用于在飞行器中处理氢流的离心储器泵

技术领域

本发明涉及一种用于在飞行器中处理氢流的离心储器泵。特别地，本发明涉及一种离心储器泵，其包括：泵壳体；氢流进口；转子，转子以可旋转方式布置在泵的内部部分中，并且转子包括转子叶片，转子叶片用于加速所述氢流；以及两个氢流出口。

此外，本发明涉及一种罐单元，其包括离心储器泵和用于氢的储器。此外，本发明涉及一种飞行器，其包括离心储器泵或罐单元。更进一步，本发明涉及一种在飞行器中处理氢的方法。

背景技术

飞行器行业的一个基本挑战涉及推进技术中的脱碳。人们对于用对全球气候的影响而言中性的替选燃料代替化石燃料有着巨大的兴趣。一种有希望的替选方案是氢。

氢作为燃料具有许多优点，例如密度低、易于生产且成本低。因此，近年来的方法集中在以氢为燃料。为了以可接受的重量和能量密度储存氢，需要使用液态氢，因为液态氢具有约70kg/m

液态氢需要在飞行器外冷却，然后填充到飞行器的罐中。一旦填充到罐中，液态氢开始升温，因为液态氢通常不被主动冷却，并且在取决于压力的特定温度下，液态氢开始沸腾，导致压力升高。为了限制热进入和由此产生的压力上升，罐用包围氢罐的多层式隔热件和真空来隔热。外罐承载内罐，由多层式隔热件和真空包围的内罐安装在外罐中。内罐由极轴座架或轴承承载，所有管道都穿过所述极轴座架或轴承。氢穿过从内罐底部开始的管道，然后向上穿过极轴座架，并再次向下到达罐系统组件。

通常，氢罐可以作为压力供给或泵供给变体操作。由于罐需要在较高压力下操作，所以压力供给变体具有较大重量。因而，泵供给变体具有较小重量，这对于飞行器应用是高度期望的。

随着罐内部的氢不断升温，氢将达到在平衡状态下不再是液体的温度。氢开始沸腾，气态氢的量增加而液态氢的量减少。然而，液态燃料代表传递到飞行器的发动机的使用燃料。用于向发动机供给氢的泵只能容忍氢流中有限量的气态氢，然后开始出现气蚀，导致性能和寿命降低。

除了由于温度升高导致气态氢量的上升，还存在施加到飞行器上的负g事件，其导致氢流中液相和气相的混合物。用于将氢供给到发动机的泵可能很费劲，因为罐内部的液态氢和气态氢由于g力而改变位置，即，处于湍流，使罐的输出在泵的方向上传送气态氢。在最坏的情况下，飞行器的推力可能会中断。

存在从液态氢中分离气态氢的需要，由此分离的气态氢可以被传回罐中。装置必须轻和小。本发明的基本问题涉及提供一种满足上述需要并克服上述问题的装置。特别地，本发明的基本问题涉及提供一种装置，其向飞行器的发动机提供非化石燃料的可靠供应。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于在飞行器中处理氢流的离心储器泵，包括：泵壳体，泵壳体围封泵的内部部分；氢流进口；转子，转子以可旋转方式布置在泵的内部部分中，并且转子包括转子叶片，转子叶片用于垂直于转子的旋转轴线加速氢流，并用于在圆周方向上加速氢流；第一氢流出口以及第二氢流出口。

离心储器泵解决了上述问题。包含气态氢相和液态氢相的氢流经由氢流进口进入离心储器泵(在下文中也简单地命名为“泵”)。也可能的是，氢流仅由液态或气态氢组成。转子以可旋转方式布置在泵的内部部分中。

通过转子的旋转，氢流被加速。首先，通过施加离心力使氢流垂直于旋转轴线加速。因而，氢流被朝着泵壳体并远离泵的旋转轴线加速。另外，氢流在圆周方向上被加速。氢流被传送到旋转运动中，就像在离心机中一样。这种由旋转产生的“人工”g力代表用于分离成液态氢和气态氢的驱动力。迫使液态氢与泵壳体相邻，而气态氢与泵内部的旋转轴线相邻。液态氢和气态氢的分离通过施加的离心力(即，g力)(起人工g负荷作用)完成，该离心力由于液态氢和气态氢的密度差而将两者分离。

泵产生的所需g力，即人工g负荷，必须高于飞行过程中施加给飞行器的负g力。泵内的液态氢的量必须足以在短期内满足发动机的需求。本文所述的泵解决了仅向发动机供应液态氢流或向给发动机供应液态氢的另一泵供应液态氢流的问题。需要两个出口，以分别卸载液态氢流和气态氢流。

在优选实施例中，提供了一种泵，其中，第一氢流出口到旋转轴线的距离大于第二氢流出口到旋转轴线的距离。该实施例是一种实际上使得泵能够分别释放液态氢流和气态氢流的替选方案。

在优选实施例中，在泵中布置多于两个出口。该实施例与不需要检测气/液界面的液位的有益效果相关联。至少最靠近泵壁的出口引出液态氢。如果另外的出口也引出液态氢，则液态氢可以被检测到，并向下游被传送到旋转泵或发动机。

在进一步的优选实施例中，提供了一种泵，其中，所述泵用于处理包括液态氢流部分和气态氢流部分的氢流，并且第一氢流出口被布置成允许将液态氢流部分卸载出泵，第二氢流出口被布置成允许将气态氢流部分卸载出泵。在这后两个优选实施例中，用于氢的两个出口被布置成使得一方面是第一出口的端头部分与液态氢接触，并且第二出口的端头部分与气态氢接触。这些流的强制运动导致液态氢在外部部分(即，随后收集液态氢的保持架)的方向上分离。更靠近旋转轴线收集气态氢流。收集这些相的最简单方式通过溢出(flush)出口给出。泵内部的压力高于泵外部的压力，这使泵传送出对应的相。

根据优选实施例，提供了一种泵，其中，第一氢流出口和/或第二氢流出口包括皮托管，其中皮托管在竖向上面对圆周方向。

皮托管在泵的内部部分面对对应的流，即，液态氢流和/或气态氢流具有朝向皮托管的运动方向。氢流的速度矢量指向皮托管。这种布置允许对应的流向出口下游流动。皮托管拾取对应的流。皮托管的使用使泵成为皮托管泵。皮托管泵应被理解为特定的离心储器泵。

在进一步的优选实施例中，泵包括泵壳体，泵壳体包括泵外壳和保持架，其中，保持架以可旋转方式布置。泵外壳和保持架一起形成泵壳体。根据本发明，泵可以包括以可旋转方式布置的保持架，或者根本没有保持架。

泵外壳起泵的盖板或遮盖物的作用。保持架形成用于泵的内部部分的壁。因为保持架以可旋转方式布置在泵中，所以提供了在圆周方向上加速液态氢流的可能性。

根据进一步的优选实施例，泵包括转子叶片，转子叶片表现为转子管，以将转子管内的氢流从氢流进口传送到泵的内部部分。通过这种布置，氢流在氢进口下游被有效地加速。在该实施例中，转子叶片不一定具有叶片的形式。

氢流从泵的中心进入泵。根据优选实施例，提供了一种泵，其中，转子包括轴，所述轴形成轴管，轴管将氢流进口与泵的内部部分连接，其中优选地，低压机械密封件布置在氢流进口的下游和轴管的上游。可以安装或可以不安装机械密封件，以减少到保持架与泵外壳之间的空间中的泄漏。

根据进一步的优选实施例，提供了一种泵，其中，以可旋转方式布置的保持架包括通孔，所述通孔用于使液态氢进入泵外壳与保持架之间的间隙，从而能够实现静压轴承；或者其中，以可旋转方式布置的保持架没有通孔。该实施例实现了泵的保持架的有益支承。通孔提供了液态氢进入保持架与泵外壳之间的间隙的进口。由此，液态氢允许实施保持架的轴承。与省去这些通孔相关联的有益效果是避免了液态氢在泵外壳与保持架之间的摩擦。

进一步优选实施例涉及一种泵，其中，包括皮托管的第一氢流出口和/或第二氢流出口进一步包括最终管部分，所述最终管部分在皮托管的下游，其中最终管部分被布置成与氢流进口相邻。在该优选泵中，氢出口管中的一个或两个被布置成与进口管相邻，两个管(出口管之一和进口管)或者所有的出口管和进口管布置在泵的中心，即平行于泵的旋转轴线。这种布置提供了简单的出口和进口设计。

本发明的基本问题涉及提供一种装置，其满足上述需要并克服上述问题。特别地，本发明的基本问题进一步涉及提供一种装置，其向飞行器的发动机提供非化石燃料的可靠供应。

根据本发明的第二方面，通过一种用于飞行器的罐单元解决上述问题，罐单元包括用于氢的储器和离心储器泵。可替选地，上述问题通过皮托管泵解决。根据优选实施例，上述问题通过根据本发明的泵解决。

罐包含氢。如上所述，罐内部的氢是液态氢，其不可避免地在罐内部升温。当液态氢达到沸腾温度时，在气态氢与液态氢之间形成热力学平衡。通过使用离心储器泵或皮托管泵，优选地通过根据本发明的泵，液态氢可以与气态氢分离，然后，液态氢被传送到旋转泵，以进一步将压力增加的液态氢传送到飞行器的发动机，或者液态氢被直接传送到飞行器的发动机。

根据本发明的优选实施例，提供了一种罐单元，其中，用于氢的储器被多层式隔热件包围，优选地被能够在用于氢的储器的内部分与外部分之间热隔离的多层式隔热件包围。这样的多层式隔热件是本领域技术人员已知的。所述多层式隔热件使得能够保持热交换尽可能低。

本发明的基本问题进一步涉及提供一种飞行器，其满足上述需要并克服上述问题。特别地，本发明的基本问题进一步涉及提供一种飞行器，其中，确保了向飞行器的发动机可靠地供应非化石燃料。

根据本发明的第三方面，通过一种包括根据本发明的泵或包括根据本发明的罐单元的飞行器解决了本发明的基本问题。

保证了直接传送到发动机或经由旋转泵传送到发动机的氢是液相的氢。

本发明的基本问题又进一步涉及提供一种方法，其满足上述需要并克服上述问题。特别地，本发明的基本问题又进一步涉及提供一种方法，其向飞行器的发动机提供非化石燃料的可靠供应。

根据本发明的第四方面，本发明的基本问题通过一种在飞行器中处理氢的方法解决，其中，包括液态氢流部分和气态氢流部分的氢流通过氢流进口进入离心储器泵，然后，氢流部分在垂直于转子的旋转轴线的方向上及在圆周方向上被转子加速，由此将液态氢流部分与气态氢流部分分离,并且用第一氢流出口收集气态氢流部分，用第二氢流出口收集液态氢流部分。

该方法保证了只有液态氢被向下游供应到飞行器的发动机。

在执行根据本发明的方法时要解决的挑战涉及对气/液界面的精确位置的检测，其可能需要对气态(非)皮托管的位置的调整。由于液态氢比气态氢的密度更高，所以液态氢填充泵内部的靠近壁的空间。可以测量用于加速转子或旋转保持架的力，以便计算液态氢的质量，从而得出从保持架的壁测量的液态氢的高度。作为替选方案，可以测量氢的温度和压力，并且飞行器运动的关系给出了用于计算泵中液体质量的信息。

本发明的基本问题优选地通过一种方法来解决，所述方法通过使用根据本发明的泵来执行。

根据优选实施例，该方法执行通过在竖向上面对氢流的皮托管收集液态氢流部分和/或气态氢流部分的方法步骤。

皮托管对着被转子加速的氢流。这是收集对应的氢部分的最简单方式。

在优选实施例中，液态氢流部分随后在旋转泵中被处理。在离开液态氢出口后，液态氢流被传送到旋转泵。由此，液态氢流的压力增大。

与特定方面组合公开的优选实施例的特征应被视为作为用于所有其它方面的优选实施例的特征而被公开。因此，例如，指定为与第一方面的泵组合公开的优选实施例的特征应被视为被公开作为第二方面的罐单元的优选实施例的特征，或作为第三方面的飞行器的优选实施例的特征，或作为本发明第四方面的方法的优选实施例的特征。

附图说明

本发明的进一步特征、优点和应用选项在以下对附图中的示例性实施例的描述中公开。所有描述的和/或图示的特征本身以及以任何组合形式都形成本发明的主题，甚至不管它们在各个权利要求中的组成或它们的相互关系。

图1通过潜在皮托管出口或溢出出口的示例示出了一般原理。

图2示出了具有两个皮托管出口的旋转保持架皮托管泵。

图3示出了皮托管泵没有旋转主体，但有旋转翼或叶轮叶片，其迫使氢流进入旋转运动。

图4示出了根据图3的泵的替选方案，在此，转子延伸泵的内部的主要部分。

图5示出了具有皮托管、旋转保持架以及旋转保持架内的通孔的设计。

图6示出了具有密封的保持架的替选方案。

具体实施方式

在图1中示出了一般原理。视图与被引入泵的氢流平行，即，氢流进口1垂直指向纸平面。转子加速泵内部的氢流，从而迫使与气态氢2相比具有更高密度的液态氢3朝向保持架壁。因此，氢沿圆周方向流动。迫使液态氢3相中的氢气泡6到达液态氢3与气态氢2的界面7。所示的一般原理表示这样的示例，其可以使用皮托管4a、5a出口，或使用溢出出口，作为非皮托管4b、5b出口的示例。

图2在沿旋转轴线的横截面图中示出旋转保持架皮托管泵，该旋转保持架皮托管泵带有两个皮托管4a、5a出口。皮托管5a在远离旋转轴线并靠近旋转保持架壁的位置处聚集液态氢3。旋转保持架辅助在圆周方向上移动液态氢3。与该示例性泵相关联的有益效果是，气态皮托管4a出口的较低压力有助于对作为低压罐操作的罐的再加压。同时，液态氢皮托管5a出口增大压力，以分配给消耗器。在该示例性泵中，转子叶片17具有管的形式。在旋转保持架与进口/出口管之间存在动态密封件13。

图3中的皮托管泵示出了没有旋转主体的示例性实施例，但有旋转翼或叶轮叶片，其迫使氢流进入旋转运动。存在与氢流进口1管和转子叶片17相关联的轴承12。该示例性泵避免了在低温，即液态氢气氛中使用动态密封件。

在图4中示出了根据图3的泵的替选方案，在此，转子填充泵的内部。该示例性实施例不允许皮托管4a、5a出口被定位在泵的内部，因为转子叶片会与它们碰撞。因而，该示例性实施例利用非皮托管4b、5b的出口作为例如溢出出口。如果在泵外壳15与转子叶片17之间的间隙中的氢没有显示出太多的湍流(该湍流限制氢的旋转运动)，则可以将该示例性实施例付诸实践。

图5示出了带有皮托管、旋转保持架和在旋转保持架内的通孔的泵设计。保持架14是具有通孔的旋转保持架，所述通孔用于将液态氢3传送到泵外壳15与保持架14之间的间隙中。泵外壳15与保持架14共同形成泵壳体。所述间隙中的液态氢3形成静压轴承。该示例性实施例的转子形成为开槽架构，以便提供液态氢3的速度的最大增加。因此，液态氢皮托管5a中的压力可以达到高水平。氢流进口1和氢流出口10、11被布置在泵的中心。在泵的外部没有动态密封件。密封件位于保持架与管的外部之间。

图6示出了具有密封保持架的替选方案。旋转保持架由轴承承载，并对其周围进行“密封”。与图5中所示的示例性实施例的区别在于，这些密封件的泄漏是可以容忍的。预期围绕旋转保持架的气态氢2具有低粘度，所以由于保持架的旋转引起的温度升高不会被观察到有害影响。

作为图2至图5中所示的示例性实施例的替选方式，可以在泵中实现多个出口，即超过一个出口。

附图标记：

1 氢流进口

2 气态氢

3 液态氢

4a 气态氢皮托管/出口

4b 气态氢非皮托管/出口

5a 液态氢皮托管/出口

5b 液态氢非皮托管/出口

6 氢气泡

7 气态氢与液态氢的界面

8 最终管部分气态出口

9 最终管部分液态出口

10 第一(气态)氢流出口

11 第二(液态)氢流出口

12 轴承或静压轴承

13 动态密封件

14 保持架

15 泵外壳

16 密闭式马达

17 转子叶片