CN102639843B - 可变性能阀 - Google Patents

Abstract

提供一种在燃料喷嘴中使用的可变性能阀被公开，所述阀包括弹簧、具有端口的内柱塞件、外套管，和孔口，所述孔口在燃料喷嘴应用中可以是校准孔。在低流量状态下，入口的下游的压力是弹簧力除以压力所作用的面积。在低流量下，所述孔口不引起任何明显的压降。随着流量增加，在所述孔口两侧的压降增大。由于所述在阀两侧的压降不能大于弹簧力除以阀面积，所述阀被强迫打开以便补偿。随着流量增加，所述阀将完全冲开并且在端口处的压降变得可以忽略，并且在孔口两侧的压降几乎是在所述阀两侧的压降的100%。

Description

可变性能阀

技术领域

本发明一般地涉及增压阀、计量阀和止回阀，并且更具体地涉及在涡轮发动机的燃料喷嘴中使用的增压阀、计量阀和止回阀。

背景技术

在涡轮发动机的多数工作状态中，希望每一个燃料喷嘴流具有相等量的燃料。减小喷嘴对喷嘴的流量变化能更好地控制燃烧器中的局部的燃料对空气的比率并且允许在涡轮级的入口温度均匀分布。从喷嘴至喷嘴的均匀的燃料流通过在关键工作状态校准喷嘴的流量数值（FN）而实现。喷嘴的压降被调整为已知流量的窄范围中。在多数应用中，校准点趋向于在高流量处，这种情况下从喷嘴至喷嘴的流量的精确度最为关键。

喷嘴校准通过调整喷嘴中流量限制部的压降而实现，它典型地与喷嘴的顶端限制部串联。喷嘴中的可调整的流量限制部被称为校准孔。所有的喷嘴流体典型地通过校准孔并且随后通过顶端，它们相结合给予喷嘴高流量压降特性。

通过使用在高流量校准的校准孔，设计的难点则变为控制在低流量状态下燃料喷嘴的流量。在低流量状态，喷嘴中的压降能非常小并且遭受由例如止回阀、歧管的头效应所引起的变化以及其它变化。增压阀（也被称为计量阀）被用于在低流量保持喷嘴之间小的变化不转换为大百分比的流量变化。计量阀通过控制压力升高和喷嘴流量之间的关系而实施该工作；在低流量下阀的流量数值小并且随流量增加而提高。在图5中示出了具有计量阀103的这种传统的燃料喷嘴101的功能示意图。

如同本领域的技术人员将认识到的，传统的计量阀103包括阀弹簧105、内柱塞件107，和外套管109。燃料通过端口113进入测量阀歧管111。随着入口燃料压力超过作用在内柱塞件107上的弹簧力，内柱塞件107开始如同在图5中所示出的向右的行程。随着内柱塞件107相对于外套管109向右移动，它打开计量端口115，计量端口115随后允许燃料流过孔口117和顶端限制部119并且进入燃烧器。

在这种传统的喷嘴101中，计量阀103总处于调节中。这意味着它总是平衡阀的弹簧力对抗阀的压降。因而，这种传统的计量阀103总对喷嘴101增加压降，即便是在高流量下，如同在图6的图示的分析中可看见的。在该图中，曲线121示出了在计量端口115两侧的压降，曲线123示出了在校准孔117和顶端限制部119两侧的压降，并且曲线125示出了分配给计量端口115的在燃料喷嘴101两侧的总压降的百分比。如同可以看见的，在计量端口115两侧的压降(曲线121)在整个喷嘴流量范围上相当恒定，即它对于喷嘴101持续增加压降，即便是在高流量下。尽管阀103的压降对于在低流量下工作是关键的，但是它在高流量下不被要求。事实上，计量阀103的额外的压降（见曲线121）对于精确地校准喷嘴101的性能增加了变化，因而在高流量下增加了从喷嘴至喷嘴的流量变化（相比于不具有阀的喷嘴）。

因而希望在喷嘴中使用的增压阀能在低流量下正常工作（可变FN），不对喷嘴的关键的被校准的高流量增加额外的变化。本发明提供了这种阀。本发明的这些和其它优点，以及另外的创造性特征，根据在此所提供本发明的描述将变得明显。

发明内容

考虑到上面的描述，本发明的实施例提供了一种新颖且被改进了的阀，所述阀克服了在现有技术中存在的一个或者更多的问题。更具体地，本发明的实施例提供了在例如燃料喷嘴中使用的新颖和被改进的阀。更具体地，本发明的实施例提供了一种阀，所述阀被配置成在低流量下控制流体同时在高流量下使阀的效果最小化。更具体地，本发明的实施例提供了一种阀，所述阀被配置成提供增压、计量、和/或阻止功能从而在低流量下控制流体同时在高流量下使阀的效果最小化。

在一个实施例中，可变性能阀包括弹簧、内柱塞件、和外套管。端口被设置在内柱塞件中，以便随着阀开始行程，通向流体的端口面积增加。流体还被导向孔口，在例如燃料喷嘴的环境中，孔口被用于校准在高流量状态下的喷嘴。端口是在低流量状态期间在阀两侧的压降的主要原因。随着流量增加，在孔口两侧的压降开始在阀的定位上产生影响。实际上，在高流量状态期间，在阀两侧的压降的结果几乎完全是在孔口两侧的压降。该压降帮助将阀拉开从而增加端口面积，由此使阀端口的压差最小化。

在一个替代实施例中，提供了通道和另外的端口，所述通道和另外的端口将流体压力连通至孔口下游、内部阀柱塞件件的背侧。在低流量状态期间在阀两侧的压降几乎完全由可变面积端口控制，并且在高流量状态期间几乎完全由孔口所支配。这种配置可以利用与阀平行的孔口，或者可以包括沿阀的轴线的孔口。

当结合附图时，从下列详细描述中本发明的其它方面、目标和优点将变得更为显然。

附图说明

被结合在说明书中并且形成说明书的一部分的附图示出了本发明的几个方面，并且与描述一起，起解释本发明的原理的作用。在附图中：

图1是根据本发明的教导所构造的燃料配置中所使用的可变性能阀的一个实施例的功能示意图；

图2是在图1中示出的实施例内各种孔口的压降的曲线图；

图3是根据本发明的教导所构造的燃料喷嘴中所使用的可变性能阀的替代实施例的功能示意图；

图4是根据本发明的教导所构造的燃料喷嘴中所使用的可变性能阀的又一实施例的截面图；

图5是在燃料喷嘴中使用的传统的计量阀的功能示意图；并且

图6是在图5中示出的计量阀内的各种孔口的压降的曲线图。

尽管将联系某些优选实施例描述本发明，但是没有打算限制这些实施例。相反，试图覆盖被包括在由所附权利要求所界定的本发明的精神和范围内的所有的替代、改进和等效物。

具体实施方式

现在参考附图，在图1中示出燃料喷嘴100，燃料喷嘴100包括特别适用于应用在涡轮发动机中的可变性能阀102。但是，尽管下列描述将在描述本发明的实施例的各种特征和功能中使用示例性的环境，但这样的描述应当被看作是实例的方式而非限制的方式。实际上，对于各种工作环境和应用而言，本发明的实施例的优点可以被用于改善多种阀类型，例如仅阻止的阀，仅计量的阀，或者具有这两种功能的阀。

如同在图1中所示出的，在涡轮发动机（未被示出）中使用的燃料喷嘴100利用了根据本发明的实施例而构造的可变性能阀102的一个实施例。阀102可以包括（或者也可以不包括）密封件104，以便阻止或阻碍停机时的燃料流。阀102包括弹簧106，内柱塞件或者活塞108，和固定的外套管110。端口112相对外套管110的环空部114被布置，以便根据阀102的行程，即外套管110相对于内柱塞件108的运动的位置，起到可变面积的作用。一旦被打开，该端口112允许燃料流穿过阀102。如同所示出的，燃料流过端口112，进入环空部114，穿过第二端口116，并且进入燃料阀歧管118。燃料流过孔口120（在示出的工作环境中它可以是喷嘴的校准孔）以便产生额外的压降。燃料随后流过喷嘴的顶端限制部122并且进入涡轮发动机的燃烧室。

当燃料喷嘴100的燃料的入口压力增加到足以克服内柱塞件108上的弹簧106的预负载时，阀102开始打开，即内柱塞件108向右侧移动，如同在图1所描绘的，并且燃料开始流动。在这种非常低的流量状态下，入口至阀102的下游的压力是初始弹簧力除以压力作用于其上的柱塞件108的面积。流经过端口112、116并且还通过孔口120。但是，在这种非常低的流量状态下，孔口120根据其与端口112的开口的面积相比较的相对尺寸，不引起任何明显的压降。因而阀102上的压差基本等于在端口112处的压差（端口116的尺寸设置成不对阀102增加任何明显的压差）。

随着入口压力增加，阀102进一步冲开，使端口112打开更大的面积。这种更大的面积允许更多的流量通过。随着穿过孔口120的流量增加，在它两侧的压降逐步增大。现在在阀两侧102的压降是端口112的压降和孔口120的压降之和。由于在阀两侧102的压降不能大于弹簧力除以阀面积，阀102受迫被冲开以便减小端口112的压降(通过增加流的面积)，从而补偿增大的孔口120的压降。

随着流量进一步增加，阀102将完全冲开（优选至正向止挡件）使得在端口112处的压降变得可以忽略并且在孔口两侧120的压降接近在阀两侧102的压降的100%。以这种方式，在孔口120两侧的额外的压降有助于将阀102拉开。

当考虑利用传统计量阀103的传统燃料喷嘴101的流量变化时（见图5），在流量非常低的时候，阀103的变化支配喷嘴的性能，如同通过图6的曲线125所示出的。在中等流量时，基于各自的压降，阀103和顶端119和微调部117的限制结合。在高流量下，顶端限制部119和校准孔117是支配性的，如同由曲线123所示出的，但是阀103的压降仍然存在并且增加了流量性能的公差，所述公差归因于例如阀103中的弹簧力的变化等。这种来自阀端口115的连续的效果可以在图6中通过曲线121所示出的几乎恒定的压降而被看到。如同上面所讨论的，在高流量下这种阀103的压降增加了涡轮发动机中喷嘴对喷嘴的变化，这是不希望的。

功能上，并且与传统计量阀103不同，可变性能阀102的操作利用了孔口120的压降，以便在高流量状态期间拉开阀102，从而导致了端口位置的独立的端口压降并且使得端口112的压降不明显。这种从低流量到高流量状态喷嘴流量依赖性的改变可以从图2的分析中并且与在图6中示出的传统计量阀103的性能进行对比而从图形上看见。

具体地并且如同在上面所讨论的，图6的曲线121示出了传统计量阀103的计量端口115在整个流量范围上的连续压降。图2的曲线124，相当有利地，示出了端口112的压降随流量增加而减小。实际上，曲线126示出了，在高流量状态下，喷嘴100的几乎全部压降都归因于顶端限制部122和孔口120。当这与图6的曲线123相比较时，并且实际上当图2的曲线128与图6的曲线125相比较时，图1的这种喷嘴100中的阀102的使用优点是清楚的。因而，在流中喷嘴对喷嘴的变化几乎排他性地取决于与孔口120相结合的顶端限制部122。由于孔口120在用于涡轮发动机的喷嘴100的典型环境中被校准，这种变化可以被最小化。

图3示出了喷嘴100’中可变性能阀102’的一个替代实施例。在该实施例中，孔口120’与阀102’平行地定位并且用孔口120’的下游压力作用在阀102’的一侧上，即，在阀柱塞件108’的相反侧上，弹簧106’也作用在阀柱塞件108’上。在该实施例中，随着入口压力增加，阀102’开始冲开，由此打开端口112’，从而允许流量从其穿过，并且穿过孔口120’和顶端限制部122。所述流还连通通道132和在外套管110’中的端口130，以便作用于刚刚所指的阀柱塞件108’的相反侧上。

如同图1的实施例，最初几乎所有的压降都在端口112’两侧。但是，随着由于入口压力增大端口112’的开口面积增加，流量将增加。随着流过孔120’的流量增加，在孔120’两侧的压降逐渐增大。现在在阀102’两侧的压降是端口112’的压降和孔口120’的压降之和。由于在阀102’两侧的压降不能大于弹簧力除以阀面积，阀102’受迫被冲开，以便减小端口112’的压降，从而补偿通过通道132和端口130被连通而增加了的孔口120’的压降。随着流量进一步增加，阀102’将完全冲开（优选至正向止挡件）使得在端口112’处的压降变得可以忽略并且在孔口120’两侧的压降接近在阀102’两侧的压降的100%。

又一个实施例在图4中被示出，其中，在阀102”的活塞108”中直接结合有孔120”，因而所有的流都在轴上穿过阀102”。一旦阀102”开始冲开，流通过端口134被连通至孔口120”。孔口120”的下游侧的压力作用在活塞108”的背侧上以便提供上面所讨论的操作。

现在对于本领域中的技术人员将显见，导致相同的阀功能和操作的利用额外的压降的其它实施例（不必来自校准孔）是可能的。

所有的参考材料，包括在此所引用的出版物、专利申请、和专利，因此被结合作为参考，达到仿佛各参考材料被单独和具体地表示被结合作为参考并且在此以其整体被提出的相同的程度。

术语（英文中的不定冠词“a”、“an”和定冠词“the”）和相似的指示物在本发明描述的上下文中（具体地在下述权利要求中）被解释为覆盖单数和复数两者，除非在此另外指出或者与上下文清楚地抵触。术语“包括”、“具有”、“包括”、和“包含”被解释为开口术语（即意味着“包括，但不局限于”）除非另外注明。在此所叙述的值的范围仅试图起个别查阅落在范围内的各个分离的值的简便方法的作用，除非在此另外指出，并且各个分离的值被结合在说明书中仿佛它在此被单独地引用一样。在此的所用方法可以任何合适的次序进行，除非在此另外指出或者与上下文是显然抵触的。在此所提供的任意或者全部实例，或者典型语言（例如“例如）的使用，仅试图更好地示出本发明并且不对于本发明的范围进行限制，除非另外申明。说明书中的语言都不应被解释为任何对于本发明的实践是必不可少的非权力要求的元素。

在此描述了本发明的优选实施例，包括发明者已知的用于进行本发明的最佳模式。通过阅读前述描述，对于本领域的普通技术人员这些变更可变得显然。发明者期望熟练技工恰当地采用这样的变更，并且发明者希望本发明与在此所具体描述的不同地实践。因而，本发明包括到此为止在所附权利要求中所陈述的由适用的法律所允许的主旨的所有改进和等效物。此外，在其所有可能的变更中的任何上述元素的结合被包含在本发明中，除非在此另外指出或者与上下文清楚地抵触。

Claims (18)

1.一种在用于涡轮发动机的燃料喷嘴中使用的可变性能阀，所述燃料喷嘴包括外壳，所述外壳具有燃料入口和出口，所述出口中具有顶端限制部，所述可变性能阀被定位于所述入口和所述顶端限制部之间，所述可变性能阀还包括：

外套管，所述外套管相对所述外壳被固定地保持，所述外套管包括在所述外套管的内表面中形成的环空部，

内柱塞件，所述内柱塞件相对于所述外套管可滑动地定位，所述内柱塞件包括第一端口，所述第一端口被定位成在所述喷嘴没有流量的状态中不与环空部连通，并且随着内柱塞件相对于所述外套管可滑动地再定位而形成与所述环空部的连通，所述内柱塞件还包括与所述环空部和所述内柱塞件的燃料歧管连通的第二端口，所述内柱塞件还包括孔口，所述孔口提供所述燃料歧管和所述出口的顶端限制部之间的流体连通，和

弹簧，所述弹簧被定位成提供偏压力，以便将内柱塞件定位在没有流量的状态，由此所述第一端口不与所述环空部流体连通；并且

其中所述第一端口和孔口相对于彼此将尺寸设置成在低流量状态下从入口至顶端限制部的压降基本等于在所述第一端口两侧的压降，在中间流量状态下从入口至顶端限制部的压降是在所述第一端口两侧的压降和在所述孔口两侧的压降之和，并且在高流量状态下从入口至顶端限制部的压降基本等于在所述孔口两侧的压降。

2.根据权利要求1所述的可变性能阀，其中在所述孔口两侧的压降作用在所述内柱塞件上，以便所述内柱塞件被拉开。

3.根据权利要求1所述的可变性能阀，其中在所述孔口两侧的压降帮助入口压力对抗所述弹簧的偏压力。

4.根据权利要求1所述的可变性能阀，其还包括密封件，所述密封件被定位成在没有流量的状态下阻止流体。

5.根据权利要求4所述的可变性能阀，其中所述内柱塞件借助于所述偏压力被保持为抵靠所述密封件直至在燃料入口处达到阈值压力，由此计量流体。

6.根据权利要求1所述的可变性能阀，其中所述偏压力在低流量和中间流量状态期间作用在所述内柱塞件上，由此使流体加压。

7.根据权利要求1所述的可变性能阀，其中在低流量和中间流量状态期间，所述弹簧作用在所述内柱塞件上，以便改变所述第一端口和所述环空部之间的重叠面积。

8.根据权利要求1所述的可变性能阀，其中在所述高流量状态期间，所述弹簧不作用在所述内柱塞件上来改变所述第一端口和所述环空部之间的重叠面积。

9.一种用于调节经过外壳的流体的可变性能阀，所述外壳具有入口和出口，所述出口中具有孔口和顶端限制部，所述可变性能阀包括：

外套管，所述外套管相对所述外壳被固定地保持，所述外套管包括提供所述入口和所述孔口之间的流体连通的第一端口，

内柱塞件，所述内柱塞件相对于所述外套管可滑动地定位，以便所述内柱塞件在没有流量的状态下阻塞所述入口和所述孔口之间的流体连通，并且随着所述内柱塞件相对于所述外套管可滑动地再定位而可变地允许所述入口和所述孔口之间形成流体连通，和

弹簧，所述弹簧被定位于形成在所述外套管和所述内柱塞件之间的歧管中，以便提供偏压力，从而将内柱塞件定位在没有流量的状态，

所述外套管还包括第二端口，所述第二端口被定位成提供所述出口中的在所述孔口和所述顶端限制部之间的一点和所述歧管之间的流体连通；并且

其中，在低流量状态下从入口至顶端限制部的压降基本等于在所述第一端口两侧的压降，在中间流量状态下从入口至顶端限制部的压降是在所述第一端口两侧的压降和在所述孔口两侧的压降之和，并且在高流量状态下从入口至所述顶端限制部的压降基本等于在所述孔口两侧的压降。

10.根据权利要求9所述的可变性能阀，其中在所述孔口两侧的压降作用在所述内柱塞件上，以便所述内柱塞件被拉开。

11.根据权利要求9所述的可变性能阀，其中在所述孔口两侧的压降帮助入口压力对抗所述弹簧的偏压力。

12.根据权利要求9所述的可变性能阀，其还包括密封件，所述密封件被定位成在没有流量的状态下阻止流体。

13.根据权利要求12所述的可变性能阀，其中所述内柱塞件借助于所述弹簧被保持为抵靠所述密封件直至在所述入口处的压力克服了所述偏压力，由此计量流体。

14.根据权利要求12所述的可变性能阀，其中在低流量和中间流量状态期间，所述偏压力作用在所述内柱塞件上，由此使流体加压。

15.一种利用如前述权利要求中任一项所述的可变性能阀调节经过喷嘴的燃料流的方法，包括以下步骤：提供所述可变性能阀，所述可变性能阀被配置成在低流量状态下在阀两侧的压降基本等于在计量端口两侧的压降，在中间流量状态下在阀两侧的压降是在计量端口两侧的压降和在所述孔口两侧的压降之和，并且在高流量状态下在阀两侧的压降基本等于在所述孔口两侧的压降。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括将所述阀配置成在所述孔口两侧的压降将阀拉开的步骤。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括将所述阀配置成当阀的压力小于偏压力时阻止所述流的步骤。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括将所述阀配置成在所述低流量和中间流量状态期间所述偏压力使流体加压的步骤。