CN104755758A - 离心式泵送和计量系统中的变排量泵的流体力学式压力补偿控制装置及相关方法 - Google Patents

离心式泵送和计量系统中的变排量泵的流体力学式压力补偿控制装置及相关方法 Download PDF

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Abstract

一种泵组件包括泵单元，所述泵单元具有供给加压流的变量泵和离心泵。燃料控制组件从所述泵单元接收流并且包括至少一个计量阀和至少一个节流阀。用于所述变量泵的控制装置接收指示跨所述节流阀或跨所述计量阀/节流阀组合的压力差的第一和第二压力信号，以响应于所述压力差而改变所述变量泵的操作。

Description

离心式泵送和计量系统中的变排量泵的流体力学式压力补偿控制装置及相关方法
技术领域
本示例性实施方式涉及一种泵系统，并且更具体地涉及一种包括高速离心泵和变排量泵的系统。其特别是与燃料计量系统结合应用，并且将特别参照燃料计量系统来进行说明。但要了解的是，本示例性实施方式也可适用于其它相似的应用。
背景技术
通常，由于与动力消耗有关的益处，在泵系统中期望有高速离心泵。此外，离心泵通常是重量轻的，被认为具有长的寿命，具有有限的压力脉动，并且通常有利于多种下游用途。当尝试结合与例如航空器发动机应用相关的燃料泵采用高速离心泵技术时，需要注意某些条件。发动机起动是其中一项，因为高速离心泵在发动机速度上升到特定水平之前不提供起动所需的升高的燃料压力。因此，需要发动机以较低的驱动速度起动。但是，如果发动机起动是唯一关心的参数，则泵系统会为了泵运转状态(即，惰转、巡航、爬升等)的平衡而变得过大。大型泵又产生一系列与对系统的热冲击有关的系统问题。同样，在设计有效的燃料泵系统时必须解决尺寸约束和重量问题。
因此，常常将变排量泵结合到泵系统中，以应对离心泵在低发动机速度下产生的低压力。变排量泵在发动机起动时提供附加的要求压力和流量。除了使用变排量泵送级来提供发动机起动(即满足发动机起动需求)之外，变排量泵在其它用途有需求时同样输送超过由离心级输送的最大压力的压力。
为了提供精确计量的流量，并且减压至下游所需的水平，离心泵和计量系统基于由离心泵和节流式计量系统产生的压力而工作。但是，为使变排量泵在节流式计量系统中工作，必须对变排量泵进行压力补偿。这将允许离心泵在低速下与由变排量泵提供的附加压力和流量结合以满足起动需求。此外，变排量泵随后能有利地用于，一旦离心泵已达到最高速度和最大压力输出并且需要附加输出，便提供高于离心泵输出的排出压力的升压。
因此，存在对以经济、有效、紧凑、简单、自动、压力补偿且适合一个或多个计量环路的方式为包括离心泵和节流式计量系统的泵单元提供附加的系统容量(和相关方法)的需求。
发明内容
一种泵单元包括供给加压流的变量泵(可变泵)和高速离心泵单元。燃料控制组件从泵单元接收流并且包括至少一个计量阀和从所述计量阀接收流的至少一个节流阀。用于所述变量泵的控制装置接收指示至少跨所述节流阀的压力差的第一和第二信号，以响应于所述压力差而改变所述变量泵的操作。
所述第一和第二信号可指示跨所述计量阀和所述节流阀的组合的压力差。
在一种优选设置中，所述控制装置为流体力学式(液压液力式，hydromechanical)压力补偿组件，且所述第一和第二信号为压力信号。
如果存在多于一个节流阀，则所述控制装置对具有最低差压的节流阀(或计量阀/节流阀组合)作出响应。
在最低差压下，仅所述离心泵向所述燃料控制组件提供压力。
在较高差压下，所述控制装置命令所述变量泵产生最低排量输出。
如果所述差压变得低于所述最低差压，则所述控制装置发出信号以使所述变量泵增大排量并提供充分的压力以维持跨所述节流阀或计量阀/节流阀组合的最低压力水平。
在一种优选设置中，所述变量泵为具有自由旋转的凸轮环的变排量泵，且所述变量泵和所述离心泵以不同的相对转速被驱动(例如，所述变量泵在一个实施例中以所述离心泵的转速的约50％被驱动，并且可被共轴地驱动)。
在一种改型中，设置有导流器(inducer)级，并且所述导流器级以降低的转速被驱动以操作性地改善所述离心泵的入口性能特性。
一种操作泵组件的方法包括提供泵单元，所述泵单元包括供给加压流的变量泵和高速离心泵。所述方法还包括提供燃料控制组件，所述燃料控制组件从所述泵单元接收流并且包括至少一个计量阀和从所述至少一个计量阀接收流的至少一个节流阀。所述方法还包括监测至少跨所述节流阀的压力差并且响应于所述压力差而控制所述泵单元的操作。
所述方法还包括从所述节流阀的上游或所述计量阀和所述节流阀组合的上游接收传送到所述燃料控制组件的第一压力信号并从所述节流阀或所述计量阀/节流阀组合的下游接收第二压力信号。
所述方法包括使用所述信号来流体力学式地改变所述泵单元的操作的步骤。
在一个实施例中，所述方法包括使用变排量环泵(ring pump)作为所述变量泵并允许其凸轮环自由旋转以减小粘滞拖阻(viscous drag)。
所述方法包括使用以降低的转速被驱动的导流器来操作性地改善所述离心泵的入口性能特性。
主要益处是在泵单元中补充离心泵输出的能力。
一个优点在于结合了变排量泵送级以在期望时提供发动机起动和升高的压力。
理想而言，所述变排量泵仅在必要时自动接合。
此外，所述变排量泵优选经由流体力学压力来控制。
通过阅读并理解以下详细描述，本发明的其它优点和益处将变得显而易见。
附图说明
图1是处于单计量环路构型的泵组件的示意图。
图2是处于多计量环路构型的泵组件的示意图。
图3是向致动控制模块和燃料计量单元提供加压流体的泵单元的系统示意图。
具体实施方式
图1是泵送和计量系统100的示意图，并且特别代表单计量环路。系统100包括泵单元110，例如用于航空器发动机的燃料泵，该泵单元如参考标号112所示从上游源(未示出)接收流体并且将加压流体114输送到控制用于一个或多个下游用途(如参考标号122所示)的流体的下游燃料控制装置120。在最广泛的意义上，燃料控制装置120包括计量阀130和节流阀140。
计量阀130从泵单元110接收加压流体114并将加压流体150向下游计量供给或输送到节流阀140。泵单元110，典型地为用作用于例如航空器发动机的燃料泵的泵单元，由于在背景技术中指出的原因而包括离心泵。如上文进一步所述，还期望另外使用变排量泵以补充/提供特定条件所需的压力和流量。为了在该系统中使用变排量泵，必须对变排量泵进行压力补偿，以与离心泵所需的节流式燃料计量单元一起工作。
一种用于变排量泵的控制方法是设定压力补偿水平。一个问题在于该水平必须被设定在系统所需的最高水平之上。尽管该预先选择的压力补偿水平效果良好，但在变排量泵工作时系统功率消耗过大。因此，需要具有可变压力补偿水平。
图1示意性地表示响应于变化的压力而改变变排量泵的操作的控制方法。更具体地，第一信号或第一压力信号160以位于计量阀130的下游且位于节流阀140的上游的位置处的流体150的压力为基准。第一压力信号160返回泵单元110，并且更具体地与泵单元的同变排量泵操作性地相关联的控制部通信。此外，第二信号或第二压力信号170指示节流阀140的下游的加压流体的压力。第二压力信号170同样返回泵单元110，并且更具体地返回泵单元的与变排量泵相关联的控制部。第一压力信号160和第二压力信号170感测跨节流阀140的压力差或压降，或感测跨计量阀/节流阀组合的压力差。在该系统100中允许一最低差压，且这种情况下仅离心泵产生升压。如果差压变得低于该最低值，则用于变排量泵的控制信号160、170增大排量，以提供足够的压力来维持跨节流阀140的最低压力水平。因而，该设置和相关的控制方法提供了可变压力补偿水平。该设置确保了始终保持下游压力需求并且将系统功率水平维持在最低。本领域的技术人员还将了解的是，在较高的压力差下，由于离心泵满足系统需求而将变排量泵命令为最低排量。
图2是与结合图1所述的系统100基本上相似并且增加了多个节流阀的泵送和计量系统200的示意图。出于简洁和易于参考的目的，“200”系列中的相似参考标号将指代“100”系列中的相似要素，并且将使用新的参考标号来指代新的组成部分。同样，上文结合图1对各组成部分及其操作的描述适用于图2的各组成部分和系统，除非另外指出。例如，图2中的泵单元210对应于图1中的泵单元110。燃料控制装置220包括多个计量阀230a，230b，…230n和类似地与相应计量阀协作的数量相同的节流阀240a，240b…240n。在图2的系统中，具有最低差压的节流阀(或计量阀/节流阀组合)用来向泵单元210且更具体地向与泵单元的变排量泵相关联的控制装置提供第一压力信号260和第二压力信号270。因而，选择装置(或一系列选择阀)280用作比较器，以使得最终将最低压降传送到泵单元210。
当跨节流阀240的压降或压力差高时，可能不需要由变排量泵提供的附加压力。在另外的情形(如发动机起动或高速离心泵无法提供全部期望压力的其它系统操作)中，高速离心泵的输出由变排量泵来补充，以满足系统需求。更重要地，使变排量泵操作的水平现在是可变的，即不仅仅为“开”或“关”，并且可变操作是流体力学式地响应于对下游的压力状况的监测，亦即监测跨一个或多个节流阀240或计量阀/节流阀组合的压力变化。
图3是泵送和计量系统200的又一示意图，示出了在图1和2中更大体性地示出的组成部分的其它一些细节。例如，泵单元210包括由接纳有叶轮302的壳体300表示的高速离心泵。在通向离心泵300的入口处可设置有导流器304，以提高入口性能、特别是例如在发动机起动时遇到的低速下的性能。驱动轴306向叶轮302提供旋转输入。变排量泵308也由驱动轴306旋转，并且更具体地在此情况下包括共轴的轴310，该轴以由具有期望传动比(在此例中，2:1的传动比)的齿轮传动装置提供的、减小的速度(例如50％)旋转。因而，如上所述，泵单元210向下游用途提供加压流体214。在泵单元210和燃料计量单元220之间介设有通常的系统组成部分，例如燃料/油热交换器320、燃料滤清器322和流量计324。同样，致动控制模块330如本领域中一般已知的那样接收该下游流的一部分，从而认为本文对这些通常的组成部分的进一步说明对本发明的充分和完整的理解而言是不必要的。
如图3中示意性所示，示出了多个计量环路并且具体而言示出了三个环路，不过也可以使用数量更多或更少的环路而不脱离本发明的范围和意图。具体地，每个计量环路都包括计量阀230a、230b、230c和相应的节流阀240a、240b、240c。在各计量阀230a、230b、230c的下游和必要地在对应的节流阀240a、240b、240c的上游的压力作为第一信号(260a，260b，260c)被发送到选择装置280。选择装置280在此被显示为包括接收相应的第一压力信号的两个选择阀280a、280b。以相似的方式，第二压力信号270a、270b、270c从相应节流阀240a、240b、240c的下游提供给对应的选择阀280a、280b中的至少一者。因而，第一选择阀280a将跨第一节流阀240a和第二节流阀240b的压力差或压降进行比较，并且将来自具有最低压力差的节流阀的信号传送到第二选择阀280b，然后在此将它与跨第三节流阀240c的压力差进行比较。然后来自第二选择阀280b的输出作为第一压力信号260和第二压力信号270被传送到与变排量泵308相关联的控制装置340。在系统中允许一最低差压，并且这种情况下，仅要求离心泵300满足系统需求。但是，如果差压变得低于最低值，则控制信号260、270允许控制装置340改变变排量泵308的排量并由此增大排量，并提供足够的压力来按需维持满足系统需求的最低压力水平。
泵单元210有利地组合了高速离心泵级300和变排量泵308。在一种优选设置中，变排量泵308被称为变排量环泵(VDRP)，即在共有的美国专利号7,108,493和7,491,043中大体示出和描述的类型的泵，所述美国专利的公开内容明确并入本文作为参考。这种采用旋转凸轮环的特定形式的变排量泵(变排量环泵或VDRP)是理想的，因为旋转凸轮环呈现低的拖阻。因此，VDRP可以结合与驱动轴306相关联的高速度使用。VRDP的另一个附加益处在于，当它与离心泵300组合时，在离心泵的入口处可有利地使用50％速度导流器级，以提高入口性能特性。
一般说来，当需要超过高速离心泵所能单独产生的压力时，使用VDRP级作为压力补偿式泵，以补充高速离心泵输出压力。通常，VDRP在发动机起动期间和在极端的发动机发动条件下将提供大部分的泵压力。VDRP的旋转凸轮环特别是用来尽量降低VDRP级未使用时的拖阻功率损失。同样，通过在高速离心泵叶轮的50％的速度下驱动VDRP来获得其它益处。这样，泵入口处的50％速度导流器级的机械驱动如上所述提高了入口性能特性。例如，在过去，可能已将20psi导入高速设备，但在该设置中，可代之以将降低的水平如5psi导入低速设备，且因而航空器/机身燃料系统不必极为可靠。系统现在能以引起在较低的供给压力水平下操作的失效的航空器/机身部件运行。另一个益处在于绕叶轮旋转的自由转盘通常采用固定在壳体上的密封件。然而，由于转盘以降低的相对速度(例如，以约50％转速)旋转，因此可使用减小拖阻并提高密封件寿命和可靠性的表面密封件。
以此方式，有利地使用了高速离心泵(其动力消耗良好，对于重量、长寿命、压力脉动和可能存在多个区的下游用途而言理想)。这与允许设计者或制造商形成串接环链(daisy-chain)或增加计量阀而不必增加计量流量、分流等的其它模块的变排量泵组合。
已参考优选实施例描述了示例性实施方式。显然，在阅读并理解了前面的详细描述后，其他人可想到改型和变型。例如，计量环路、计量阀、节流阀的数量可根据下游用途的数量而异。此外，压力范围或轴速度的数值仅为示例性的并且可根据具体系统而异。本公开旨在描述能被解释为包括所有此类改型和变型的示例性实施方式，只要它们处在所附权利要求或其等同物的范围内即可。

Claims (29)

1.一种泵组件，包括：
泵单元，所述泵单元包括供给加压流的变量泵和离心泵；
从所述泵单元接收流的燃料控制组件，所述燃料控制组件包括至少一个计量阀和至少一个节流阀；和
用于所述变量泵的控制装置，所述控制装置接收指示跨至少所述节流阀或跨所述计量阀/节流阀组合的压力差的第一和第二信号，以响应于所述压力差而改变所述变量泵的操作。
2.根据权利要求1所述的泵组件，其中，所述第一信号是从所述计量阀的下游接收的。
3.根据权利要求2所述的泵组件，其中，所述第二信号是从所述节流阀的下游接收的。
4.根据权利要求1所述的泵组件，其中，所述第一信号是从所述计量阀的下游和所述节流阀的上游接收的。
5.根据权利要求4所述的泵组件，其中，所述第二信号是从所述节流阀的下游接收的。
6.根据权利要求1所述的泵组件，其中，所述控制装置为流体力学式压力补偿组件且所述第一和第二信号为压力信号。
7.根据权利要求1所述的泵组件，其中，如果存在多于一个节流阀，则所述第一信号代表具有最低差压的节流阀。
8.根据权利要求1所述的泵组件，其中，所述泵单元包括与所述变量泵操作性地相关联以供给所述燃料控制组件所需的流体压力的高速离心泵。
9.根据权利要求8所述的泵组件，其中，在最低差压下，仅所述离心泵向所述燃料控制组件提供压力。
10.根据权利要求9所述的泵组件，其中，在较高差压下，所述控制装置命令所述变量泵产生最低排量输出。
11.根据权利要求9所述的泵组件，其中，如果所述差压变得低于所述最低差压，则所述控制装置发出信号以使所述变量泵增大排量并提供足够的压力来维持跨所述节流阀的最低压力水平。
12.根据权利要求1所述的泵组件，其中，所述变量泵是具有自由旋转的凸轮环的变排量泵。
13.根据权利要求1所述的泵组件，其中，所述变量泵和所述离心泵以不同的相对转速被驱动。
14.根据权利要求13所述的泵组件，其中，所述变量泵以所述离心泵的转速的约50％被驱动。
15.根据权利要求13所述的泵组件，其中，所述变量泵和所述离心泵被共轴地驱动。
16.根据权利要求1所述的泵组件，还包括以降低的转速被驱动以操作性地提高所述离心泵的入口性能特性的导流器级。
17.一种操作泵组件的方法，包括：
提供泵单元，所述泵单元包括供给加压流的变量泵和高速离心泵；
提供从所述泵单元接收流的燃料控制组件，所述燃料控制组件包括至少一个计量阀和至少一个节流阀；
监测跨所述节流阀或跨所述节流阀和计量阀组合的压力差；以及
响应于所述压力差而控制所述泵单元的操作。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述监测步骤包括从所述计量阀的下游接收第一信号。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述监测步骤包括从所述节流阀的下游接收第二信号。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述监测步骤包括从所述计量阀的下游和所述节流阀的上游接收第一信号。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述监测步骤包括从所述节流阀的下游接收第二信号。
22.根据权利要求17所述的方法，其中，在最低差压下，所述方法包括仅使用所述离心泵向所述燃料控制组件提供压力。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，在较高差压下，所述方法包括命令所述变量泵产生最低排量输出。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，如果所述差压变得低于所述最低差压，则所述方法包括增大所述变量泵的排量以提供足够的压力来维持跨所述节流阀的最低压力水平。
25.根据权利要求17所述的方法，其中，所述监测步骤包括使用第一和第二压力信号，并且所述控制步骤包括使用所述信号来流体力学式地改变所述泵单元的操作。
26.根据权利要求17所述的方法，其中，所述泵单元提供步骤包括使用变排量环泵作为所述变量泵以及允许其凸轮环自由旋转以减小粘滞拖阻。
27.根据权利要求17所述的方法，还包括以不同的转速驱动所述变量泵和所述离心泵。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述驱动步骤包括以所述离心泵的转速的约50％驱动所述变量泵。
29.根据权利要求27所述的方法，其中，所述泵单元提供步骤包括使用以降低的转速被驱动的导流器来操作性地提高所述离心泵的入口性能特性。
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