且速度增大，从而驱动涡轮部分42和轴46来向压缩机部分40供应动力。轴46可被涡轮部分42直接驱动或通过一个或多个互联齿轮(未示出)被间接驱动。轴46可将涡轮部分42的旋转动力传递到压缩机部分
40(即，传递到一个或多个压缩级)。在一个实施例中，压缩机部分40使用的加压的气体燃料的膨胀可小于操作压缩机部分40所需的动力的总量。在该实施例中，由于利用加压的气体燃料在涡轮部分42内的膨胀，可减小来自别的来源(例如，发动机18)的所需的额外动力的量。利用气体燃料的膨胀来驱动压缩机部分40可将压缩机部分40的动力需求减小例如至少10％。

[0031] 随着加压的气体燃料流过涡轮部分42并膨胀及驱动轴46，加压的气体燃料的压力减小。例如，从涡轮部分42及泵22的出口38排出的加压的气体燃料的压力可减小约一半(例如，减小到约360bar)。

[0032] 从泵22排放的加压的气体燃料可被引导到蓄集器24中。加压的气体燃料随后可从蓄集器24通过调节器30并经由供应线路32被引导到发动机18中。调节器30可配置为根据高压直接喷射设计来调节被引导到发动机18的加压的气体燃料的压力。

[0033] 本领域技术人员应理解可对所公开的燃料系统进行各种改变和变化。通过考虑本说明书和对所公开构思的实践，其它实施例对于本领域技术人员是显而易见的。说明书和示例旨在被认为仅是示例性的，真正范围由所附权利要求及其等同物表示。

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