CN103221697B - 阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阀（56），这种阀主要用于控制涡轮机叶片端部的间隙，所述阀包括活塞（60）、供给压力流体使所述活塞（60）在中空体（58）内移动的供给装置、以及检测所述活塞（60）位置的检测装置，所述检测装置包括关断元件（80），所述关断元件与所述活塞（60）一起移动，并被安装得可以在两个位置之间，分别是打开位置和关闭位置之间的流体通路中移动，所述流体通路将所述供给装置连接至压力传感器（94），所述压力传感器产生表示阀的活塞位置的输出信号。

Description

阀

技术领域

本发明涉及一种阀，具体来讲，涉及一种用于控制涡轮机叶片端部间隙的阀以及装备这种阀的涡轮发动机。

背景技术

通常，提供给涡轮发动机的空气通过低压压缩机和高压压缩机，从上游流向下游，然后流入燃烧室，其中，燃烧后的燃气从出口提供给驱动高压压缩机的高压涡轮机，之后进入驱动低压压缩机的低压涡轮机。

高压涡轮机通常包括具有可动叶片的叶轮，叶片位于两列由外壳承载的上游和下游环形固定叶片列之间，在可动叶片和外壳之间提供有小的径向间隙。

在涡轮发动机工作期间，减小涡轮叶片端部的径向间隙来防止空气泄漏并保证最佳的涡轮发动机性能是很重要的。

现有技术包括用于控制叶片端部间隙的控制装置，所述控制装置包括在高压压缩机的一部分上吸取冷却空气的吸取装置。空气吸取回路延伸至涡轮机，并分成两个通路，其中，第一通路供给包围高压涡轮机的外壳的上游环形腔，第二通路供给包围位于高压涡轮机出口处的固定叶片列的下游腔。后一列叶片包括在入口处连接至下游腔的通道以及位于叶片后缘出口处的开口。

止回阀安装在空气吸取回路中，并具有打开位置和关闭位置，在打开位置处，空气在第一通路中流通，第二通路被止回阀密封，在关闭位置处，空气在第二通路中流通，第一通路被关断。上述两个腔彼此连接在一起，使得在止回阀打开时，来自高压压缩机的空气能够冷却高压涡轮机的外壳，并使低压涡轮机的外壳的下游腔加压。当止回阀位于关闭位置时，一些空气从下游腔流通至上游腔以对其进行加压。

采用这种组件，可以控制高压涡轮机的外壳的冷却空气供给，从而控制外壳的热膨胀，同样控制涡轮机叶片端部的间隙。

可能会出现其控制回路的止回阀进入卡滞状态，这在止回阀卡滞在关闭位置时可能由于叶片端部的大间隙而产生的燃料过量消耗，或者在止回阀卡滞在打开位置时由于壳体的过量冷却使叶片端部和壳体接触在一起而产生的叶片端部的过早磨损。在这种工作方式下，为了确保叶片端部间隙的优化控制，需要确定止回阀的位置。

不过，在这种已知的组件中，由于上游腔和下游腔连通，止回阀的上游面和下游面持续受到来自高压压缩机的空气的压力作用，不可能仅以止回阀的上游面和下游面之间的压力差测量探测止回阀的位置。

在已知的方式中，止回阀是舌形阀形式的，其中，通过布置在燃料回路中的伺服阀控制打开和关闭。舌形阀的位置由用于确定舌形阀的位置的LVDT（linear variable differential transformer，线性可变差动变换器）类型位置传感器确定。舌形阀的打开程度由涡轮发动机计算机控制。

不过，由于控制舌形阀的打开程度需要特定的软件开发，难以实施这种类型的控制。另外，LVDT传感器成本很高。最后，采用液压燃料回路需要安装复杂支路连接管道，以将燃料提供到伺服阀，还需要采用昂贵的密封。

发明内容

本发明的具体目的是为该问题提供一种简单有效而又经济的解决方案。

出于该目的，本发明涉及一种阀，该阀包括可滑动地安装在中空体中的活塞、刚性连接至所述活塞并用于连接至可滑动构件的杆、向所述中空体供给加压流体以使所述活塞在中空体中在初始位置和最终位置之间移动的供给装置、以及在流体压力小于给定压力时使所述活塞返回至初始位置的返回装置，所述阀的特征在于，其包括用于检测活塞位置的检测装置，所述检测装置包括关断元件，所述关断元件与所述活塞一体移动并被安装，使得关断元件可以在流体通路的打开位置和闭合位置这两个位置之间的流体通路上移动，所述流体通路通过一个端部连接至用于向中空体供给加压流体的供给装置，并通过另一个端部连接至压力传感器，所述压力传感器产生表示所述阀的活塞的位置的输出信号。

根据本发明，活塞的运动导致关断元件的同时运动，使得可以打开或关闭流体通路，正在被压力传感器检测的通道的输出流体压力使得能够报告关断元件的位置，从而报告活塞的位置。以这种方式，例如，当活塞杆连接至用于打开和关闭空气供给以控制涡轮机中的叶片端部间隙的可移动构件时，可以根据活塞的位置推断可移动构件的位置。

根据本发明的阀在应用到控制涡轮发动机中的涡轮叶片端部的间隙时特别有利。

由于通过压力测量执行检测，在连接至压力源的通路中合并关断元件使得可以避免采用昂贵的LVDT传感器。

根据本发明的另一个特征，所述阀包括腔，所述腔包含刚性连接至阀活塞并与活塞同轴延伸的杆，所述腔具有连接至加压流体供给装置的入口端口以及在活塞位于初始位置时被杆隐藏和在活塞位于最终位置时展现出来的出口端口，所述出口端口连接至压力传感器。

在这种架构中，所述杆在其关断通路的出口端口时阻止压力施加到压力传感器。当所述杆打开通路时，压力传感器检测到流体压力的增大，这表示活塞处于最终位置。

在本发明的一个实施例中，包含在所述腔中的杆从活塞相对着所连接的杆延伸至可移动构件。

在本发明的一个可行实施例中，包含在腔中的杆是连接到可移动构件的杆，并支撑上文提到的关断元件，所述关断元件是由腔内的杆的环形轴环形成的，从而能够将活塞杆用作关断元件的支撑构件，并避免在活塞内安装另外的杆。

有利地，所述腔位于包含活塞的中空体外部，并由所述中空体的后壁支撑。

在本发明的另一个可行实施例中，流体通路包括中空体，其中，活塞作为中空体的连接到加压流体供给装置的端口和中空体的连接到压力传感器的端口之间的密封隔离元件，在活塞位于活塞的最终位置附近时，中空体的这两个端口是彼此连接的。

本发明还涉及一种诸如飞机涡轮喷气发动机之类的涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮发动机包括至少一个上文所述的阀。

在这种涡轮发动机中，供给装置连接至从例如高压压缩机级的压缩机级上吸取加压空气的吸取装置，压力传感器位于涡轮发动机的上游端的风扇附近。

从而，供给阀的加压流体是在涡轮发动机压缩机吸取的空气，避免供给阀的加压燃料的一部分的分支连接，以及避免像现有技术中那样采用特殊的密封。最后，将压力传感器合并在风扇的附近防止压力传感器受到易于影响压力传感器操作的高温的影响。

本发明还涉及一种过程，用于确定上述阀中的活塞的卡滞，其特征在于，所述过程包括以下步骤：

a，向中空体供给压力流体，流体的压力小于使活塞移动的给定压力；

b，比较压力传感器测得的压力值和中空体供给压力，并推断活塞是否卡滞在打开位置；

c，如果压力传感器测得的压力值为零，将中空体供给压力至少增大到使活塞移动的给定压力；

d，比较压力传感器测得的新的压力值和中空体供给压力，并推断活塞是否卡滞在关闭位置。

如果压力传感器在步骤b测得的压力值等于小于使活塞移动的压力的中空体供给压力，这意味着通道入口和通道出口连通，活塞卡滞在打开位置。否则，压力传感器测得的压力值为零，将压力增大到使活塞移动的压力。如果压力传感器测得的压力值保持为零，可以推断出活塞卡滞在关闭位置。否则，活塞显示等于中空体供给压力的压力值，使得可以推断出活塞工作正常。

附图说明

通过阅读参照附图作为非限定性实例给出的说明，可以发现本发明的其他优点和特征，其中：

图1是根据现有技术的涡轮发动机的示意性侧视图；

图2是图1中的涡轮发动机的下游部分的轴向剖面示意性半视图；

图3a和图3b分别是根据本发明的阀处于打开和关闭位置时的示意图；

图4a和图4b分别是本发明的第二个实施例位于打开和关闭位置时的示意图；以及

图5a和图5b分别是本发明的第三个实施例位于打开和关闭位置时的示意图。

具体实施方式

首先参照示出了涡轮发动机10的图1，涡轮发动机10从上游到下游主要包括，风扇12、低压压缩机14、高压压缩机16以及燃烧室18，风扇12提供气流，该气流被分为主气流和次气流，次气流绕过涡轮喷气机，主气流在低压压缩机14和高压压缩机16循环，并提供给燃烧室18。在燃烧过程中产生的燃气被排出至高压涡轮机20，其中，转子驱动高压压缩机旋转。然后，热燃气在低压涡轮机22中循环，其中，转子驱动低压压缩机旋转。

如图2所示，高压涡轮机20布置在燃烧室18的出口处，并包括外壳24，外壳24从外部限定了燃气的气流，安装在上游的固定叶片分配器28和下游分配器30之间的叶轮26在气流中旋转。低压涡轮机22包括外壳32，外壳32包围间隔出现的分配器和涡轮叶轮，其中在图2中只能看第一叶轮34。

涡轮发动机包括用于控制高压涡轮机叶片端部间隙的控制装置。这些控制装置包括包括用于在高压压缩机上吸取空气的包括通路36的吸取装置，通路36的上游端连接到高压压缩机级，下游端被分成两个通道38、40，供应绕高压涡轮机的外壳24形成的上游环形腔42和下游环形腔44。该下游环形腔提供了形成在分配器30的固定叶片中的多个通道（图中未示出），这些通道在固定叶片的后缘的出口处敞开。这些通道适于冷却受到来自燃烧室的高温燃气作用的分配器30的叶片。所述控制装置还包括止回阀46，该止回阀被活塞48驱动，在打开位置和关闭位置之间移动，活塞48可滑动地安装在中空体50中，中空体50被提供有借助于以本领域技术人员熟知的方式向燃烧室提供燃料的燃料回路的辅助燃料回路的加压流体。被通过由计算机54控制的伺服阀52向中空体50提供加压流体。

止回阀46的打开位置对应于来自高压压缩机的空气按规定路线进入绕高压涡轮机20的外壳24的环形腔42的位置，止回阀46的关闭位置对应于空气流通进入环形腔44的位置。

两个环形腔42和44通过通道43互连，以在止回阀位于打开位置时通过上游环形腔对下游环形腔进行加压，在止回阀位于关闭位置时通过下游环形腔对上游环形腔进行加压。

根据飞行状态，计算机54促使伺服阀52打开和关闭，该伺服阀52促使活塞48移动，进而促使止回阀46移动。以这种方式，这种布置可选地使空气或多或少地提供给绕高压涡轮机20的外壳24形成的环形腔42以冷却外壳24，从而控制高压涡轮机叶片端部的间隙。

止回阀46的位置由LVDT类型移动传感器确定。

不过，LVDT传感器非常昂贵，难以安装燃料支路以向活塞提供压力。而且，由于环形上游腔和环形下游腔是连通的，不管止回阀是出于打开位置还是处于关闭位置，止回阀46的上游面和下游面之间的压力差基本上是相同的，这意味着不可能通过止回阀上游面和下游面之间的压力差测量来设计检测止回阀的位置。

本发明为这些问题和上文提到的采用加压空气控制的开关阀和用于检测活塞位置的方案提供了一种解决方案。

以这种方式，根据本发明的阀56是一种开关阀，包括中空体58，其中，连接至通过中空体58的后壁的端口65延伸的轴向杆62的活塞可滑动地安装在中空体内。该轴向杆连接至止回阀，如上文所述，止回阀在活塞60的初始位置打开（见图3A），在活塞60的最终位置关闭（见图3B），导管在高压压缩机级连接至空气吸取装置。中空体58包括加压流体入口端64，在活塞60的上游面63侧敞开至中空体58，上游面63正对着连接至轴向杆62的下游面66。

用于使活塞返回至初始位置的返回装置布置在活塞60的下游面66和中空体58的后壁68之间，后壁68包括用于插入轴向杆62的端口65。

在图中所示的实施例中，返回装置包括工作于压缩状态的弹簧70。该弹簧在活塞位于初始位置时处于放松位置（见图3A）。弹簧70的刚度被确定为在流体压力小于给定值时能够使活塞返回至初始位置（见图3A）。

具有圆筒形内腔的腔72安装在中空体外部，并在对着轴向杆62的一侧附接至中空体58的后壁74上。该腔72包括与后壁74的径向端口78对齐的轴向端口76。与轴向杆62同轴并具有圆筒形截面的第二轴向杆80通过中空体58的端口76、78以及腔72延伸至腔72的一个端部，并通过其相对端部刚性地连接至活塞60的上游面63。

腔72包括两个轴向间隔的径向端口82、84，其中一个径向端口82是加压流体入口端口，而另一个径向端口84是加压流体出口端口。第二轴向杆80的安装在腔72内部的自由端在活塞不位于最终位置时关断出口端口84。

中空体58的端口64以及腔72的端口82通过通路86连接至由涡轮发动机计算机90控制的伺服阀88。腔72的出口端口84通过通路92连接至压力传感器94，而压力传感器94连接至涡轮发动机计算机90。

伺服阀88被提供有在涡轮发动机压缩机上提取的加压空气。

在工作中，计算机90促使伺服阀88打开，使加压空气被提供给中空体58。在压力作用下，活塞60从初始位置（见图3A）移动至最终位置（图3B），并促使第二轴向杆80移动，其中，自由端脱开腔72的出口端口84，使得阀56的供给压力施加到压力传感器94，压力传感器94探测该压力并将相应的信息发送到计算机90。

压力传感器94可以没有困难地检测提供给阀56的压力，这个压力在0巴至30巴之间变化。

有利地，压力传感器94位于风扇12附近，以不受到可能妨碍其工作的高温的影响。

在图4A和图4B示出的本发明的一个可行实施例中，检测腔96附接至被轴向杆62横穿的壁68。轴向杆62通过检测腔96，该检测腔包括连接到压力传感器94的加压空气径向入口端口98以及径向出口端口100。出口端口100的关断元件102是由轴向杆62的环形轴环形成的并位于检测腔96内。环形轴环102的径向尺寸为使得环形轴环在检测腔96内紧密滑动的尺寸。该环形轴环102位于轴向杆62上，使得活塞60未达到其最终位置时阻止流体压力施加到压力传感器94上。

在图5A和图5B所示的本发明第三实施例中，中空体106作为检测腔，活塞60作为关断元件，以将压力施加到压力传感器上。从而，连接至压力传感器的与入口端口64相关的径向出口端口104形成在中空体的下游端，并相对于该入口端口轴向偏离一个不超出活塞60在中空体58中的行程的距离。从而，活塞60在初始位置插入在入口端口64和出口端口104之间，并在最终位置经过出口端口104，此时，活塞60被供给了加压流体。

在图3A和3B所示的本发明的一个可行实施例中，第二轴向杆80可以以与上文参照图4A和图4B所述的方式类似的方式包括诸如环形轴环之类的关断元件。

简单地采用特别的校验过程，可以检测止回阀或活塞的卡滞，该校验过程包括：向中空体58、106提供加压流体，所施加的压力小于移动活塞60的给定压力，以不使活塞移动。然后，将传感器94测到的压力值与供给压力值比较。如果传感器94测得的压力值等于供给压力值，推断出腔72、96和106的入口82、98和64以及出口84、100和104连通，而且，活塞60卡滞在打开位置。否则，传感器94测得的压力为零，活塞位于关闭位置。如果供给压力值此时增加到一个大于或者等于移动活塞60所需的给定压力的值，如果传感器94测得的压力保持为零，推断活塞60从而被卡滞在关闭位置。

可以在起飞之前或者降落之后的地面停靠时进行用于检验活塞的卡滞装置的过程。

尽管根据本发明的阀特别有利地用于控制涡轮发动机中的涡轮叶片端部的间隙，该阀还可以用于其他需要确定由活塞驱动的可动部件的位置的技术领域。

Claims (9)

1.一种阀，所述阀包括可移动地安装在中空体中的活塞、刚性连接至所述活塞并用于连接至可移动构件的杆、用于向所述中空体供应加压流体以在所述中空体中在初始位置和最终位置之间移动所述活塞的供给装置、以及在流体压力小于给定压力时使所述活塞返回至所述初始位置的返回装置，其特征在于，所述阀包括用于检测所述活塞的位置的检测装置，所述检测装置包括关断元件，所述关断元件与所述活塞一起移动，并被固定得可以在所述流体通路的打开位置和关闭位置这两个位置之间的流体通路中移动，所述流体通路通过一端连接至用于向所述中空体供给加压流体的所述供给装置，通过另一端连接至压力传感器，所述压力传感器产生表示所述阀的活塞的位置的输出信号。

2.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述阀包括腔，所述腔包含刚性连接至所述阀的活塞并与所述活塞同轴延伸的杆，所述腔具有连接至加压流体供给装置的入口端口以及出口端口，所述出口端口在所述活塞位于初始位置时被所述杆隐藏和在所述活塞位于最终位置时展现出来，所述出口端口连接至所述压力传感器。

3.根据权利要求2所述的阀，其特征在于，包含在所述腔中的杆是连接到所述可移动构件的杆，并支撑所述关断元件，所述关断元件是由所述腔内的杆的环形轴环形成的。

4.根据权利要求2所述的阀，其特征在于，包含在所述腔中的杆从活塞相对于连接的杆延伸至所述可移动构件。

5.根据权利要求2至4中任何一项权利要求所述的阀，其特征在于，所述腔位于包含所述活塞的中空体的外部，并由所述中空体的后壁支撑。

6.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述流体通路包括所述中空体，其中，所述活塞作为中空体的连接到加压流体供给装置的端口和所述中空体的连接到所述压力传感器的端口之间的密封隔离元件，在所述活塞位于所述活塞的最终位置附近时，所述中空体的这两个端口是彼此连接的。

7.一种涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮发动机包括如权利要求1至6中任意一项所述的用于控制涡轮机片端部间隙的阀。

8.根据权利要求7所述的涡轮发动机，其特征在于，供给装置连接至从压缩机级上吸取加压空气的吸取装置，压力传感器位于涡轮发动机的上游端的风扇附近。

9.一种用于检测在如权利要求1至6中任意一项所述的阀中的活塞的卡滞的过程，其特征在于，所述过程包括以下步骤：

a，向中空体供给压力流体，流体的压力小于使活塞(60)移动的给定压力；

b，比较压力传感器测得的压力值和中空体的供给压力，并推断活塞是否卡滞在打开位置；

c，如果压力传感器测得的压力值为零，将中空体的供给压力至少增大至使所述活塞移动的给定压力；

d，比较所述压力传感器测得的新的压力值和中空体的供给压力，并推断活塞是否卡滞在关闭位置。