CN102434289A - 燃气涡轮发动机燃料控制推力控制超驰系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气涡轮发动机燃料控制推力控制超驰系统。本发明提供了一种燃气涡轮发动机燃料控制系统，其包括燃料计量阀和推力控制阀。燃料计量阀包括计量阀入口和计量阀出口。计量阀入口适用于接收燃料流，并被设置为控制流动通过计量阀出口的燃料流。推力控制阀适用于接收推力控制阀超驰信号，并被设置为响应所接收的信号，从第一位置移动到第二位置，其中在第一位置，不影响从计量阀流出的燃料流，在第二位置，阻止来自计量阀的燃料流同时允许燃料流通过固定面积孔。

Description

燃气涡轮发动机燃料控制推力控制超驰系统

优先权要求

本申请要求于2010年9月8日在美国临时申请61/380,941的优先权。

技术领域

本发明总体涉及燃气涡轮发动机，并特别涉及发动机燃料控制系统的推力控制超驰系统。

背景技术

用于飞机的燃料系统被设计为发动机供应高压燃料，该发动机向飞机提供动力。传统的燃气涡轮发动机燃料供应系统包括燃料源，例如燃料箱，和一个或多个泵。一个或多个泵从燃料箱中抽吸燃料并通过一个或多个供应管线将加压燃料输送至一个或多个主燃料负载和一个或多个副燃料负载。通常，通过例如主流动管线向主燃料负载供应燃料，其中主燃料负载包括位于发动机燃烧室中的燃料歧管。通过例如副流动管线向副燃料负载供应燃料，其中副燃料负载可包括动力流阀和调节器，一个或多个可变几何形状致动器，和一个或多个排放阀。

主流动管线可包括位于泵和燃料歧管之间并在流动方向上串联的一个或多个阀。这些阀通常包括至少一个计量阀和一个加压阀。计量阀通常被设置用来控制流向一个或多个主燃料负载的优先流动。加压阀，通常被设置在计量阀的下游，用于维持供应管线的多个部分中的最小系统压力大小。更具体的，加压阀通常将泵的排放背压维持在高于最小压力大小。

虽然可能性不高，但假设可能会出现供给发动机的计量燃烧流损失或增加。因此，许多飞机燃料系统被设计成具有推力控制超驰系统以适应这种假设事件。推力控制超驰系统的预期效果是，将流向发动机的燃烧流的速率设置在预定的恒定流动速率，通常接近发动机怠速状态。这是因为希望发动机处于怠速转速而不是关停发动机，从而允许发动机继续地驱动发电机和各种其他负载。但是，目前已知的大多数推力控制超驰系统相对比较复杂，并因而相对较贵。

因此，需要一种相对现有推力控制超驰系统较间单和/或便宜的推力控制超驰系统。本发明至少满足了这种需求。

发明内容

在一种以范例形式展示的实施方式中，燃气涡轮发动机燃料控制系统包括燃料计量阀和推力控制阀。燃料计量阀包括计量阀入口和计量阀出口。计量阀入口适用于接收燃料流。燃料计量阀还适用于接收燃料流命令信号，并被设置为响应所接收的信号，控制通过计量阀出口的燃料流。推力控制阀包括主入口，超驰入口和推力控制阀出口。主入口与计量阀出口流体连通，超驰入口与计量阀入口流体连通。推力控制阀适用于接收推力控制阀超驰信号，并被设置为响应所接收的信号，从一个第一位置移动到一个第二位置。在第一位置，推力控制阀出口与主入口流体连通并与超驰入口流体隔离，而在第二位置，推力控制阀出口与超驰入口流体连通并与主入口流体隔离。

在另一个实施方式中，燃气涡轮发动机燃料控制系统包括燃料泵，燃料计量阀，旁通阀，和推力控制阀。燃料泵适用于以泵入口压力接收燃料并以泵排放压力供应燃料。燃料计量阀包括计量阀入口和计量阀出口。计量阀入口被联接以接收来自燃料泵所供应的燃料的第一部分。燃料计量阀也适用于接收燃料流命令信号，并被设置为响应所接收的信号，控制通过计量阀出口的燃料流。旁通阀包括旁通阀入口和旁通阀出口。旁通阀入口与计量阀入口流体连通。旁通阀被设置为选择性地将来自燃料泵所供应燃料的第二部分旁通绕过燃料计量阀。推力控制阀包括主入口，超驰入口和推力控制阀出口。主入口与计量阀出口流体连通，所述超驰入口与计量阀入口和旁通阀入口流体连通。推力控制阀适用于接收推力控制阀超驰信号，并被设置为响应所接收的信号，在第一位置和第二位置之间移动。在第一位置，推力控制阀出口与主入口流体连通并与超驰入口流体隔离，而在第二位置，推力控制阀出口与超驰入口流体连通并与主入口流体隔离。

在另一个实施方式中，燃气涡轮发动机燃料控制系统包括燃料计量阀和推力控制阀。燃料计量阀包括计量阀入口和计量阀出口。计量阀入口适用于接收燃料流。燃料计量阀适用于接收燃料流命令信号，并被设置为响应所接收的信号，控制通过计量阀出口的燃料流。推力控制阀包括阀体，推力控制阀元件，和致动元件。阀体具有主入口，超驰入口，推力控制阀出口，形成在其中的阀控制压力入口端口，和设置在超驰入口和推力控制阀出口之间的固定面积计量端口。主入口与计量阀出口流体连通，超驰入口与计量阀入口流体连通。推力控制阀元件设置在阀体内并可在第一位置和第二位置之间移动，其中在第一位置，推力控制阀出口与主入口流体连通并与超驰入口流体隔离，在第二位置，推力控制阀出口与超驰入口流体连通并与主入口流体隔离。致动元件被联接以接收推力控制阀超驰信号，并被设置为响应所接收的信号，在高压位置和低压位置之间移动。在高压位置，阀控制压力入口端口适用于接收处于第一压力大小的流体，从而将推力控制阀元件移动到第一位置。在低压位置，阀控制压力入口端口适用于接收处于第二压力大小的流体，从而将推力控制阀元件移动到第二位置，其中第二压力大小低于第一压力大小。

此外，通过下文的具体描述和所附权利要求，并结合相应的附图和先前的背景技术，推力控制超驰系统其他有益的功能和特点将是显而易见的。

附图说明

本发明将在下文中结合以下附图进行描述，其中相同的数值符号代表相同的元件，其中：

附图1描述了燃气涡轮发动机燃料控制系统的示意图；

附图2和3分别描述了在推力控制阀位于第一和第二位置时的附图1中系统的一部分的具体示意图；以及

附图4和5分别描述了根据另一种实施例的，在推力控制阀位于第一和第二位置时的附图1中系统的一部分的具体示意图。

具体实施方式

以下具体描述本质上只是举例，并不是对本发明或其应用和使用的限制。此处所用的“示例性”意为“作为一种范例，实例，或例子”。因此，此处描述的作为“示例性”的任何一种实施例，并不必然被解释为是优选的或优于其他实施例的。此处描述的所有实施例是提供用来使本领域技术人员能制造或使用本发明的示例性实施例，而不是对由权利要求所限定的发明范围的限制。而且，并不意在受在前面的技术领域、背景技术和发明内容，或后面的具体实施方式中任何明示或暗示的理论的约束。

现在参见图1，其描述了一种用于燃气涡轮发动机，例如涡轮风扇喷气飞机发动机的燃料控制系统的一个实施例的简单示意框图。系统100包括燃料源102，一个或多个泵104，106，燃料计量阀108，加压阀112，推力控制阀114，和发动机控制器150。燃料源102存储着将被供应到多个燃料负载116(只示出了一个)的燃料，其中燃料源优选实施为一个或多个燃料箱。很显然的是燃料负载的数量和种类是可变的。然而在本实施例中，只描述了燃气涡轮发动机的燃烧室区域和相应的喷嘴116。燃料负载116基于例如功能被优选地分为主和副燃料负载。虽然这种分类是可变的，但燃气涡轮发动机的燃烧室部分和相应的喷嘴116通常被分类为主燃料负载。通常被分类为副负载的负载包括动力流阀和调节器，一个或多个可变几何形状致动器，和一个或多个排放阀。

一个或多个泵104，106中的每一个被流体串联地设置在供应管线118上，并从燃料源102中汲取燃料。在本实施例中，两个发动机驱动的泵被应用，并包括进气增压泵104，例如相对低马力的离心泵，和高压泵106，例如正排量泵，离心泵，或可变排量活塞泵。进气增压泵104直接从燃料源102中汲取燃料并为高压泵106提供足够的吸入压头。之后高压泵106将燃料以一个相对高的压力供应到供应管线118。虽然没有描述，很显然系统100可还包括位于一个或多个燃料箱102中低压泵，以向进气增压泵104供应燃料。进一步很显然的，泵104，106中的一个或两个可由电动机而非发动机驱动。

燃料计量阀108在流动方向上串联地设置在高压泵106下游的供应管线118上，并包括计量阀入口107和计量阀出口109。计量阀入口107被联接以接收来自燃料泵所供应的燃料的第一部分。燃料计量阀108还被联接以接收来自，例如发动机控制器150的燃料流命令信号。响应于燃料流命令信号，燃料计量阀108可操作以控制通过计量阀出口109并流向燃气涡轮发动机燃烧室区域和相应喷嘴116的燃料流。

如图1进一步描述的，系统100还包括旁通流动管线122和旁通阀124。旁通流动管线122，至少在本实施例中，被联接到高压泵106和燃料计量阀108之间的供应管线118上。旁通阀124被设置在旁通流动管线122上，并可操作以选择性地将供应管线118中燃料的第二部分旁通绕过燃料计量阀108并返回至高压泵106的入口。要认识到，在其他实施例中，旁通流动管线122可与进气增压泵104的入口或燃料源102相连，而不是与高压泵106的入口相连。旁通阀124优选是响应于旁通阀命令而被控制。这些旁通阀命令可以是电的或液压的，并可以由燃料计量阀108或发动机控制器150发出。与燃料计量阀108一样，应认识到，在一些实施例中系统100可被实施为不具有旁通流动管线122和/或旁通阀124。

加压阀112设置在主燃料负载116的上游和推力控制阀114下游的供应管线118上。如图1所描述的，加压阀112还与高压泵106上游的供应管线118流体连通。加压阀112被设置为在高压泵106下游维持最小泵排放背压，并在压力降低到低于这个最小泵排放背压时关闭。

推力控制阀114设置在燃料计量阀108和加压阀112之间的供应管线118上，并包括主入口126，超驰入口128，和推力控制阀出口132。主入口126与计量阀出口109流体连通，并接收从其排放的燃料。超驰入口128与计量阀入口107流体连通，推力控制阀出口132与加压阀112流体连通。推力控制阀114可在第一位置和第二位置之间移动。在其正常操作位置的第一位置，推力控制阀出口132与主入口126流体连通并与超驰入口128流体隔离。从而，从燃料计量阀108流出的燃料自由地流过推力控制阀114。在第二位置，推力控制阀出口132与超驰入口128流体连通并与主入口126流体隔离。从而，推力控制阀114阻止了从燃料计量阀108流出的燃料，并通过副固定面积计量端口(图1中未示出)将燃料供应到加压阀112。推力控制阀114被联接以选择性地从，例如发动机控制器150接收推力控制超驰信号。响应于推力控制超驰信号，推力控制阀114可操作地在第一位置和第二位置间移动。

发动机控制器150，其可以是，例如，一种全权数字发动机控制器(FADEC)，控制燃气涡轮发动机(或发动机)的所有操作，包括从燃料源102到燃料负载116的燃料流动。发动机控制器150接收不同的输入信号并向泵104，106中的一个或多个，燃料计量阀108，和推力控制阀114输送命令，从而控制流向燃烧室喷嘴116的燃料流动速度。除了其他不同的功能外，发动机控制器150还确定燃料计量阀108的可操作性。如果发动机控制器确定燃料计量阀108不可操作或操作不正确，则发动机控制器则向推力控制阀114发送信号使推力控制阀114从第一位置移动到第二位置。

参见图2和图3，其示出了上述燃料控制系统100的一部分具体示意图，此处将进行具体描述。此处描述的系统100的一部分包括燃料计量阀108，加压阀112，推力控制阀114，旁通阀124，供应管线118和旁通流动管线122的一部分，和各种液压控制压力管线。需要注意的是，附图1和2-5中的相同的数字符号代表相同的部件。

燃料计量阀108，除计量阀入口107和计量阀出口109之外，还包括阀元件202和计量阀致动器204。阀元件202是可移动的，其响应接收来自计量阀致动器204的液压控制压力，发生移动并进而控制通过计量阀出口109的燃料流。计量阀致动器204被联接以接收来自发动机控制器150(在图2和图3中未示出)的燃料流命令，并被设置为响应所接收的燃料流命令，选择性地将来自控制压力管线206的燃料引导至闭合压力管线208和打开压力管线212。如果输送至闭合压力管线208的燃料比输送到打开压力管线212的燃料多，则燃料计量阀108将朝闭合位置移动，从而从计量阀出口109流出较少的燃料。反之，如果输送至打开压力管线212的燃料比输送到闭合压力管线208的燃料多，则燃料计量阀108将朝向更加打开的位置移动，从而从计量阀出口109流出更多的燃料。从控制压力管线206，闭合压力管线208，和打开压力管线212返回的燃料被引导到伺服回流管线214内。可以看出，控制压力管线206与计量阀入口107流体连通，伺服回流管线214与旁通阀124下游的旁通管线流体连通。虽然计量阀致动器204可被实施为不同形式，但在此描述的实施例中，其被实施为采用了双通道电动液压伺服阀(EHSV)。

推力控制阀114包括阀体216，推力控制阀元件218，和致动元件222。阀体216具有形成在其中的主入口224，超驰入口226，推力控制阀出口228，和阀控制压力入口端口230。主入口224与计量阀出口109流体连通，超驰入口226与计量阀入口107流体连通，推力控制阀出口228与加压阀112流体连通，且阀控制压力入口端口230与致动元件222流体连通。

推力控制阀元件218设置在阀体216中，并可在第一位置和第二位置间移动。在图2所示的第一位置，推力控制阀出口228与主入口224流体连通，并与超驰入口226流体隔离。在图3所示的第二位置，推力控制阀出口228与超驰入口226流体连通，并与主入口224流体隔离。当推力控制阀元件218位于第一位置时，其不会显著影响计量的燃料流，从计量阀出口109流出的燃料自由地流动通过推力控制阀114。反之，当推力控制阀元件218位于第二位置时，其阻止从计量阀出口109流出的燃料流，并同时打开设置在超驰入口226和推力控制阀出口228之间的固定面积计量端口233(参见图3)。可预见的是，推力控制阀元件218在正常系统操作时位于第一位置，并在不太可能发生的燃料计量阀108失效时移动到第二位置。

推力控制阀元件218响应所接收的来自致动元件222的液压控制信号，在第一和第二位置之间被移动。致动元件222被联接以接收来自，例如发动机控制器150的推力控制阀超驰信号。致动元件222响应推力控制阀超驰信号，在高压位置和低压位置间移动。在图2所示的高压位置，阀控制压力入口端口230被联接以接收处于第一压力大小的流体，从而将推力控制阀元件218移动到第一位置。在图3所示的低压位置，阀控制压力入口端口230接收处于第二，较低的压力大小的流体，从而将控制阀元件218移动到第二位置。

为实现其功能，所描述的致动元件222包括致动阀232和致动器234。致动阀232包括高压入口236，低压入口238，出口242，和致动阀元件244。高压入口236与计量阀入口107流体连通，低压入口238与伺服回流管线214流体连通，且出口242与阀控制压力入口230流体连通。致动阀元件244与致动器234联接，并可由致动器234致动而在高压位置和低压位置间移动。

致动器234被联接以接收推力控制阀超驰信号，并被设置为响应该信号，从而移动致动阀232，更具体地，移动致动阀元件244在高压位置和低压位置间移动。当致动阀232位于如图2所示的高压位置时，出口242与高压入口236流体连通，而不与低压入口238流体连通。从而，计量阀入口107处的相对较高的压力，连同弹簧239提供的弹力，驱使推力控制阀元件218移动到第一位置。反之，当致动阀232位于如图3所示的低压位置时，出口242与低压入口238流体连通，而不与高压入口236流体连通。结果，伺服回流管线214中相对较低的压力促使推力控制阀元件218，抵抗着来自弹簧239的力，移动到第二位置。

图4和图5示出了根据第二实施例的燃料控制系统100的一部分的具体示意图。该替代实施例与第一实施例类似，但提供了针对极不可能的、但假设的失效的比例旁通阀124事件的保护。除推力控制阀114之外，图4和图5中所行部件与上文描述的和图2和图3中描绘的部件相同(或大致相同)。因此，这些部件采用了相同的数字符号表示，且对这些部件的描述将不再重复。此外，虽然并非图4和图5中描述的推力控制阀114的所有部件都与图2和图3中描述的是相同的，但大部分部件是相同的(或大致相同)。在图4和图5中推力控制阀114的相同(或大致相同)的部件采用了相同的参考数字，且对这些相同(或大致相同)的部件将不再重复描述。

如上所述，需要注意的是，图4和图5中描述的推力控制阀114还包括旁通出口402和比例旁通阀元件404。旁通阀出口402形成在阀体216中，并与旁通流动管线122流体连通。该比例旁通阀元件404设置在阀体216中，并可随着推力控制阀元件218，和选择性地相对于推力控制阀元件218移动。更具体地，推力控制阀元件218包括限定了孔408的内部表面406。该比例旁通阀元件404在孔408内可移动地设置。比例旁通阀元件404的移动选择性地将旁通出口402设置为与超驰入口226流体连通。

如前所述的实施例一样，当推力控制阀元件218位于第一位置时，其并不明显地影响计量的燃料流，从燃料计量阀108流出的燃料自由地流动通过推力控制阀114。类似地，当推力控制阀元件218位于第二位置时，其阻止从燃料计量阀流出的燃料流，并同时打开设置在超驰入口226和推力控制阀出口228之间的固定面积计量端口233。然而，除此之外，比例旁通阀元件404也可实施副比例旁通特征，这样超驰入口226处的相对高压流体的一部分可被旁通到相对低压的旁通流动管线122，以控制通过固定面积计量孔203的预定压降。

此处描述的推力控制阀114将由燃料计量阀108命令的燃烧流超驰到预定恒定流动流率。推力控制阀可由接收来自发动机控制器150的命令的电磁或伺服阀进行控制。推力控制阀114及其在系统100中的配置，为燃料计量阀108的假设的控制损失，或控制计量阀位置的命令信号和/或反馈信号的损失提供了保护，其中燃料计量阀108的假设的控制损失可能由计量阀物理部分(被卡住的运动/机械故障)引起。信号的损失可能是EHSV，燃料计量阀108中位置传感器，或发动机控制器150假设的无法操作引起的。通过增加对比例旁通阀的假设的故障的保护，这种可能的故障(例如，由于被卡住的运动/机械故障引起)，通过燃料计量阀108的水头压力将不受控制，而这将会引起流向发动机的燃烧流比预期燃烧流或太高或太低。

虽然在上文本发明的详细描述中介绍了至少一个示例性实施例，但应当认识到本发明具有其他大量的变化形式。还应当认识到，上述示例性实施例只是实施范例，而并不是想要对本发明的范围，应用或构成形成任何限制。相反，前述详细描述为本领域技术人员实施本发明的实施例提供了便捷的路线图。应当理解的是，在不脱离后附权利要求所公开的本发明范围的情况下，对实施例中描述的元件的功能和布置的可以进行各种变化。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机燃料控制系统，包括：

燃料计量阀，其包括计量阀入口和计量阀出口，计量阀入口适用于接收燃料流，燃料计量阀还适用于接收燃料流命令信号，并被设置为响应所接收的信号，控制通过计量阀出口的燃料流；和

推力控制阀，其包括主入口，超驰入口，和推力控制阀出口，主入口与计量阀出口流体连通，超驰入口与计量阀入口流体连通，推力控制阀适用于接收推力控制阀超驰信号，并被设置为响应所接收的信号，从第一位置移动到第二位置：

其中：

在第一位置，推力控制阀出口与主入口流体连通，并与超驰入口流体隔离，以及

在第二位置，推力控制阀出口与超驰入口流体连通，并与主入口流体隔离。

2.根据权利要求1所述的系统，其中推力控制阀还包括：

阀体，阀体中形成有主入口，超驰入口，和推力控制阀出口，并且还形成有阀控制压力入口端口；

推力控制阀元件，其设置在阀体中，并能够在第一位置和第二位置间移动；以及

致动元件，其被联接以接收推力控制阀超驰信号，并被设置为响应所接收的信号，在高压位置和低压位置间移动，

其中：

在高压位置，阀控制压力入口端口适用于接收处于第一压力大小的流体，从而将推力控制阀元件移动到第一位置，以及

在低压位置，阀控制压力入口端口适用于接收处于第二压力大小的流体，第二压力低于所述第一压力，从而将推力控制阀元件移动到第二位置。

3.根据权利要求2所述的系统，其中致动元件包括：

致动阀，其包括高压入口，低压入口，和出口，致动阀可在高压位置和低压位置间移动，其中，在高压位置，出口与高压入口流体连通且不与低压入口流体连通，在低压位置，出口与低压入口流体连通且不与高压入口流体连通；以及

致动器，其被联接以接收推力控制阀超驰信号，并被设置为响应所接收的信号，移动致动阀在高压位置和低压位置间移动。

4.根据权利要求2所述的系统，其中推力控制阀还包括弹簧，弹簧设置在该阀体中，并提供驱使所述推力控制阀元件朝第一位置移动的偏压力。

5.根据权利要求2所述的系统，其中：

阀体还包括旁通出口；以及

推力控制阀还包括设置在阀体中的比例旁通阀元件，比例旁通阀元件可随着推力控制阀元件移动，和选择性地可相对于推力控制阀元件移动，以选择性地将旁通出口与超驰入口流体连通。

6.根据权利要求5所述的系统，其中：

推力控制阀元件包括限定孔的内表面；以及

比例旁通阀元件被可移动地设置在孔中。

7.根据权利要求5所述的系统，其中致动元件包括：

致动阀，其包括高压入口，低压入口，和出口，致动阀可在高压位置和低压位置间移动，其中，在高压位置，出口与高压入口流体连通且不与低压入口流体连通，在低压位置，出口与低压入口流体连通且不与高压入口流体连通；以及

致动器，其被联接以接收推力控制阀超驰信号，并被设置为响应所接收的信号，移动致动阀在高压位置和低压位置间移动。

8.根据权利要求5所述的系统，其中推力控制阀还包括弹簧，弹簧设置在阀体中，并提供驱使所述推力控制阀元件朝第一位置移动的偏压力。

9.根据权利要求1所述的系统，其中推力控制阀还包括设置在所述超驰入口和所述推力控制阀出口之间的固定面积计量端口。

10.根据权利要求1所述的系统，还包括燃料泵，其适用于以泵入口压力接收燃料并以泵排出压力向所述计量阀入口和超驰入口提供燃料。

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