CN103244278B - 燃气涡轮发动机燃料回流阀和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃气涡轮发动机燃料回流阀和系统。燃料回流阀和系统包括伺服控制阀和流动水平选择和关闭阀。流动水平选择和关闭阀包括第一燃料入口、第二燃料入口、回流到燃料箱的出口、和可在关闭位置、中等流动位置和最大流动位置之间移动的阀元件。伺服控制阀被联接到流动水平选择和关闭阀并且被构造成控制其内的相对流体压力从而选择性地移动阀元件到关闭位置、中等流动位置和最大流动位置。
Description
技术领域
本发明总体涉及燃气涡轮发动机燃料控制,并且更具体地涉及用于燃气涡轮发动机燃料控制系统的燃料回流阀。
背景技术
在许多飞机中,燃料不仅被供给到燃气涡轮推进发动机来推进飞机,还被用于热管理。即,从燃料箱抽吸的燃料的一部分还可被用于冷却各种部件和润滑油,并且之后再回流到燃料箱。飞机燃料箱内的燃料通常相对来说是冷的(例如,环境温度),而已经被从燃料箱内抽出、由一个或多个泵加压、被引导通过各种燃料/油冷却器、装置冷却回路、燃料控制旁通环路等的燃料相对来说是热的(例如,约325°F)。
当推进发动机以相对低的功率条件运行时,燃料的燃烧流动速率也可能是相对低的。在一些情况下,相对低的燃烧流动速率可引起被回流到燃料箱的燃料处于相对高的温度。法规认证地方对被回流到飞机燃料箱的燃料的温度做出限制。因此,一些飞机燃料供应系统包括多个阀以选择性地将相对冷的燃料与相对热的回流燃料混合以在其被回流到燃料箱之前降低其温度。通常,为了确保在操作范围上的适当操作,热和冷燃料流的混合物以及总燃料流量都被准确地控制到两个不同的水平。目前已知的构造依赖于多个螺线管,其被用于定位计量阀以实现两个所要求的流动水平并且用于定位单独的关闭阀以实现关闭。这种构造还依赖于两个位置传感器以能实现阀位置控制和确认。
目前已知的用于选择性控制到燃料箱的回流燃料流的构造通常是安全的、可靠的、和稳健的,但确实也表现出了某些缺点。例如,这些构造依赖于多个阀、多个螺线管、和多个位置传感器,这些会增加整个系统成本和重量。
因此,需要一种设备,其选择性地控制到燃料箱的回流燃料流,但该设备不依赖于多个阀、多个螺线管和多个位置传感器。本发明至少解决了这种需要。
发明内容
在一个实施例中,燃料回流阀包括流动水平选择和关闭阀以及伺服控制阀。流动水平选择和关闭阀包括第一燃料入口、第二燃料入口、回流到燃料箱的出口、和可在关闭位置、中等流动位置和最大流动位置之间移动的阀元件。伺服控制阀被联接到流动水平选择和关闭阀并且被构造成控制其内的相对流体压力从而选择性地移动阀元件到关闭位置、中等流动位置和最大流动位置。流动水平选择和关闭阀被构造成使得当阀元件处于关闭位置时,阻止燃料流入并通过第一和第二燃料入口端口以及流出回流到燃料箱的出口端口。当阀元件处于中等流动位置时,燃料可以第一流动速率流入并通过第一和第二燃料入口以及流出回流到燃料箱的出口端口。当阀元件处于最大流动位置时,燃料可以第二流动速率流入并通过第一和第二燃料入口以及流出回流到燃料箱的出口端口,第二流动速率大于第一流动速率。
在另一实施例中,燃料回流阀包括伺服控制阀和流动水平选择和关闭阀。伺服控制阀包括伺服燃料入口、伺服燃料出口、第一伺服燃料控制压力端口和第二伺服燃料控制压力端口。伺服控制阀被构造成选择性地控制在第一和第二伺服燃料控制压力端口处的相对流体压力。流动水平选择和关闭阀包括第一和第二冷燃料入口端口、第一和第二热燃料入口端口、回流到燃料箱的出口端口、控制压力入口端口、第一控制压力端口、第二控制压力端口、和可移动到至少关闭位置、中等流动位置、和最大流动位置的阀元件。控制压力入口端口与伺服燃料入口流体连通,第一控制压力端口联接到第一伺服燃料控制压力端口并与之流体连通,并且第二控制压力端口联接到第二伺服燃料控制压力端口并与之流体连通。流动水平选择和关闭阀被构造成使得当第一伺服燃料控制压力端口处的流体压力大于第二伺服燃料控制压力端口处的流体压力时阀元件处于关闭位置,由此第一和第二冷燃料入口端口和第一和第二热燃料入口端口都与回流到燃料箱的出口端口流体隔离。当第一伺服燃料控制压力端口处的流体压力等于第二伺服燃料控制压力端口处的流体压力时阀元件处于中等流动位置,由此仅第一冷燃料入口端口和仅第一热燃料入口端口与回流到燃料箱的出口端口流体连通。当第一伺服燃料控制压力端口处的流体压力小于第二伺服燃料控制压力端口处的流体压力时阀元件处于最大流动位置,由此第一和第二冷燃料入口端口和第一和第二热燃料入口端口都与回流到燃料箱的出口端口流体连通。
在又一实施例中,燃料回流流动控制系统包括伺服控制燃料源、冷燃料回流流动源、热燃料回流流动源、和与伺服控制燃料源、冷燃料回流流动源和热燃料回流流动源流体连通的燃料回流阀。燃料回流阀包括电动液压伺服控制阀和流动水平选择和关闭阀。电动液压伺服控制阀包括伺服燃料入口、伺服燃料出口、第一伺服燃料控制压力端口和第二伺服燃料控制压力端口。伺服燃料入口与伺服控制燃料源流体连通。电动液压伺服控制阀被构造成选择性地控制在第一和第二伺服燃料控制压力端口处的相对燃料压力。流动水平选择和关闭阀包括第一和第二冷燃料入口端口、第一和第二热燃料入口端口、回流到燃料箱的燃料出口端口、控制压力入口端口、第一控制压力端口、第二控制压力端口、和可移动到至少关闭位置、中等流动位置、和最大流动位置的阀元件。控制压力入口端口与伺服控制燃料源流体连通,第一控制压力端口联接到第一伺服燃料控制压力端口并与之流体连通,第二控制压力端口联接到第二伺服燃料控制压力端口并与之流体连通,第一和第二冷燃料入口端口与冷燃料回流流动源流体连通,而第一和第二热燃料入口端口与热燃料回流流动源流体连通。流动水平选择和关闭阀被构造成使得当第一伺服燃料控制压力端口处的燃料压力大于第二伺服燃料控制压力端口处的燃料压力时阀元件处于关闭位置,由此第一和第二冷燃料入口端口和第一和第二热燃料入口端口都与回流到燃料箱的燃料出口端口流体隔离。当第一伺服燃料控制压力端口处的燃料压力等于第二伺服燃料控制压力端口处的燃料压力时阀元件处于中等流动位置,由此仅第一冷燃料入口端口和仅第一热燃料入口端口与回流到燃料箱的燃料出口端口流体连通。当第一伺服燃料控制压力端口处的燃料压力小于第二伺服燃料控制压力端口处的燃料压力时阀元件处于最大流动位置,由此第一和第二冷燃料入口端口和第一和第二热燃料入口端口都与回流到燃料箱的燃料出口端口流体连通。
另外,燃料回流阀和系统的其它令人满意的特征和特点将从下面的具体描述和所附的权利要求并结合附图以及前面的背景技术而变得易于理解。
附图说明
此后将结合下面的附图描述本发明的实施例,其中相同的附图标记表示相同的元件;并且其中
图1是燃料回流系统的至少一部分的实施例的简化框图;以及
图2-4描述了处于三个不同的阀位置的燃料回流阀的示意图示,并且其可被实施在图1中描述的示例性燃料回流系统的部分中。
具体实施方式
下面的具体描述本质上仅仅是示例性的,并非用于限定本发明、其应用或使用。在本文使用时,词语“示例性”表示“用作示例、例子或说明”。因此,本文描述的任何“示例性”实施例都不一定被理解为相比其它实施例是优选的或有利的。本文描述的所有实施例都是示例性实施例,它们被提供用于使本领域技术人员能够制造或使用本发明,并且不是用于限制本发明的范围,本发明的范围由权利要求限定。而且,并不意在受在前面的技术领域、背景技术、发明内容或者后面的具体实施方式中出现的任何明示或暗示的理论的约束。
参照图1,描述了燃料回流流动控制系统的实施例的至少一部分的功能框图,并且其包括伺服控制燃料源102、冷燃料回流流动源104、热燃料回流流动源106、燃料回流阀(FRV)108、和燃料箱110。伺服控制燃料源102、冷回流燃料源104和热回流燃料源106在图1中以简化的形式描述,因为这些源在飞机燃料供应系统中的具体位置可以改变。不过,注意到的是,冷燃料回流源104和热燃料回流源106每一个所处的位置使得来自冷燃料回流流动源104的燃料的温度低于从热燃料回流流动源106供应的燃料。
无论伺服控制燃料源102、冷燃料回流流动源104、热燃料回流流动源106的具体位置如何,所看到的是FRV108与这些源中的每一个流体连通。FRV108也适合于接收从未图示的源选择性供应的位置命令,并且被构造成响应于所述选择性供应的位置命令被可控地移动到三个不同的位置-关闭位置、中等流动位置和最大流动位置。如可意识到的,在关闭位置中,没有燃料流动通过FRV108。在中等流动位置中,燃料以第一流动速率流出FRV108并且在最大流动位置中,燃料以第二流动速率流出FRV108,第二流动速率大于第一流动速率。如所图示地,FRV108的关闭和双流动计量功能被实施在单个阀本体112中。FRV108用于实施这种功能的特定的构造被示出在图2-4中,并且下面将进行描述。
首先参照图2,描述的FRV108包括伺服控制阀202和流动水平选择和关闭阀204,设置在单个阀本体112中。伺服控制阀202包括伺服燃料入口206,其与伺服控制燃料源102流体连通。伺服控制阀202还包括伺服燃料出口208、第一伺服燃料控制压力端口212和第二伺服燃料控制压力端口214。伺服控制阀202被构造成响应于上述选择性供应的位置命令选择性地控制在第一和第二伺服燃料控制压力端口212、214处的相对燃料压力。
伺服控制阀202可以不同方式被实施并构造以执行其功能,但是在描述的实施例中伺服控制阀202是使用双通道电动液压伺服阀(EHSV)实施的。EHSV202包括双通道扭矩马达216和喷射管218。扭矩马达216包括电枢222和两组绕组224(例如,224-1和224-2)。电枢222被联接到喷射管218,并且绕组的每一者都被联接到被选择性地提供的位置命令的源。在大多数实施例中,仅有一组绕组224将接收位置命令,而另一组是备用的。不过,如果需要或期望,两组绕组224将同时被提供位置命令。在任一种情况下,电枢222响应于所提供的位置命令而将喷射管218移动到三个分开的位置中的其中一个——第一控制位置、第二控制位置或者第三控制位置。
喷射管218包括入口端口226和出口端口228。入口端口226与伺服燃料入口206流体连通,并且因此接收从伺服控制燃料源102被供应的伺服燃料流。出口端口228被设置成邻近伺服燃料出口208、第一伺服燃料控制压力端口212和第二伺服燃料控制压力端口214,并且排放被供应到喷射管218的燃料。通过这种构造,喷射管218基于其三个分开的位置建立了在第一伺服燃料控制压力端口212和第二伺服燃料控制压力端口214处的三个不同的压力状态。在第一控制位置,其是在图2中描述的位置,在第一伺服燃料控制压力端口212处的压力将高于在第二伺服燃料控制压力端口214处的压力。在第二控制位置,其是图3中描述的位置,在第一伺服燃料控制压力端口212和第二伺服燃料控制压力端口214处的压力将至少基本上相等。并且在第三控制位置,其是在图4中描述的位置,第二伺服燃料控制压力端口214处的压力将高于第一伺服燃料控制压力端口212处的压力。如下面进一步描述的,响应于这三个不同的压力状态来定位流动水平选择和关闭阀204。在描述对此如何实施之前,先提供对流动水平选择和关闭阀204的描述。
在此参照图2,流动水平选择和关闭阀204包括控制压力入口端口232、第一控制压力端口234、第二控制压力端口236、第一燃料入口238、第二燃料入口242、回流到燃料箱的燃料出口端口244和阀元件246。阀元件246是多直径阀,其至少包括相对较大的头部端246-1和相对较小的杆端246-2。杆端246-2由双壁组成以形成流体通路246-3。控制压力入口端口232供应压力到环形腔235,其由阀本体112、阀元件头部端246-1和阀元件杆端246-2限定。控制压力入口端口232与伺服控制燃料源102通过流动控制孔233流体连通,并且至少在描述的实施例中,也与伺服燃料入口206流体连通。第一控制压力端口234供应压力到头部端腔237,头部端腔237由阀本体112和阀元件246限定。第一控制压力端口234联接到第一伺服燃料控制压力端口212并与之流体连通。第二控制压力端口236联接到第二伺服燃料控制压力端口214并与之流体连通。第一燃料入口238与冷燃料回流流动源104流体连通,第二燃料入口242与热燃料回流流动源106流体连通,而回流到燃料箱的燃料出口端口244与燃料箱110流体连通。
阀元件246被设置在阀本体112内并且可被移动到至少关闭位置、中等流动位置和最大流动位置。在关闭位置,其是图2中示出的位置,阻止燃料流入并通过第一燃料入口238和第二燃料入口242以及流出回流到燃料箱的出口端口244。在中等流动位置,其是在图3中示出的位置,燃料可以第一流动速率流入并通过第一燃料入口238和第二燃料入口242以及流出回流到燃料箱的出口端口244。在最大流动位置,其是在图4中描述的位置,燃料可以更大的第二流动速率流入并通过第一燃料入口238和第二燃料入口242以及流出回流到燃料箱的出口端口244。
虽然流动水平选择和关闭阀204可以不同的方式被构造以在阀元件246被移动到中等流动位置和最大流动位置时分别促进第一和第二流动速率,但是在描述的实施例中,阀元件246具有在其内形成的多个端口。更具体地说,阀元件246具有第一和第二冷燃料入口端口248-1和248-2以及第一和第二热燃料入口端口252-1和252-2。基于阀元件246的位置,第一和第二冷燃料入口端口248-1和248-2选择性地都不被设置为与第一燃料入口238和回流到燃料箱的出口端口244流体连通、其中一个被设置为与第一燃料入口238和回流到燃料箱的出口端口244流体连通或者两个都被设置为与第一燃料入口238和回流到燃料箱的出口端口244流体连通。类似地,基于阀元件246的位置,第一和第二热燃料入口端口252-1和252-2选择性地都不被设置为与第二燃料入口242和回流到燃料箱的出口端口244流体连通、其中一个被设置为与第二燃料入口242和回流到燃料箱的出口端口244流体连通或者两个都被设置为与第二燃料入口242和回流到燃料箱的出口端口244流体连通。
如在图2中描述的,当阀元件246处于关闭位置时,第一和第二冷燃料入口端口248-1和248-2两者都与第一燃料入口238和回流到燃料箱的出口端口244流体隔离,并且第一和第二热燃料入口端口252-1和252-2两者都与第二燃料入口242和回流到燃料箱的出口端口244流体隔离。如在图3中描述的,当阀元件246处于中等流动位置时,仅第一冷燃料入口端口248-1与第一燃料入口238和回流到燃料箱的出口端口244通过流体通路246-3流体连通,而且仅第一热燃料入口端口252-1与第二燃料入口242和回流到燃料箱的出口端口244通过流体通路246-3流体连通。如在图4中描述的,当阀元件246处于最大流动位置时,第一和第二冷燃料入口端口248-1和248-2两者都与第一燃料入口238和回流到燃料箱的出口端口244通过流体通路246-3流体连通,并且第一和第二热燃料入口端口252-1和252-2两者都与第二燃料入口242和回流到燃料箱的出口端口244通过流体通路246-3流体连通。
上面记载的是响应于在伺服阀202的第一伺服燃料控制压力端口212和第二伺服燃料控制压力端口214处建立的三个不同的压力状态来定位流动水平选择和关闭阀204。下面将提供关于这如何发生的更详细的讨论。再次参照图2,其描述了处于第一控制位置的喷射管218,在第一伺服燃料控制压力端口212处的压力高于在第二伺服燃料控制压力端口214处的压力。结果,在第一控制压力端口234处的压力高于在第二控制压力端口236处的压力。这导致了在头部端腔237中的作用在阀元件头部端246-1上的相对高的压力、在环形腔235中的作用在阀元件246的环形区域上的可变压力和作用在阀元件杆端246-2上的相对低的压力。这种压力状态引起了阀元件246移动到关闭位置。参照图3,当喷射管218处于第二控制位置时,在第一伺服燃料控制压力端口212和第二伺服燃料控制压力端口214处的压力至少基本上相等,并且因此在第一控制压力端口234和第二控制压力端口236处的压力也相等。这导致了在头部端腔237中的作用在阀元件头部端246-1区域上的相对中等的压力、作用在阀元件246的环形区域上的相对更高的压力,这个压力通过流动控制孔233联合由部分地封闭压力端口236的阀元件246形成的结果区域调节,以及作用在阀元件杆端246-2上的相对低的压力。这种压力状态引起阀元件246移动到中等流动位置。最后,如图4中描述的,当喷射管218处于第三控制位置时,在第二伺服燃料控制压力端口214处的压力高于在第一伺服燃料控制压力端口212处的压力。伴随地,在第二控制压力端口236处的压力现在高于在第一控制压力端口234处的压力。这导致了在头部端腔237中的作用在阀元件头部端246-1上的相对低的压力、作用在阀元件246的环形区域上的相对高的压力和作用在阀元件杆端246-2上的相对低的压力。这种压力状态引起阀元件246移动到最大流动位置。
在进行下一步之前,要注意的是伺服阀202被构造成使得每当扭矩马达216被去激励时,喷射管218就将移动到第二控制位置。这确保了在不太可能发生的到FRV108的电能不可获得时,FRV108将被移动到中等流动位置。有时这被称为“故障保护”位置。
现在进行剩下的描述,所描述的FRV108还包括第一燃料压力调节器阀254、第二燃料压力调节器阀256和阀位置传感器258。第一燃料压力调节器254被设置在第一燃料入口238的上游,并且第二燃料压力调节器阀256被设置在第二燃料入口242的上游。第一燃料压力调节器254和第二燃料压力调节器256是独立的,并且分别控制跨过第一和第二冷燃料入口端口248-1和248-2和第一和第二热燃料入口端口252-1和252-2的压差。这确保了在压力调节器阀上游的在大范围压力上的精确流动。
阀位置传感器258被构造成感测FRV108的位置,并且更具体的是阀元件246的位置,并提供表示它们的阀位置信号。虽然阀位置传感器258可使用数种位置感测设备中的任一种实施,但是在描述的实施例中,其使用线性可变差动变压器(LVDT)位置传感器实施。阀位置传感器258因此包括外壳262和可移动的金属片264。外壳262联接到阀本体112并且延伸入阀元件246,并且容纳未图示的LVDT。可移动的金属片264接合阀元件246,并且被部分地设置在外壳262内并可相对于外壳262移动。在描述的实施例中提供弹簧元件266以加载可移动的金属片264从而接合到阀元件246,从而缓解对将可移动的金属片264紧固、焊接、铜焊或以其它方式联接到阀元件246的需要。弹簧元件266还给阀元件246提供了偏置力,其在没有伺服控制流体压力被提供到FRV108时例如在发动机停机状态期间迫使阀元件246抵靠阀座268。这确保了在发动机停机时通过FRV108到燃料箱110有非常少的泄漏或者没有泄漏。应该注意到的是,在正常发动机操作模式期间当伺服流体压力被供应到FRV108时,没有依赖弹簧元件266来将阀元件246定位到三个分开的位置中的任何一个。
本文公开的FRV108利用单个位置传感器在单个阀中实施了准确计量和关闭功能。使用被命令到三个相应的分开的位置的相对简单的单级伺服阀可将FRV108命令到三个分开的位置,并且在正常发动机运行状态期间FRV108不依赖定位弹簧或复杂的闭环控制逻辑。
在本文中,关系术语例如第一和第二等可被单独使用以区分一个实体或动作与另一个实体或动作,而不一定要求或暗示在这些实体或动作之间有任何实际的这种关系或顺序。数字序数例如“第一”、“第二”、“第三”等仅指示多个中的不同的单个而不暗示任何的顺序或次序,除非由权利要求语言明确定义。任何权利要求的文字中的次序都不暗示必须根据这种次序以暂时的或逻辑的顺序执行过程步骤,除非在权利要求的语言中另有明确限定。过程步骤可以任意顺序互换而不脱离本发明的范围,只要这种互换不与权利要求的语言矛盾并且不是逻辑上无意义的。
而且,取决于上下文,用于描述不同元件之间关系的词语例如“连接”或“联接到”不暗示在这些元件之间必须进行直接物理连接。例如,两个元件可物理地、电子地、逻辑地或以任何其它方式,通过一个或多个额外的元件彼此连接。
虽然已经在本发明的前面的具体描述中给出了至少一个示例性实施例,但应当意识到存在大量的变型。还应意识到,一个或多个示例性实施例仅为示例,并且决不是用来限制本发明的范围、应用性、或构造。更确切地说,前面的具体描述将给本领域技术人员提供用于实施本发明的示例性实施例的方便的路线图。应当理解的是,可在示例性实施例中描述的元件的功能和布置方面进行各种改变,而不超出由所附权利要求限定的本发明的范围。
Claims (8)
1.一种燃料回流阀,其包括:
流动水平选择和关闭阀,其包括第一燃料入口、第二燃料入口、回流到燃料箱的燃料出口、控制压力入口端口、第一控制压力端口、第二控制压力端口和可在关闭位置、中等流动位置和最大流动位置之间移动的阀元件;以及
伺服控制阀,其被联接到流动水平选择和关闭阀并且被构造成控制其内的相对流体压力从而选择性地移动阀元件到关闭位置、中等流动位置和最大流动位置,
其中流动水平选择和关闭阀被构造成使得:
当阀元件处于关闭位置时,阻止燃料流入并通过第一和第二燃料入口端口以及流出回流到燃料箱的出口端口,
当阀元件处于中等流动位置时,燃料可以以第一流动速率流入并通过第一和第二燃料入口以及流出回流到燃料箱的出口端口,和
当阀元件处于最大流动位置时,燃料可以以第二流动速率流入并通过第一和第二燃料入口以及流出回流到燃料箱的出口端口,第二流动速率大于第一流动速率。
2.如权利要求1所述的燃料回流阀,其中伺服控制阀包括:
伺服燃料入口;
伺服燃料出口;
第一伺服燃料控制压力端口;和
第二伺服燃料控制压力端口,
其中伺服控制阀被构造成通过控制在第一和第二伺服燃料控制压力端口处的相对流体压力来选择性地控制在流动水平选择和关闭阀内的相对流体压力。
3.如权利要求1所述的燃料回流阀,其中伺服控制阀是电动液压伺服阀(EHSV)。
4.如权利要求1所述的燃料回流阀,其中阀元件包括:
第一和第二冷燃料入口端口,基于阀元件的位置,第一和第二冷燃料入口端口中的一个或两个选择性被设置成与第一燃料入口和回流到燃料箱的出口端口流体连通;以及
第一和第二热燃料入口端口,基于阀元件的位置,第一和第二热燃料入口端口中的一个或两个选择性被设置成与第二燃料入口和回流到燃料箱的出口端口流体连通。
5.如权利要求4所述的燃料回流阀,其中:
在阀元件处于关闭位置时,第一和第二冷燃料入口端口都与第一燃料入口和回流到燃料箱的出口端口流体隔离,并且第一和第二热燃料入口端口都与第二燃料入口和回流到燃料箱的出口端口流体隔离;
当阀元件处于中等流动位置时,仅第一冷燃料入口端口与第一燃料入口和回流到燃料箱的出口端口流体连通,并仅第一热燃料入口端口与第二燃料入口和回流到燃料箱的出口端口流体连通;以及
当阀元件处于最大流动位置时,第一和第二冷燃料入口端口都与第一燃料入口和回流到燃料箱的出口端口流体连通,并第一和第二热燃料入口端口都与第二燃料入口和回流到燃料箱的出口端口流体连通。
6.如权利要求1所述的燃料回流阀,还包括:
位置传感器,其联接到流动水平选择和关闭阀并构造成感测其位置。
7.如权利要求6所述的燃料回流阀,其中位置传感器包括线性可变差动变压器(LVDT)。
8.如权利要求1所述的燃料回流阀,还包括:
设置在第一燃料入口上游的第一燃料压力调节器阀;和
设置在第二燃料入口上游的第二燃料压力调节器阀。
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