CN105201655B - 利用可变排量叶轮泵的直接计量 - Google Patents

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Abstract

提供一种直接计量架构，其具有计量泵和伺服泵，其中，计量和伺服泵由发动机轴借助于齿轮箱传动来驱动。该系统减少了以前在过大的固定排量泵下发生的浪费马力，减少了发动机熄火的情况，并且减少了增加至燃料的热量，这最终改善了发动机油冷却。

Description

利用可变排量叶轮泵的直接计量
相关文献的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.§119(c)主张对具有美国专利申请序列号No. 61/946,048的题为“利用可变排量叶轮泵的直接计量”且提交日期为2014年2月28日的当前未决的临时申请的优先权和源自其的权益，该临时申请通过参照而全部并入本文中。
技术领域
本实施例大体涉及燃气涡轮发动机。更具体地，本实施例涉及但不限于用于燃气涡轮发动机的直接计量架构。
背景技术
典型的燃气涡轮发动机通常具有前端和后端，其中，其若干核心或推进构件轴向地定位在其间。空气入口或进口在燃气涡轮发动机的前端处。朝向后端移动，空气入口后依次跟随有压缩机、燃烧室和涡轮。本领域技术人员将容易理解，附加构件也可包括在燃气涡轮发动机中，例如低压和高压压缩机，和高压和低压涡轮。但是，这不是穷举的列表。燃气涡轮发动机还典型地具有内轴，该内轴沿着燃气涡轮发动机的中心纵向轴线轴向地布置。内轴连接至涡轮和空气压缩机二者，使得涡轮向空气压缩机提供旋转输入，以驱动压缩机叶片。
在操作中，空气在压缩机中加压并且在燃烧器中与燃料混合，以用于生成向下游流动穿过涡轮级的热燃烧气体。这些涡轮级从燃烧气体取出气体能量，并且将其转换成机械能。高压涡轮首先接受来自燃烧器的热燃烧气体，并包括定子喷嘴组件，定子喷嘴组件引导燃烧气体向下游穿过从支撑转子盘径向向外延伸的高压涡轮转子叶片排。在两级涡轮中，第二级定子喷嘴组件定位在第一级叶片的下游，该第一级叶片后又跟随有从第二支撑转子盘径向向外延伸的第二级转子叶片排。
为了向燃气涡轮发动机输送燃料，通常利用单个泵，该单个泵泵送燃料以用于燃料燃烧、燃料燃烧流，并且泵送燃料以用于阀促动、伺服流，并且抽吸燃料以用于外部装置(例如阀)的机械促动和定子位置、促动流。这些泵通常为固定排量类型的泵。但是，单个泵的不利方面是其通常浪费马力，因为这种泵的尺寸确定为提供比通常所需高的流量。另外，燃料可行进穿过旁通回路，这增加了燃料的热量并且降低了燃料吸收燃气涡轮发动机内的其他热源的能力。
关于伺服流，阀和促动器卡在一个位置并非是罕见的。当阀变化至未卡塞位置时，这产生了燃料的高需求。在将单个固定排量泵用于燃料燃烧流和伺服流二者的情况下，该高需求可从燃烧器的抽出大量燃料燃烧流，从而导致发动机的熄火。
如通过前述可见的，降低发动机的浪费的马力将是合乎需要，并且降低燃料的热增加也将是合乎需要的。另外，降低或消除发动机熄火的情况将是非常合乎需要的。
发明内容
提供一种直接计量架构，其具有计量泵和伺服泵，其中，计量和伺服泵由发动机轴借助于齿轮箱传动来驱动。该系统减少了以前在过大的固定排量泵下发生的浪费马力，减少了发动机熄火的情况，并且减少了增加至燃料的热量，这最终改善了发动机油冷却。
根据一些实施例，具有直接计量架构的燃气涡轮发动机燃料供应系统包括对齿轮箱提供机械功率输入的发动机功率分出轴，和对可变排量计量泵和伺服泵提供至少一个驱动输出的该齿轮箱。可变排量计量泵设为计量用于发动机燃烧的燃料的发动机燃烧流，并且伺服泵提供阀或促动器中的至少一个的促动所需的燃料的伺服流。燃料的伺服流和所述燃料的发动机燃烧流彼此隔离，并且减少燃料的伺服流与所述燃料的发动机燃烧流之间的交互作用。
根据一些实施例，用于对燃气涡轮发动机的供应燃料的直接计量架构包括伺服流回路，伺服流回路包括由联接至齿轮箱的发动机分出轴驱动的固定排量伺服泵。伺服泵可与伺服装置流动地连通，伺服可操作地连接至可变排量计量泵促动器，伺服流回路还包括至少一个返回线。发动机燃烧流回路包括可变排量计量泵，其可操作地连接至可变排量计量泵促动器。用于计量好的燃烧流的输出线和至少一个返回线。
根据其他实施例，用于燃气涡轮发动机燃料供应系统的直接计量架构包括对传动器提供机械功率输入的发动机功率分出轴，传动器对可变排量计量泵和伺服泵提供至少一个驱动输出。发动机燃烧流回路具有可变排量计量泵，其计量用于发动机燃烧的燃料的发动机燃烧流。伺服流回路具有伺服泵，该伺服泵为所述可变排量计量泵的促动提供燃料的伺服流。燃料的伺服流和燃料的发动机燃烧流彼此隔离，并且减少燃料的伺服流与燃料的发动机燃烧流之间的交互作用。
技术方案1：一种具有直接计量架构的燃气涡轮发动机燃料供应系统，包括：
发动机功率分出轴43，其对齿轮箱41提供机械功率输入；
所述齿轮箱，其对可变排量计量泵74和伺服泵50提供至少一个驱动输出；
所述可变排量计量泵，其计量燃料发动机燃烧的发动机燃烧流90；
所述伺服泵，其提供阀或促动器84中的至少一个的促动所需的燃料的伺服流92；
其中，所述燃料的伺服流与所述燃料的发动机燃烧流彼此隔离，并且减少所述燃料的伺服流与所述燃料的发动机燃烧流之间的交互作用。
技术方案2：根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，通过抑制所述发动机燃烧流与所述伺服流之间的交互作用来减少熄火。
技术方案3：根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，所述燃料供应系统减少浪费马力。
技术方案4：根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，可降低对所述燃料流的热负载，从而产生更低的油温度。
技术方案5：根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，还包括与所述伺服泵流动地连通的可变排量泵伺服装置70。
技术方案6：根据技术方案5所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，阀或促动器中的所述至少一个是可变排量泵促动器，其联接至所述可变排量伺服装置。
技术方案7：根据技术方案6所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，所述可变排量泵促动器联接至所述可变排量泵。
技术方案8：根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，还包括沿着所述燃料的伺服流布置的过滤器56。
技术方案9：根据技术方案8所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，还包括与所述过滤器流动地连通的压力调节器60。
技术方案10：根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，还包括与所述可变排量泵流动地连通的关闭阀82。
技术方案11：根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，还包括发动机燃烧流回路94，所述燃料的发动机燃烧流在所述发动机燃烧流回路94中流动。
技术方案12：根据技术方案11所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，还包括伺服流回路96，所述燃料的伺服流在所述伺服流回路96中流动。
技术方案13：一种用于对燃气涡轮发动机的燃料供应的直接计量架构，包括：
伺服流回路，其包括固定排量伺服泵，所述固定排量伺服泵由联接至齿轮箱的发动机分出轴驱动，所述伺服泵与伺服装置流动地连通，所述伺服装置可操作地连接至可变排量计量泵促动器，所述伺服流回路还包括至少一个返回线；和
发动机燃烧流回路，其包括可变排量计量泵，所述可变排量计量泵可操作地连接至所述可变排量计量泵促动器、用于计量好的燃烧流的输出线和至少一个返回线。
技术方案14：根据技术方案13所述的直接计量架构，其特征在于，还包括关闭阀。
技术方案15：根据技术方案13所述的直接计量架构，其特征在于，还包括压力调节器。
技术方案16：根据技术方案13所述的直接计量架构，其特征在于，还包括过滤器。
技术方案17：一种用于燃气涡轮发动机燃料供应系统的直接计量架构，包括：
发动机功率分出轴，其对传动器提供机械功率输入；
所述传动器，其对可变排量计量泵和伺服泵提供至少一个驱动输出；
发动机燃烧流回路，其具有所述可变排量计量泵，所述可变排量计量泵计量用于发动机燃烧的燃料的发动机燃烧流；
伺服流回路，其具有所述伺服泵，所述伺服泵为所述可变排量计量泵的促动提供燃料的伺服流；
其中，所述燃料的伺服流和所述燃料的发动机燃烧流彼此隔离，并且减少所述燃料的伺服流与所述燃料的发动机燃烧流之间的交互作用。
技术方案18：根据技术方案17所述的直接计量架构，其特征在于，还包括所述伺服流回路中的压力调节器。
技术方案19：根据技术方案17所述的直接计量架构，其特征在于，还包括关闭阀，所述关闭阀布置在所述可变排量计量泵与燃烧器之间。
技术方案20：根据技术方案19所述的直接计量架构，其特征在于，还包括燃料回线，所述燃料回线从所述关闭阀延伸至伺服泵供给线44。
所有上述概括的特征应仅理解为示范，并且可从本文中的公开中发现许多更多结构和方法的特征和目的。因此，不进一步阅读整个说明书、权利要求和在此包括的附图，就不能理解本发明内容的限制性解释。
附图说明
通过参考结合附图做出的下列说明，这些实施例的上述和其他特征和优点以及获得他们的方式将变得更显而易见，并且将更好地理解实施例，在附图中：
图1是示范燃气涡轮发动机的侧截面图；且，
图2是用于示范燃气涡轮发动机的直接计量架构的示意图；
附图标记
10 燃气涡轮发动机
12 发动机入口端部
13 核心推进器
14 高压压缩机
15 低压压缩机
16 燃烧器
18 风扇
19 风扇叶片
20 高压涡轮
21 低压涡轮
22 高压涡轮叶片
24 高压轴
26 发动机轴线
28 低压轴
40 直接燃料计量架构控制单元
41 发动机齿轮箱
42 燃料供给线
43 轴
44 计量泵供给
46 伺服泵供给
48 输出线
49 伺服泵返回线
50 伺服泵
52 输入
54 输出
56 清洗过滤器
60 压力调节器
66 伺服供给线
67 流体返回线
70 可变排量计量泵伺服
74 可变排量计量泵
76 燃料输入
78 输出
80 输出线
82 关闭阀
84 可变排量计量泵促动器
86 返回线
90 发动机燃烧流
92 伺服流
94 发动机燃烧流回路
96 伺服流回路。
具体实施方式
应当理解的是，在申请中，实施例不限于在下列说明中阐述或在附图中示出的构件的构造和布置的细节。实施例能够是其他实施例并且能够以多种方式实践或执行。以解释而不是限制公开实施例的方式提供各实例。实际上，在本实施例中可进行各种更改和变化而不脱离本公开的范畴或精神这点对于本领域技术人员将是显而易见的。例如，例示为或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例一起使用来进一步产生其它实施例。因此，意图本公开覆盖落入所附权利要求和它们的等同物的范围内的这种更改和变化。
参照图1-2，绘出用于燃料流的直接计量架构。该架构利用单个计量泵和分开的伺服泵，它们二者机械地联接至发动机轴以用于操作。该独特的泵允许用于计量泵的改善的泵尺寸，这减少了浪费的马力，并且由于由伺服泵服务的阀的操作条件，分开的伺服泵允许减少燃料燃烧流交互作用。
此外，应当理解的是，在本文中使用的短语和术语用于说明目的，并且不应被认为是进行限制。在本文中，“包含”、“包括”或“具有”及其变型的使用意图包括在其后列出的项目及其等同物以及额外项。除非另行列出，否则在本文中的用语“连接的”、“联接的”和“安装的”及其变型概括地使用并且包括直接和间接连接、联接和安装。此外，用语“连接的”、“联接的”及其变型不限于物理或机械连接或联接。
如在本文中所使用的，用语“轴向”和“轴向地”指沿着燃气涡轮发动机的纵向轴线的维度。结合“轴向”或“轴向地”使用的用语“向前”意指沿朝发动机入口或与其他构件相比距发动机入口相对更近的构件的方向移动，结合“轴向”或“轴向地”使用的用语“向后”意指沿朝发动机的后方(后)端的方向移动。
如在本文中所使用的，术语“径向”和“径向地”意指在发动机的中央纵向轴线和外部发动机环境之间延伸的维度。
首先参照图1，燃气涡轮发动机10的示意侧截面图示为具有燃气涡轮发动机入口端12，其中，空气进入核心推进器13，核心推进器13大体由高压压缩机14、燃烧器16和多级高压涡轮20限定。共同地，核心推进器13在操作期间提供功率。燃气涡轮发动机10可用于航空、功率生成、产业、航海等。
在操作中，空气穿过燃气涡轮发动机10的发动机入口端12进入，并移动穿过高压压缩机14处的至少一级压缩，在此空气压力增大并被引导至燃烧器16。压缩空气与燃料混合并燃烧，从而提供朝高压涡轮20离开燃烧器16的热燃烧气体。在高压涡轮20处，借助于高压涡轮叶片22的旋转从热燃烧气体提取功，高压涡轮叶片22的旋转又引起高压轴24绕发动机轴线26的旋转。取决于涡轮设计，高压轴24朝燃气涡轮发动机的前方行进，以继续高压压缩机14的一个或更多个级、具有入口风扇叶片19的风扇18的旋转。风扇18可操作地连接至低压涡轮21并形成用于燃气涡轮发动机10的推力。该可操作的连接可为直接或间接的，例如通过传动器或齿轮箱。也可利用低压涡轮21来提取更多能量，并且推动也称为增压机的低压压缩机15的级和风扇18或涡轮轴或涡轮螺旋桨，以推动转子或螺旋桨。
燃气涡轮发动机10绕发动机轴线26或高压轴24轴对称，以便各种发动机构件绕其旋转。轴对称高压轴24延伸穿过燃气涡轮发动机10前端并进入后端中，并且沿着轴结构长度由轴承通过轴颈支承。高压轴24绕发动机10的中心线26旋转。高压轴24可为中空的，以允许一个或更多个低压轴28在其中且与高压轴24旋转独立地旋转。低压轴28也可绕发动机轴线26旋转，并且可以在与高压轴24相同或不同的方向上旋转。在操作期间，低压轴28与连接至低压轴28的其他结构(例如涡轮的转子组件)一起旋转，以便操作低压压缩机15和风扇18，以产生在航空功率和产业领域中使用的推力或功率。
在图1中还示意地显示了直接燃料计量架构控制单元40。发动机齿轮箱41接受来自发动机轴(例如轴24、28中的一个)的功率。发动机齿轮箱41接受来自功率分出轴43的输入。发动机齿轮箱41推动在本文中进一步描述的直接燃料计量架构控制单元40。
现参照图2，绘出直接燃料计量架构控制单元40的示意图。直接燃料计量架构控制单元40向燃烧器16提供燃烧流燃料。燃料供给线42示为进入直接燃料计量架构控制单元40，直接燃料计量架构控制单元40起源于燃料储存器。燃料供给线42分成计量泵供给44和伺服泵供给46。如前所述的，计量架构提供独立且因此不影响彼此的两个流回路。计量和伺服泵供给44、46为两个回路(发动机燃烧流回路94和伺服流回路96)提供燃料供应。
首先参照伺服泵50，伺服泵供给46在至少一个位置处进入伺服泵50。伺服泵50可为机械地驱动的固定排量泵。伺服泵50可为平衡或非平衡叶轮泵，且可包括一个或更多个输入52和一个或更多个输出54。输出线48可与清洗过滤器56流体地连通。伺服泵50可包括从伺服泵50延伸的多个输出线48。清洗过滤器56移除微小污染物，否则该微小污染物将行进至一个或更多个伺服装置并且可潜在地污染伺服，从而妨碍操作。
压力调节器60也与清洗过滤器56流体地连通。压力调节器60设为期望的操作压力且调节压力调节器60上游的压力，包括去往可变排量计量泵伺服装置70的伺服供给线66。压力调节器60还通过伺服泵返回线49向下游流动地连通至燃料供给线42，从而形成由伺服泵50驱动的流体流的回路。
根据一些实施例，伺服泵50可为平衡叶轮泵、非平衡叶轮泵或活塞泵。额外备选方案包括齿轮泵或转子泵，它们均为固定排量类型的泵。此外，应当理解的是，这些实施例中的任一个可为机械驱动的。例如，这种机械驱动力可来自可操作地连接至伺服泵50的齿轮箱。
直接燃料计量架构控制单元40还包括可变排量计量泵74，其也是机械驱动的。可变排量计量泵74可为平衡叶轮泵、非平衡叶轮泵或活塞泵。可变排量计量泵74是可变排量泵，其通过发动机轴机械地驱动。更具体地，可变排量计量泵74借助于发动机齿轮箱41机械地联接至发动机轴，例如轴24或轴28，该发动机齿轮箱41例如在固定速度或与燃气涡轮发动机10成比例的速度下驱动可变排量计量74。
可变排量计量泵74从计量泵供给44接受燃料，并且可包括一个或更多个燃料输入76。此外，可变排量计量泵74包括输出78，以引导燃料穿过泵输出线80。泵输出线80可与关闭阀82流体地连通，关闭阀82将燃料引导至燃烧器16内的喷燃器喷嘴。可通过螺线管或其他促动器来操作关闭阀82。返回线86使来自关闭阀82的发动机燃烧流90返回至计量泵供给44，从而形成穿过可变排量计量泵74的发动机燃烧流回路94。如果关闭阀82处于关闭位置，那么发动机燃烧流回路94是合乎需要的，以便可变排量计量泵74不空转(deadhead)。
伺服供给线66将燃料流引导至可变排量计量泵伺服装置70。可变排量计量泵伺服装置70导致可变排量计量泵促动器84的移动，这又改变在固定速度下被驱动的可变排量计量泵74的排量。流体返回线67在可变排量计量泵伺服装置70与伺服泵返回线49之间延伸，从而为伺服流回路96提供返回流，它们两者示在虚线内以仅用于例示。应当理解的是，虽然伺服装置70显示为在发动机燃烧流回路94内，但这仅是因为伺服装置70定位在计量泵74附近。因而伺服装置70实际上认为是伺服流回路96的一部分。
直接燃料计量架构控制单元40设计为从全权数字式发动机控制(FADEC)接受信号。FADEC可远程地控制直接燃料计量架构控制单元40或备选地可对本地模块提供信号以用于在直接燃料计量架构控制单元40处进行本地控制。
直接燃料计量架构控制单元40提供超过现有技术系统的各种优点。首先，许多备选设计利用电泵马达和控制。通过机械地驱动泵50、74，消除了电马达和相关控制，它们对于发动机燃烧流90和伺服流92而言是潜在故障点。其次，消除了伺服流92与发动机燃烧流90之间的交互作用。如之前指出的，伺服流92与去往燃烧器16的发动机燃烧流90之间的交互作用可减少发动机燃烧流，从而导致燃气涡轮发动机10的熄火。通过伺服流92的独立供应，卡塞的阀或伺服装置不影响直接燃料计量架构控制单元40的燃料燃烧流回路中的燃料的输送速率。第三，用于计量和伺服二者或阀供给的单个泵的使用导致过大的泵，这浪费了发动机的马力。通过直接燃料计量架构控制单元40，可变排量计量泵74具有更小的尺寸，并因而导致更少的浪费马力。最终，本实施例已降低了穿过旁通回路的流，并且因而对燃料增加更少的热。与额外的热增加至燃料的情况相比，这允许发动机油的改善的冷却。
出于例示目的，已经提出了若干实施例的前述描述。其不意图为穷举的或限制为公开的精确步骤和/或形式，并且显然，根据上述教导，许多修改和变型是可能的。意图实施例和所有等同物的范围由其所附权利要求限定。

Claims (12)

1.一种具有直接计量架构的燃气涡轮发动机燃料供应系统，包括：
发动机功率分出轴(43)，其对齿轮箱(41)提供机械功率输入；
所述齿轮箱，其对可变排量计量泵(74)和伺服泵(50)提供至少一个驱动输出；
具有所述可变排量计量泵的发动机燃烧流回路，所述可变排量计量泵计量燃料发动机燃烧的发动机燃烧流(90)；
具有所述伺服泵的伺服流回路，其提供所述可变排量计量泵的促动所需的燃料的伺服流(92)；
其中，所述燃料的伺服流与所述燃料的发动机燃烧流彼此隔离，并且减少所述燃料的伺服流与所述燃料的发动机燃烧流之间的交互作用。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，通过抑制所述发动机燃烧流与所述伺服流之间的交互作用来减少熄火。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，所述燃料供应系统减少浪费马力。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，可降低对所述燃料流的热负载，从而产生更低的油温度。
5.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，还包括与所述伺服泵流动地连通的可变排量泵伺服装置(70)。
6.根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，阀或促动器中的所述至少一个是可变排量泵促动器，其联接至所述可变排量伺服装置。
7.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，所述可变排量泵促动器联接至所述可变排量泵。
8.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，还包括沿着所述燃料的伺服流布置的过滤器(56)。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，还包括与所述过滤器流动地连通的压力调节器(60)。
10.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，还包括与所述可变排量泵流动地连通的关闭阀(82)。
11.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，还包括发动机燃烧流回路(94)，所述燃料的发动机燃烧流在所述发动机燃烧流回路(94)中流动。
12.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机燃料供应系统，其特征在于，还包括伺服流回路(96)，所述燃料的伺服流在所述伺服流回路(96)中流动。
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