CN1030968A - 压缩机的喘振控制器 - Google Patents

Abstract

一种通过一个复位机构105施加偏压以便在靠 近压缩机的喘振点部位提供一个控制点的喘振控制 器24，该喘振点是作为输入至压缩机的气动载荷，温 度和压力的一个函数进行变化的。

Description

本发明涉及压缩机的喘振控制器。

在大型飞机内通常采用辅助动力装置（APU）来驱动空气调节系统和电气系统。空气调节压缩机和发电机可以采用一种辅助动力装置的自由涡轮诸如一个燃气涡轮发动机来驱动。通常希望该动力装置（并因此希望该自由涡轮）在经校准的恒定的转数下进行运转，以便使该动力装置可以在设计点上进行工作，从而使发电机可以在一个不变的速度下进行恒定的电力输出。

空调系统总是不需要在恒速下工作由压缩机所提供的恒定气动载荷。通常在飞机上所要求的空气压缩机在其压缩机进气口内设置有导向叶片以改变气动载荷。对于需要较少的空调载荷时，由于需要较少的能量来驱动压缩机，这样就可以节约燃料。通常当空气需要量变化时，进气导向叶片就改变压缩机的气动载荷以便提供所需要的空气流量。

压缩机的各种不同的工作条件下的压力比（排放压力/进口压力）以及已校准的排放重量流量（（重量流量）×（温度的平方根）/（压力））除以下游端负载的函数。压缩机的有限的工作范围是在出现不稳定流动的压缩机喘振点与能够通过最大校准的空气流量所引起的压缩机阻塞点之间。当压缩机的工作范围离开喘振点朝着阻塞点移动时，则压缩机的效率相当急剧的降落。因此希望尽可能在靠近喘振点而又不发生喘振的条件下进行工作。

某些压缩机甚至在其进气导向叶片角度变化时也具有一个恒定的喘振点。喘振控制一般是指通过排泄下游端的气流以便在靠近喘振点处形成一个恒定的校准的空气流动以防止这种压缩机发生喘振。但是，这种喘振控制方法对于那些当进气导向叶片角度变化而其喘振点就随之而改变的压缩机是没有效果的。这种控制方法就要设法排泄压缩机排气口所需要排泄的气流由此，就要求辅助动力装置来提供所需要的气流从而要多消耗燃料进行更费力的工作。

本发明的目的是提供一种用于控制压缩机的喘振方法，该方法控制压缩机的输出量以便使该压缩机即能有效地工作而又不发生喘振。

本发明的另一个目的是提供一个喘振阀，该阀控制着由压缩机来的空气流出量以便为压缩机的喘振点提供一个有效的空气流动。

按照本发明，一个提供恒定的校准的空气流量的防喘振控制器是会偏移，这样使其在每个进气导向叶片角度条件下，对与每个进气导向叶片角度相匹配的喘振点的空气流量进行校准。该喘振控制器为每个喘振点提供一个流量控制点，以便使压缩机进行有效地工作而不发生喘振。更具体地说，该喘振阀是作为进气导向叶片角度（LGV），环境压力和环境温度的函数进行偏移的。

本发明的这些和其它目的，特征和优点通过下文结合附图所示的最佳实施例的详细描述将会更加一目了然。

图1是显示一可带有喘振控制系统的辅助动力装置的一个示意图。

图2是图1所示喘振控制系统的一个实施例的工作原理图;

图3是图1所示喘振控制系统的另一个实施例的工作原理图;

图4是应用本发明构思的压缩机的压力比与校准的气流特性的关系曲线。

参看图1，图中显示一个包括有自由涡轮型发动机的辅助动力装置（APU），一般以标号10表示。该辅助动力装置具有一个燃气发生器或动力产生部分12（压缩机，燃烧室和涡轮），一个自由涡轮14，一个发电机16和一个负载压缩机18。该负载压缩机用于对飞机的空调系统（未明示）提供压缩空气，该空调系统又控制着飞机客舱和机舱（未显示）内的压力和温度。通过作动筒22的作用而运动的可变进气导向叶片20可改变压缩机进气处的空气气流，以便改变负载压缩机18的气动载荷。一个喘振控制系统24安装在压缩机排气口26处。该系统通过导管28放气控制喘振。

参看图2，图中显示出该喘振控制系统24的各个部分。该喘振控制系统包括几个主要部分。单向作动筒30通过对设置在导管28内的风挡32的位置进行控制来调节经过导管28排放出去的空气流量。该单向作动筒的位置是由随着压缩机出口26内流量的变化而变化，以便使压缩机18在不发生喘振的压力喘振阀34来进行控制的。当对压缩机的流量要求突然降低时，流量传感器36也帮助该单向作动筒进行定位。这样一种装置在授予哈尔那（Harner）并转让给普通受让人的美国专利3，804，112中进行了介绍，此外该美国专利作为相关的参考资料。

该单向作动筒包括：经过杆40联接在风档32上的一个小齿轮38;通过一个齿条44联接至小齿轮上的一个活塞42;通过一个杆48连接至活塞42上的一个膜片46;和向右压紧膜片的一个弹簧50。该活塞42的左边与环境相连通。在该活塞与膜片之间的空间通过管路54和56与供给压力源52相连通。膜片的右侧，通过管路54和58也与供给压力源52相连通。一个流量限制器60设置在管路56与58之间的管路54内，以便使风挡随管路54和管路62内的压力变化而动作，这方面在后文还将进行阐述。人们应当很容易理解到，当活塞的流体压力推力胜过作用于膜片上的流体压力和弹簧的作用力时，则活塞和膜片就向右移动，经过齿条和小齿轮来回转风挡，以便打开通过导管28的流路。同样地，当流体压力作用于膜片的推力胜过作用于活塞上的流体压力推力时，则活塞和膜片将向左移动以便回转风挡、关闭导管28的流路。

当经过管道64传来的压缩机出口的压的力变化较大时，流量传感器36就对其产生反应，把经过管道54传来的并在膜片46后面把供给压力泄掉，因此，通过例如在哈尔那（Harner）美国专利所公开的喘振导管28，可以消除压缩机出口内压力的较大增加（及校准流量的较大降低）。

喘振阀34对各给定的压缩机喘振点如何来控制通过该导管的空气流量将在后面进行阐述。

该喘振阀34具有一个安装在容器70内的截头锥体68上的封闭梁66。该封闭梁通过朝着或离开一个通气口的位移来控制位于单向作动角后边通过管路62的压力。

压缩机排气口26内的空气的流体压力传送到第一膜片78的管路76而作用在梁66的下端部分74上。流量传感器（细腰管）80经过管路84将流体压力传给第二膜片82，产生作用于封闭梁上的一个反向流体压力推力。管路76具有一个流量限制器86，以提供一个在本专业技术领域中人们所熟知的超前一滞后动态补偿。第一和第二膜片78，82每个膜片都通过一个杆88和一个销子90连接至平衡梁上。第一和第二膜片分别受到弹簧92和弹簧94的偏压。封闭梁的顶部部分96由一个真空膜盒98偏压着，该真空膜盒是利用一个可调整的调整螺栓100和杆102联接在该封闭梁上的。该容器是经过管路104·与环境相通。在本专业技术领域中人们已经熟知，在封闭梁的较低的高度处，封闭梁通过真空膜盒的偏压是背离通气口的，而在较高的高度处是朝着通气口的。

一个复位系统105采用了一个第三膜片106，该膜片通过杆108和销子110偏压（或复位）该封闭梁的下部部分74。该第三膜1片有一个经管路113传来的压缩机排气口内空气的流体压力作用于该膜片上。作用于第三膜片106上的调节压力的流体压力推力是由力矩电机112进行控制，该电机通过将挡板118朝着和离开通气口116的定位来调节由第三膜片后面经过管路114和通气口116溢出的空气量实现控制的。该力矩电机产生的偏心（或复位）力作为进气导向叶片角度，环境压力和环境温度的函数。如在本专业技术领域内人们已熟知的，对于一个给定的进气导向叶片角度，一个给定的压力和给定的温度，该压缩机将具有一个特定的喘振点。一个电子控制器120通过电气线路（未显示）检测出由作动角22所产生的导向叶片的角度。环境压力和温度是通过一个外部传感器（未显示）进行检测的。该电子控制器120在收到这种信息之后，就参照内部查寻表以便确定该给定的喘振点。当喘振点一经确定之后，该控制器经过线路122向力矩电机发出一个信号使该挡板定位，由此通过第三膜片偏压封闭梁，到达一个靠近喘振点的控制点上。由此压缩机排气口经校准的流量是通过该喘振控制系统进行控制的，这样则压缩机就在尽可能靠近喘振点而又不发生喘振的该控制点上进行工作。

参看图3，图中显示本发明的另一个实施例。在上述解释中可以领会到本发明的申请人的最广义的概念是通过恰当地偏移封闭梁以便使压缩机引起各种不同的喘振点。如图2中所示，该封闭梁是通过一个经调节的压力源进行偏压的，该压力源作用于封闭梁上的流体压力推力是通过一个力矩电机进行控制的。图3是显示一个液压系统124，该系统对第二膜片82进行偏压以便为每个喘振点提供作用于该封闭梁上的一个合适的偏离。来自压力源126的经调节的液压流体供给量是经过管路130和管路132作用于活塞128上。该管路132具有一个流量限制器134，因此当液压流体的液压力经过调制以后则活塞就可以定位。作用于活塞128上的流体的流体压力推力是由一个与图2所示的力矩电机112相似的力矩电机130进行控制的。该力矩电机接受来自一个控制器132由查寻表上查寻到的一个位置信号。该力矩电机130控制着一个挡板134，该挡板是通过管路135来调节作用于活塞右侧上的压力。该挡板向左偏转使液压流体通向排放管136，由此将活塞进行定位到达作为挡板位置的一个函数关系的位置。活塞128的运动通过杆140促使第二活塞138的运动，该杆140通过杆142确定弹簧的位置，以便偏压到第二膜片上。

其效果与图2所示的实施例相似，其中该喘振控制器提供靠近喘振点的各个合适的控制点，以便能够避免发生喘振而同时使压缩机有效地进行工作。

一个线型可变传感器144联接在活塞128上，以便向着控制器132就作用在第二膜片上的偏压提供反馈。如何能够对封闭梁在一个给定的条件下进行精确地偏离是非常重要的。

参看图4，本发明的各种优点可以清楚地看出。对一个喘振控制器它并不使每个进气导向叶片角度对其封闭梁进行偏置或复位，对于不同的压力比，其空气流量是保持在基本恒定的经过校准的流量值内（0-复位控制线）与此同时还可避免发生喘振。假如对于每个进气导向叶片角度，其喘振点保持相对恒定这是较理想的。但是，如果对于各个进气导向叶片角度其喘振点要移位，则一个恒定的经校准的流量可能就不是理想的。如果空气调节系统不需要这种恒定的流量，则多余的流量就被排放出去。该辅助动力装置发动机的实际工作情况比它需要的工作情况要多耗功率。对于各偏压或复位控制点（复位程序），在每个进气导向叶片角度条件下，压缩机是在更靠近所需的空气流量状态下进行工作。该辅助动力装置发动机可以在不那未耗费功率的条件下工作并从理论上说节约了在复位程序与复位控制线之间燃料消耗差。注意到复位程序的各控制点与压缩机的喘振线所分隔开的距离以提供一个安全的边界。

当结合具体的最佳实施例对本发明进行介绍和描述之后，应当可以理解，对于那些熟悉本专业技术的人员在不超出本发明的范围条件下可以对该系统提出各种改进。因此应当懂得包括此处所描述的实施例及其所有这类等同物的各权利要求都落在本发明的范围内的。对本发明已进行了上述描述，各项权利要求如下：

Claims (3)

1、一种用于带有进气口和排气口的压缩机的防止喘振控制装置，所述压缩机具有可改变其输入给它的气动载荷的机构，该控制装置的特征在于：

用于上述的压缩机可提供一个恒定的经校准流量而避免发生喘振的防喘振装置，

一种用于偏移于上述防喘振装置的机构，以便用改变气动载荷的上述机构来改变所述气动载荷时，可以使该防喘振装置对压缩机的每个喘振点能够有效地防止喘振。

2、如权利要求1所述装置，其特征在于：一种反馈机构用于监控由上述施加偏离的机构所施加的偏离，以便使该施加偏离机构能够正确地进行工作。

3、一种用于控制喘振的装置，其特征在于：

一个压缩机它具有一个根据输入至该压缩机的气动载荷而进行变化的喘振点，

一个用于使上述压缩机提供一个恒定的经校准的流量的防喘振装置，和

一个用于对上述防喘振装置施加偏离的机构，以便当输入至上述压缩机的上述气动载荷发生废化时，使该防喘振装置为上述喘振点有效地防止发生喘振。

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