CN105026734B

CN105026734B - 发动机燃油供给回路的定量装置

Info

Publication number: CN105026734B
Application number: CN201480012982.4A
Authority: CN
Inventors: 史蒂芬·兰福德; 菲利普·让·雷内·玛丽·本尼扎克; 皮埃尔·斯盖尔; 拉斐尔·萨姆森
Original assignee: Turbomeca SA
Current assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2034-03-07
Also published as: WO2014140460A1; RU2015143175A; EP2971703A1; KR20160019405A; US20160017817A1; JP2016516150A; FR3003302B1; RU2015143175A3; FR3003302A1; CN105026734A; CA2903249A1

Abstract

一种发动机燃油供应回路的计量装置，包括计量阀(21)，以及压力控制装置，该压力控制装置在该计量阀(21)的下游与上游之间保持一的恒定的压力差，其中，该计量阀(21)包括一个设置有进口孔(31e)和出口孔(31s)的底座(31)，被布置在该底座(31)内的开闭器(32)，以及控制该开闭器(32)的位置的致动器，该开闭器(32)在该进口孔(31e)与该出口孔(31s)之间限定一通道，该通道的最小截面基于该开闭器(32)沿在下止点与上止点之间延伸并经过一阈值位置的一个通道的位置是可变的。根据本发明，该开闭器(32)的设置方式使得该通道的最小截面，继而穿过该阀(21)的燃油的流速，基于在该下止点与该阈值位置之间的该开闭器的位置的坐标而线性地增加，该通道的最小截面，继而燃油的流速，基于在该阈值位置与该上止点之间的该开闭器的位置的坐标而平方地或更快地增加。

Description

发动机燃油供给回路的定量装置

技术领域

本发明涉及一种发动机的燃油进给回路的计量装置。

它可用于计量供应到任何类型的燃油燃烧发动机的燃油，并且特别地涉及直升机或飞机的涡轮发动机。

背景技术

在直升机中，涡轮发动机的燃油回路通常实施几个功能：它用于从罐中吸收燃油，将其置于压力下，在计算机所提供的定位点的应用中计量它，以及最终将该燃油分配到喷射器。

为了计量该燃油，该燃油回路可包括一个具有可控阀的计量装置。各种计量关系可用于控制该阀。

某些传统的计量装置使用“线性”关系：对于这种关系，由该阀控制的燃油流速与该阀的开闭器构件沿其冲程的运动成线性地增加。然而，由于从最小流速开始的计量关系的恒定斜率，这种线性类型的计量装置很不适于保持高流速范围。此外，该关系仅能容纳小幅度的“增长”，即在额定燃油流速上增加，同时保存现有燃油回路的架构，由于必须保留在这种计量系统的低流速下的解决方案。

其他已知的计量装置使用“指数”关系：对于这种关系，由该阀控制的燃油流速与该阀的开闭器构件沿其冲程的运动成指数地增加。然而，这种装置在控制该阀的致动器发生故障的情况下使用很复杂，特别地由于它们的计量关系的非线性性质，该计量关系很不适用于增量控制(例如，由步进电机控制)：在这种情况下，在开闭器位置中的小误差，如一个步骤的损失，能够导致在燃油计量中的大误差。此外，当重置在整个阀上存在的压差时，也很难调整这种装置，因为由这种重置所导致的任何增益在计量关系的斜率上不恒定。

因此，存在对一种燃油供给回路的计量装置的真正需求，该计量装置至少在这种程度上不遭受对于上述已知计量装置固有的缺点。

发明内容

本描述涉及一种发动机燃油进给回路的计量装置，所述装置包括计量阀，以及压力调节器装置，所述压力调节器装置维持在所述计量阀上从下游到上游的恒定压差，其中，所述计量阀包括一个设置有进口孔和出口孔的底座，被布置在所述底座内的开闭器，以及控制所述开闭器位置的致动器，其中，在所述进口孔和所述出口孔之间，所述开闭器限定一个最小截面的通道，所述最小截面作为开闭器沿一个冲程的位置的函数是可变的，所述冲程在底部邻接和顶部邻接之间延伸并经由阈值位置经过。所述开闭器以如下方式被配置，首先，所述通道的最小截面，以及因而穿过所述阀的燃油流速，作为在所述底部邻接和所述阈值位置之间所述开闭器的位置坐标的函数线性地增加，以及其次，所述通道以及因而燃油流速的最小截面，作为在所述阈值位置和所述顶部邻接之间所述开闭器的位置坐标的函数平方地或更快速地增加。

在伯努利定理的应用中，当从下游到上游在计量阀上的压差通过压力调节器装置保持恒定时，流经计量装置的燃油的速度是恒定的。在这种情况下，流经计量装置的燃油的速度直接地与穿过该阀的最小流截面成比例。因此，对于给定的流动特性，燃油的流速由从上游到下游在计量阀上的压差的值以及由在所述阀的阀座内的开闭器位置完全地确定，该压差的值保持恒定。

所述开闭器的该位置由一个坐标标识，所述坐标能够从对应于所述开闭器的底部邻接位置的最小坐标变化到对应于所述开闭器的顶部邻接位置的最大坐标，这些底部和顶部邻接位置限定所述开闭器的最大冲程的端部：这种坐标可同样地被很好地限定为一些数量的步骤，作为一个角度，或作为从底部邻接行进的距离，或任何其他参考位置，或作为与所述开闭器的最大冲程相比的距离比，或确实作为其他合适的装置。

因此，在这种计量装置中，当所述开闭器从底部邻接朝所述阈值位置移动时，该燃油流线性地增加：在该位置范围中，燃油流速因此作为所述开闭器的位置坐标的仿射函数。换句话说，对于所述开闭器的每一步骤，燃油流速增加或减少一个给定的数量。

相反，当所述开闭器从所述阈值位置朝顶部邻接行进时，燃油流速平方地或更快速地增加：在该位置范围中，燃油流速因此作为所述开闭器的位置坐标的函数到第二度，或到更高的度，或作为指数函数，或具有大于第二度函数的增加速率的任何类型函数。

对于在所述开闭器位置的主要范围上所述开闭器的每一步骤，该计量装置因此可以受益于高分辨率，即流速的精细调节，同时在所述开闭器位置的第二范围中也可以获得流速峰值，以及因此发动机功率峰值，该第二范围可以是很小程度的。此外，该计量受益于在主要范围中非常坚固，由于所述开闭器的小定位误差，如由于致动器或解析器的故障，降低了与定位点相比所获得的流速一点点，同时更大的计量误差能够出现在第二范围中，考虑到所寻找的高流率，该误差更不关键，其中，需要流速峰值的这种场合也很稀少。

此外，这种计量装置有助于在其设计后很好地增加额定燃油流率：在其第二范围中操作的这种装置能够达到与在额定流速方面增加相兼容的高流率，同时在其主要范围中还保持其坚固性。它也可以很容易地有助于被重置的该阀从上游到下游的压差，这样做可以用于获得在穿过该阀的流速整体增加的目的，由于通过其主要范围的线性性质而成为可能的重新校准的容易性。

在本说明书中，术语“邻接”用于表示所述开闭器可用到的冲程的一端：这种邻接位置可通过一种防止所述开闭器超越某一点的实际机械邻接来实施。然而，在某些实施例中，所述计量装置不需要具有任何此类的机械邻接，是计算机防止了所述开闭器移动超越在该计算机中编程的这种邻接位置。

在某些实施例中，所述计量装置被配置，使得通过所述计量阀的最小内截面的值在所述开闭器的阈值位置附近是连续的。

在某些实施例中，所述通道的最小截面作为所述开闭器的位置坐标在阈值位置和顶部邻接之间的函数平方地增加。

在其他实施例中，所述通道的最小截面作为在所述阈值位置和所述顶部邻接之间所述开闭器的位置坐标的函数指数地增加。

在某些实施例中，所述阈值位置对应于所述开闭器的位置，其中穿过所述阀的燃油流速等于发动机的额定运行流速。因此，所述计量装置被调用以在位于所述底部邻接和所述阈值位置之间的位置范围中基本地操作，即在所述计量装置具有更大分辨率和坚固性的线性范围中。相反，当发动机需要更大的动力时，以及从而更大的燃油流速，例如在紧急情况下，所述开闭器能够超出所述阈值位置以快速地达到所要求的流速峰值。

在某些实施例中，所述底部邻接对应于所述燃油流速为零的所述开闭器位置。以这种方式，所述计量装置能够完全地切断燃油的流动。

在某些实施例中，所述发动机为飞机发动机并且所述发动机的额定运行流速为巡航额定流速或起飞额定流速。

在某些实施例中，所述顶部邻接对应于燃油流速等于发动机的紧急最大流速的所述开闭器位置。所述计量装置因此能够供给最大流速到该发动机，能够使其响应于紧急情况，如在具有多个发动机的飞机上发动机的损失。

在某些实施例中，所述阈值位置位于一个在所述开闭器从所述底部邻接到所述顶部邻接的冲程的50％到90％的坐标，并且优选地在所述冲程的60％到80％。因此，保存所述冲程的主要部分用于线性范围，所述线性范围为呈现更好分辨率和更高坚固性的范围，同时平方的或更快速增长的范围可以具有较小程度，同时保存达到高流率的可能性。

在某些实施例中，所述开闭器是一个绕其中心轴线由所述致动器转动的插塞，并且所述插塞具有一个被配置为关闭所述进口孔的变截面的开闭器环，所述开闭器环的轴向宽度在底部邻接方位角和阈值方位角之间保持恒定，并且在所述阈值方位角和顶部邻接方位角之间线性地减少。

在某些实施例中，所述开闭器为一个绕其中心轴线由所述致动器转动的凸轮，并且所述凸轮具有不同的径向厚度，以在所述进口孔和所述凸轮之间留下不同的径向间隙，所述径向厚度在底部邻接方位角和阈值方位角之间线性地减少，并且在所述阈值方位角和顶部邻接方位角之间平方地减少。

在某些实施例中，所述开闭器的角冲程延伸超过70°-150°的幅度，优选地约85°。

在某些实施例中，所述开闭器是沿其中心轴线由所述致动器轴向地驱动的阀探针，并且所述阀探针在收缩通道内是可移动的，它相对于所述收缩通道留下不同的径向间隙。

在某些实施例中，所述致动器是步进电机。这种步进电机提供了准确性，并且因此很好的解决方案。

在某些实施例中，所述步进电机不具有减速齿轮。这用于在提高所述装置的可靠性的同时减少重量和成本。

在某些实施例中，所述压力调节器装置是差动阀。

本说明书还涉及一种涡轮发动机，所述涡轮发动机具有一个装配有根据任一上述实施例的计量装置的燃油进给回路。

本说明书还提供了一种直升机，所述直升机包括根据任一上述实施例的涡轮发动机。

在阅读对所提出的计量装置的实施例的以下详细描述后，上述特征和优点以及其他显而易见。该详细描述参考附图。

附图说明

附图是图解性的并首先寻求说明本发明的原理。

在附图中，在图与图之间，使用相同的附图符号标记相同的元件(或元件部分)。此外，形成不同实施例的部件但在功能上类似的元件(或元件部分)在附图中通过增加100、200……的数字符号标记。

图1是具有本发明的计量装置的涡轮发动机燃油供给回路的整体示意图。

图2A是计量阀的第一实施例的轴向截面视图。

图2B是图2A阀的开闭器的透视图。

图2C是图2B开闭器的开闭器环的图解展开视图。

图2D是图2B开闭器的开闭器环的平面视图。

图3是示出了燃油流速如何作为该开闭器的位置坐标的函数而变化的图表。

图4A是计量阀的第二实施例的轴向截面视图。

图4B是在图4A的平面B-B上的截面视图。

图5是计量阀的第三实施例的轴向截面视图。

具体实施方式

为了使发明更具体，以下参考附图详细地描述计量装置的示例。应该记住的是，本发明并不局限于这些示例。

图1是直升飞机涡轮发动机的燃油供给回路1的图解视图。这种燃油供给回路1具有低压泵11、用于过滤、加热和净化空气的回路12，高压泵13、计量装置14、止动系统15、分布系统16和喷射器17，燃油从油箱10到涡轮发动机的燃烧室18穿过这些元件中的每一个。

燃油经由一个在致动器22的控制下其上插入有计量阀21的主管线20p流经计量装置14。在此实施例中，致动器22为没有减速齿轮并由涡轮发动机的计算机控制的步进电机。计量装置14也具有反馈管线20r，该反馈管线20r被连接到阀21的两侧，并包括一个被配置成调整从下游到上游在阀21上的压差ΔP的差动阀23。此外，计量装置14具有从计量阀21下游的附加止回阀24。

在伯努利定理的应用中，由于压差ΔP保持恒定，并且由于高度差是可以忽略的，穿过计量阀21的燃油流速由通过该阀21可用的流动截面直接地控制。

图2A-2D示出了这种可变流动截面的阀21的第一实施例。该阀21包括一个带有进口孔31e和出口孔31s的底座31，该底座31容纳一个通过轴线A的轴33被连接到致动器22的插塞32。插塞32由球轴承34支撑，该球轴承34允许其在致动器22的控制下在底座31内自由地转动。此外，可以提供用于吸收轴向和角间隙的装置，以消除可影响插塞32的位置的任何轴向或角间隙。

插塞32为绕轴线A的大致圆柱形状，并具有环形圈41，当插塞32插入在底座31中时，该环形圈41被定位在进口孔31e的前面。该环形圈41具有轴向方向的宽度L，该宽度L作为插塞32相对于底座31的位置的函数进行变化，以关闭进口孔31e的或大或小的截面。如图2C和2D中所示，在通常为0的方位角a2的底部邻接点42后，开闭器环41的轴向宽度L足以完全地关闭阀21的进口孔31e。之后，在该底部邻接点42与方位角a3的阈值点43之间，轴向宽度L是恒定的，但小于从底部邻接点42的上游，以局部地打开阀21的进口孔31e。然后，在前进到阈值点43后，在进口孔31e处释放的流动区域线性地增加。在继续沿开闭器环41从阈值点43顺时针方向行进后，轴向宽度L然后线性地减少，即与从阈值点43行进直到达到方位角a4的顶部邻接点44的距离成比例，使得在进口孔31e处释放的流动面积在阈值点43和顶部邻接点44之间成平方地增加。

因此，通过这种开闭器环41，可以获得如图3所示的燃油的线性和平方的计量关系。该图表示出了燃油流速如何作为由插塞32与底座31形成的角所确定的插塞32的位置的函数变化。

当插塞32处于通常为0的角坐标b2的其底部邻接位置时，底座31的进口孔31e的端部面对开闭器环41的底部邻接点42：开闭器环41因此位于整个进口孔31e上；流速设定点因此为0，并且在图3中可以看出，在该底部邻接位置中的燃油流速在忽略了一些可能的最小的泄漏率的情况下确实为0或实际上为0。在其他实施例中，在底部邻接点42后面的开闭器环41的轴向宽度L可被选择以获得不为0的最小流速。

当插塞32处于由角坐标b3所识别的其阈值位置时，该底座31的进口孔31e的端部与该开闭器环41的阈值点43齐平：在底部邻接点42和阈值点43之间的开闭器环41的轴向宽度L被选定，使得在该阈值点43的流动面积对应于该涡轮发动机的额定流速DN。在该实施例中，该额定流速DN为对应于在地面水平处的最大起飞动力MTP的流速；然而，这可能等同地对应于在地面水平处的最大巡航动力MTP的流速。在该实施例中，如给定约55％的角坐标b3，则该插塞32的阈值位置位于从底部邻接到顶部邻接的其冲程的约66％处。

当插塞32处于由角坐标b4所标识的其顶部邻接位置时，底座31的进口孔31e的端部与开闭器环41的顶部邻接点44基本齐平：在该顶部邻接点44处的开闭器环41的轴向宽度L被选择，使得在该顶部邻接点44处的流动面积对应于该涡轮发动机的紧急最大流速DU。在该实施例中，该紧急流速DU对应于发动机停车条件(OEI)的调整流速。在该实施例中，插塞32从底部邻接到顶部邻接的最大冲程延伸超过大约85°。然而，它可能同样也更长，例如在110°-150°的范围中。

因此，如图3中可见，开闭器环41的结构可用于获得在角坐标b2的底部邻接位置直到角坐标b3的阈值位置之间的线性计量关系，以及从该阈值位置直到角坐标b4的顶部邻接位置的平方计量关系。在这种情况下，具有在涡轮发动机的电脑中被编程的这种关系，该计算机能够使用步进电机22控制插塞32，以使其进入与已被指定到该计算机的设定点流速相匹配的位置。

在上述示例中，插塞的开闭器环具有变化的形状，以调节作为插塞的角位置的函数的燃油流速；然而，该变化的轮廓同样可以很好地由底座31的进口孔31e实施，开闭器环41中的切口为恒定的轴向宽度L。更通常地，可以想象在开闭器环41和进口孔31e之间的轮廓的任何组合，只要该结合导致作为插塞角位置的函数的流动截面中的所需变化，以及因此所需的流速变化：例如，在与进口孔31e适当形状相关联的开闭器环41上可以想象一个恒定斜率的螺旋坡道。

图4A和4B示出了可变流动截面的计量阀121的第二实施例。该阀121具有一个设置有进口孔131e和出口孔131s的底座131，凸轮132容纳于其中并由轴线A的轴133连接到其致动器22。凸轮132由球轴承134支撑，该球轴承134能使其在底座131内在致动器22的控制下自由地转动。此外，可提供轴向和角间隙张紧装置用于消除可能影响凸轮132的位置的任何轴向或角间隙。

当凸轮132插入到底座131内时，它被定位在进口孔131e的附近。它具有作为相对于底座131的位置的函数变化的径向厚度e，以在进口孔131e的前面留下或多或少的径向间隙j。因此，如在图4B中能够看到的，在通常为0的方位角a2的底部致动器点142处，凸轮132的径向厚度e足以完全关闭阀121的进口孔131e。然后，在沿凸轮132沿顺时针方向前进时，该径向厚度e线性地减少，即与直到方位角a3的阈值点所行进的距离成比例。在继续沿凸轮132沿顺时针方向从阈值点143行进后，其径向厚度e然后平方地减少，即与从阈值点143行进直到方位角a4的顶部致动器点144的距离的平方成比例。

具有变化的径向厚度e的这种凸轮132对于类似于如上所述并在图3中所示的燃油能够获得线性和平方的计量关系。

图5示出了变化的流动截面的计量阀221的第三实施例。该阀221具有一个设置有进口孔231e、出口孔231s和收缩通道231r的底座231。探针232插入在底座231中，使得其末端241接合在收缩通道231r中。探针232被固定到一个具有齿条234的杆233上，该齿条234与致动器22的小齿轮235啮合，从而使致动器22能沿其轴线A驱动探针232。

探针的末端241具有径向厚度e，其作为探针232相对于底座231的位置的函数变化，以留下相对于收缩通道231r的壁的或多或少的间隙。以类似于上述实施例的方式，在底部邻接点，末端241的径向厚度e足以完全地关闭收缩通道231r。然后在沿该末端的前进过程中，该径向厚度e减少，使得该收缩的流动截面线性地增加，即与该末端行进直到阈值点的距离成比例。继续沿末端241从该阈值点行进致使该径向厚度e随后减小，其方式使得该收缩的流动截面平方地增加，即与探针从阈值点行进的距离的平方成比例，直到达到顶部邻接点。

具有变化的径向厚度e的这种探针232对于类似于上面所述并在图3中所示的燃油可以再次获得线性和平方计量关系。

通过非限制性说明给出了在本说明书中描述的实施例，并且根据该描述，本领域技术人员可以很容易地修改这些实施例或设想其他的，而保持在本发明的范围内。

此外，这些实施例的不同特征可单独或彼此结合地使用。当它们结合时，这些特征可如上所述或以其他方式相结合，本发明不限于在本描述中所描述的具体描述。特别地，除非相反，参考任一实施例描述的一个特征可以与某一其他实施例类似的方式应用。

Claims

1.一种发动机燃油供应回路的计量装置，该装置包括：

计量阀(21)；以及

压力调节器装置(23)，所述压力调节器装置维持从下游到上游穿过所述计量阀(21)的恒定压差；

其中，所述计量阀(21)包括：

·设置有进口孔(31e)和出口孔(31s)的底座(31)；

·被布置在所述底座(31)内的开闭器(32)；以及

·控制所述开闭器(32)的位置的致动器(22)；以及

其中，在所述进口孔(31e)和所述出口孔(31s)之间，所述开闭器(32)限定一个最小截面的通道，所述最小截面作为所述开闭器(32)沿在一底部邻接点和一顶部邻接点之间延伸并经过一阈值位置的一个冲程的位置的函数是可变的；

所述计量装置的特征在于，所述开闭器(32)以如下方式设置：首先，所述通道的最小截面，以及因而穿过所述计量阀(21)的燃油的流速，作为在所述底部邻接点(b2)和所述阈值位置(b3)之间的所述开闭器的位置坐标的函数线性地增加；其次，所述通道的最小截面以及因而燃油流速，作为在所述阈值位置(b3)和所述顶部邻接点(b4)之间的所述开闭器(32)的位置坐标的函数平方地或更快速地增加。

2.根据权利要求1所述的计量装置，其特征在于，所述阈值位置(b3)对应于其中穿过所述计量阀(21)的燃油的流速等于发动机的额定运行流速(DN)的所述开闭器(32)的位置。

3.根据权利要求1所述的计量装置，其特征在于，所述顶部邻接点(b4)对应于其中燃油流速等于发动机的紧急最大流速(DU)的所述开闭器(32)的位置。

4.根据权利要求1所述的计量装置，其特征在于，所述阈值位置(b3)位于在所述开闭器(32)的从所述底部邻接点(b2)到所述顶部邻接点(b4)的冲程的50％到90％范围内的一个坐标处。

5.根据权利要求1所述的计量装置，其特征在于，所述开闭器是一个绕其中心轴线(A)由所述致动器(22)转动的插塞(32)，所述插塞(32)具有一个设置为关闭所述进口孔(31e)的变化截面的开闭器环(41)，所述开闭器环(41)的轴向宽度(L)在底部邻接方位角(a2)和阈值方位角(a3)之间保持恒定，并且在所述阈值方位角(a3)和顶部邻接方位角(a4)之间线性地减小。

6.根据权利要求1所述的计量装置，其特征在于，所述开闭器为一个绕其中心轴线(A)由所述致动器(22)转动的凸轮(132)，所述凸轮(132)具有变化的径向厚度(e)，以在所述进口孔(31e)与所述凸轮(132)之间造成变化的径向间隙(j)，所述径向厚度(e)在底部邻接方位角(a2)与阈值方位角(a3)之间线性地减小，并且在所述阈值方位角(a3)与顶部邻接方位角(a4)之间平方地减小。

7.根据权利要求1所述的计量装置，其特征在于，所述开闭器是一阀探针(232)，该阀探针(232)沿其中心轴线(A)由所述致动器(22)轴向地驱动，并且所述阀探针(232)在收缩通道(231r)中是可移动的，它相对于所述收缩通道造成变化的径向间隙。

8.根据权利要求1所述的计量装置，其特征在于，所述致动器(22)为步进电机。

9.一种涡轮发动机，其特征在于，它包括一种装配有根据权利要求1到8中任何一项所述的计量装置(14)的燃油供应回路(1)。

10.一种直升机，其特征在于，它包括根据权利要求9所述的涡轮发动机。