CN108138657B

CN108138657B - 通过涡轮机离心泵的流体的再循环

Info

Publication number: CN108138657B
Application number: CN201680061893.8A
Authority: CN
Inventors: 塞巴斯蒂安·克里斯托夫·沙洛
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2015-10-23
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2020-06-02
Anticipated expiration: 2036-10-21
Also published as: WO2017068299A1; FR3042818A1; US20180313271A1; US10823074B2; FR3042818B1; EP3365545A1; CN108138657A; EP3365545B1

Abstract

本发明涉及一种用于向涡轮机供应流体的供应系统(10)。该供应系统(10)包括至少一个离心泵和流体再循环分支(71)。根据本发明，该流体再循环分支(71)包括一入口(F)和一出口(G)，所述入口位于离心泵(51)下游，该出口位于离心泵(51)的上游，或以流体的至少一部分在离心泵(51)中循环的方式与位于离心泵(51)的上游的节点(S)流体连通。该流体再循环分支(71)包括一阀(74)，所述阀位于该入口(F)与该出口(G)之间，该阀(74)包括一闸门，所述闸门被构造成根据流体的温度打开/关闭。

Description

通过涡轮机离心泵的流体的再循环

技术领域

本发明涉及用于供应诸如燃料或润滑剂的流体的供应系统的通用技术领域。更确切地说，本发明涉及对齐进行再加热的流体再循环。

背景技术

已知设计的用于向一涡轮机供应燃料的供应系统包括低压泵和低压泵下游的高压容积(体积)泵。该高压柱塞泵被构造成向涡轮机的燃烧室输送一恒定燃料流速。

该供应系统包括燃料再循环回路，该燃料再循环回路使柱塞泵的出口流体连接至柱塞泵的入口，以将过量燃料循环至柱塞泵的入口。

再循环时燃料会加热。然而，再循环回路中的燃料流速基本上与燃料温度无关。但是，在供应系统中循环的燃料有时需要被升温，特别是当涡轮机处于高海拔或极端寒冷时。

因此，需要加热燃料，同时限制供应系统中的功率损失。

发明内容

本发明旨在至少部分克服现有技术的解决方案中遇到的问题。

就此而言，本发明的一个目的是用于向涡轮机供应流体的供应系统。该供应系统包括串联的至少三个离心泵以及位于至少一个离心泵的下游并且构造成向注入系统供应流体的柱塞泵。该供应系统包括低压泵单元，所述低压泵单元包括串联的至少两个离心泵，所述低压泵单元位于柱塞泵的上游以向柱塞泵供应流体。

与柱塞泵不同，离心泵是动力泵，即出口压力是由泵移动的流体的动能所产生。动力泵的类别基本上包括离心泵。在下文中，术语“离心泵”用于不仅指定严格普遍意义上的离心泵，还用于指定任何动力泵。

该供应系统在位于低压泵单元下游的入口节点处分成注入系统供应回路和可变几何结构供应回路，注入系统供应回路包括柱塞泵，并且被构造成向注入系统供应流体。

根据本发明，可变几何结构供应回路包括互补泵单元，该互补泵单元包括被称为第一离心泵的离心泵和在第一离心泵下游的可变几何结构，供应系统包括流体再循环分支，该流体再循环分支包括：

入口，所述入口位于第一离心泵和可变几何结构之间，

出口，所述出口位于第一离心泵的上游，或位于可变几何结构的下游，并且与位于第一离心泵的上游的出口节点成流体连通，使得流通过再循环分支的流体的至少一部分在第一离心泵中再循环，以及

叶片，所述叶片位于流体再循环分支的入口和出口之间，所述叶片包括闭塞器，所述闭塞器构造成根据流体温度打开/关闭。

当其温度异常低时，叶片可使流体进一步再循环，以对其再加热。而且，当流体温度足够高时，叶片关闭以限制流体再循环，这使得供应系统中的功率损失得以降低。

叶片提供加热燃料以达到一预定温度的可能性，以通过注入热燃料来提高燃烧效率。这种灵活性不被油燃料交换器和/或空油交换器所允许。

供应系统中的流体具体为油或燃料。

本发明可以可选地包括相互组合或不相互组合的一个或多个以下特征。

优选地，低压泵单元和/或可变几何结构供应回路不包括任何柱塞泵。

优选地，上游回路也没有柱塞泵。

优选地，低压泵单元由多个串联的离心泵组成。低压泵单元优选地包括两到五个离心泵。

根据实施例的一个特征，出口节点位于低压泵单元的两个泵之间或低压泵单元的上游。

替代地并且根据实施例的另一特征，出口节点位于低压泵单元与第一离心泵之间，或位于低压泵单元的下游和柱塞泵的上游。

有利地，叶片包括选自止回阀、阀、填料和滑阀的至少一个元件。

根据一个有利的实施例，叶片的闭塞器的打开和/或闭合由涡轮机械的电子调节系统控制，或者叶片构造成使得如果流过叶片的流体的温度超过一阈值，则闭塞器自动闭合。

根据实施例的一个特征，闭塞器仅包括两个稳定位置，即叶片使流体在再循环分支中循环的打开端位置，和叶片阻止流体在再循环分支中循环的闭合端位置。

优选地，高压泵是容积齿轮泵，该容积齿轮泵构造成由一涡轮机变速箱机械地驱动。

或者，高压柱塞泵优选为由涡轮电子调节系统控制的电泵。

本发明还涉及用于飞行器的涡轮机，该涡轮机包括如上定义的流体供应系统。

本发明还涉及一种包括差动齿轮减速器的涡轮机，该差动齿轮减速器被构造成可旋转地驱动至少一个螺旋桨，并用于通过如上定义的供应系统供应润滑剂。在这种情况下，涡轮机例如是具有一组非旋管反向旋转螺旋桨，也称为“开放式旋翼”，的涡轮机。

附图说明

参照附图，通过阅读纯粹指示而绝非限制目的给出的示例性实施例的描述，将更好地理解本发明，其中：

图1是根据第一实施例的用于向飞机涡轮机供应燃料的供应系统的局部示意图；

图2是根据本发明的第二实施例的涡轮机的流体供应系统的局部示意图；

图3是根据本发明第三实施例的涡轮机的流体供应系统的局部示示意图，

图4是根据本发明的第四实施例的涡轮机的流体供应系统的局部示意图。

具体实施方式

不同附图中的相同、相似或等同部分具有相同的附图标记，以有利于从一个图转换到另一个图。

图1表示用于向飞机供应流体的涡轮机1的供应系统10。在所描述的实施例中，流体是燃料。涡轮机是飞机涡轮机1，例如涡轮风扇发动机或涡轮螺旋桨发动机。

然而，当涡轮机1包括构造成可旋转地驱动至少一个螺旋桨的差动齿轮减速器(未示出)时，流体也可以是润滑剂，通常是油。

供应系统10包括上游回路100和下游回路50，60。下游回路50，60在上游回路100下游的节点E处连接到上游回路100。术语“上游”和“下游”是参照供应系统10中朝向燃烧室2的总体燃料流动方向来定义的。

上游回路100包括低压泵单元101、高压柱塞泵102和布置在低压泵单元101和柱塞泵102之间的液压阻力件104。

术语“液压阻力件”用于在本文件中通过电力领域的类比来定义从供应系统的元件的入口与出口之间的流体压差的比率到流过该元件的流体的流速的量。通过电力领域的转喻并且仍然通过类比，术语“液压阻力件”也被用于指定以该量为特征的供应系统的元件。上游回路100的液压阻力件104包括例如交换器、燃料过滤器、截止阀和/或流量计。

下游回路50，60包括可变几何结构供应回路50和用于供应燃烧室2的注入系统62的注入系统供应回路60。

低压泵单元101包括串联的多个离心泵101a，111a，111b。在图1所示的实施例中，低压泵单元101由三个串联和并排的离心泵101a，111a，111b组成，以便形成一泵块。

低压泵单元101增加流向下游回路50，60的燃料的压力。其特别配置为充分填充高压柱塞泵102，即用于防止该泵102内的空化风险。

具有多个离心泵的低压泵单元101比单个离心泵更多地朝着高压泵102增加流体压力。

高压泵102是容积齿轮泵，该容积齿轮泵构造成由涡轮1的变速器齿轮箱机械地驱动。其提供根据发动机转速确定的燃料流速，该流速因此在给定的发动机速度处恒定。

上游回路100还包括再循环分支70。再循环分支70的入口F位于低压泵单元101和柱塞泵102之间。再循环分支的出口G位于低压泵单元101的两个泵111a和111b之间。

再循环分支70包括在其入口F与其出口G之间的叶片72。在本文件中，术语“叶片”具有广泛的含义以覆盖任何可能修改/改变在再循环分支中的流体流速的装置。

叶片72包括一闭塞器，该闭塞器构造成根据燃料温度打开/关闭。其包括至少一个选自止回阀、阀门、填料和滑阀的元件。燃料温度在叶片72中或在叶片72附近的再循环分支70中获取。

通过温度获取，其意味着通过任何适合的设备来测量温度，或者甚至指的是从燃料获取热量以修改密闭塞器位置的装置的布置。

在第一实施例中，叶片72是从燃料获取热量的被动叶片。它包括例如其熔融温度接近阈值S₀的蜡，使得蜡的状态变化改变了闭塞器的位置。

当燃料温度变得低于阈值S₀时，即当蜡例如在以上被动叶片中固化时，叶片72的闭塞器自动打开。当燃料温度变得高于阈值S₀时，例如当蜡液化时，它自动关闭。闭塞器在之后自动打开/关闭，即在没有控制系统的情况下。

由于在再循环分支70的管道中再加热的燃料被重新注入离心泵111b中，因此打开闭塞器使得再加热的燃料能够通过离心泵111b再循环。

用于供应注入系统62的可变几何结构供应回路50和供应回路60在用作上游回路100与下游回路50，60之间的接点的入口节点E处分离。

在注入系统供应系统60中，通过与注入系统62配合的燃料注入器向燃烧室2供应燃料。

供应注入系统的供应回路60还包括排出阀和燃料计量阀，所述排出阀和燃料计量阀由块64表示并且用于调节朝向燃烧室2的流速。

排放阀和燃料计量阀64被设计成通过燃料再循环回路610将供应回路60中的过量燃料重新导向上游回路100。

高压柱塞泵102的出口处的燃料流速以已知的方式高于供应注入系统62所需的流速，而与涡轮机1的相关飞行阶段无关。再循环回路610是用于循环来自第一节点A的、位于入口节点E下游的和排气节点B的过量燃料。

排气节点B位于低压泵单元101和高压柱塞泵102之间。在第一实施例中，其位于低压泵单元101和液压阻力件104之间，其位于再循环分支70的入口F下游处。

这种燃油再循环可以对其再加热。然而，再循环回路610中再循环的流速特别取决于注入器62的燃料需求，而不取决于燃料的期望温度，与再循环分支70中的燃料流速不同，该燃料流速反过来被具体调节，以能够控制燃料的再加热。

可变几何结构供应回路50被构造成通过可变几何结构54输送流体。

可变几何结构54是涡轮机械1的一些设备，所述设备需要采取液压动力来操作，可变几何结构54可以是各种性质的，例如气缸、伺服阀，压缩机的可调节排出阀、压缩机的瞬时排出阀和/或在用于低压涡轮或高压涡轮的转子叶片的顶点处的用于间隙调节系统的空气流速调节阀。

可变几何结构供应回路50在入口节点E与出口节点S之间延伸，该出口节点S将可变几何结构供应回路50连接到上游回路100。

在参照图1和4的实施例中，供应系统10的出口节点S位于低压泵单元101的两个泵101a，111a之间。更确切地说，出口节点S位于包括离心泵的上游泵块101a与包括两个离心泵111a，111b的下游泵块110之间。

出口节点S的位置根据可变几何结构54的出口处的期望压力来确定，以便在可变几何结构上获得足够的压差以确保对其的控制，但是没有蒸发燃料的风险，因为出口节点S处的燃料压力太低。

图2-4中所示的供应系统10与图1中的的主要区别在于上游回路100不具有高压柱塞泵，以及在于下游回路50，60包括高压柱塞泵102。

用于分离可变几何结构供应回路50和注入系统供应回路60的节点E具体位于低压泵单元101与容积式泵102之间。

高压柱塞泵102是注入系统供应回路60的一部分，其使得由柱塞泵102提供的燃料的流速减小。供应系统10的热损失相应地降低。

可变几何结构供应回路50没有柱塞泵102。它包括具有至少一个离心泵的互补泵单元51。

互补泵单元51能够在可变几何结构供应回路50中达到足够的压力水平，以便总是超过可变几何结构所需的最小压差，以确保在任何情况下对其进行控制。例如在液压致动器汽缸的运动期间，它使得可实现可变几何结构54的明显的特定流速需求。

低压泵单元101和互补泵单元51形成供应系统10的动力泵组件，因为该组件的所有泵通过动力泵送来操作。

在第二和第三实施例中，分别对应于图2和3，供应系统10包括再循环分支71，所述再循环分支71具有其入口F，所述入口F位于互补泵单元51的至少一个在本申请中被称为第一离心泵的离心泵与可变几何结构54之间。再循环分支71的出口G位于可变几何结构54的下游、在可变几何结构供应回路50的一管道上，所述可变几何结构供应回路50在出口节点S处终止，该出口节点将管道连接到上游回路100。

因此，叶片72位于入口F与出口G之间的再循环分支71中，绕过可变几何结构54。可变几何结构54位于节点E与节点S之间的可变几何结构供应回路50的主分支53中。

叶片72还包括选自止回阀、阀、填料和滑阀的至少一个元件。叶片72的闭塞器的位置尤其可构造成从闭塞器的打开端位置与闭合端位置之间的多个中间稳定位置变化。

具体参照图2，打开/关闭闭塞器根据燃料温度通过电子调节模块126由电子调节系统120来控制。

电子调节系统120考虑的燃料温度的测量例如在位于入口节点E处的一温度传感器69处执行。

也可以不具有专用的温度传感器69，并且通过使用模型利用其数据使用专用于测量环境温度的现有温度传感器。该模型将环境温度与估计的燃料温度相关联。因为由于油/燃料交换而使油温与燃油的温度直接相关，因此仍然可以使用油温传感器。

而且，柱塞泵102在此由电动机致动，而不是由一电影链条被驱动到涡轮机的一驱动轴，这使得由泵输送的燃料能够通过控制驱动泵的电动机的速度而被准确地计量。这使得泵下游的计量阀，例如先前在第一实施例中描述的计量阀64，能够被省略。用于致动柱塞泵102的电动机经由电子调节模块122由涡轮机的全权限电子调节系统120，也称为“FADEC”或“全权数字式发动机控制”，控制。

通常地，这个电子调节系统120包括具有两个冗余全权限对称方式的发动机计算机。该发动机计算机用于考虑许多参数，以控制由高压柱塞泵102输送的流速，例如：来自飞机驾驶员的控制、高压涡轮机主体1的转速和针对注入系统62的流量测量。

电子调节模块122，126也被称为ECU(电子控制单元)。它们可能是一样的。

由于泵下游的计量阀已被移除，因此在第一实施例中先前描述的燃料再循环回路610不再具有实用性。关于第一实施例，由此导致供应系统10的质量增益以及由再循环回路610中的燃料再循环所生成的热损失的消除。

由注入系统供应回路60内的高压柱塞泵102提供的低功率使得电柱塞泵102能够在不依靠大量功率电子器件的情况下被控制。

图3的实施例与图2的实施例的区别在于，再循环分支71的叶片72是一被动叶片，如第一实施例那样。

当再循环分支71中的燃料温度低于阈值S₀时，叶片72的闭塞器自动打开。当再循环分支71中的燃料温度高于阈值S₀时，它自动关闭。

而且，与第一实施例中一样，柱塞泵102是机械驱动的柱塞泵，即涡轮机的驱动轴，如在第一实施例中的那样。因此，供应系统还包括再循环回路610，该再循环回路610位于柱塞泵102下游的第一节点A与位于柱塞泵102上游的排气节点B之间。

最后，第三实施例的供电系统包括一压头损失调节器20。

压头损失调节器20位于高压泵102的下游。它使得高压泵102下游的压力能够高于高压泵102上游的压力。因此，低压泵组件101使通过其中的流体压力进一步增加，这使得高压泵102的工作能够进一步减少。结果，供应系统10中的热损失更加减少。

压头损失调节器20在高压柱塞泵102的出口与入口之间保持严格的正压差。

它根据其低压入口37与其高压入口34之间的压力差来调节注入系统供应回路60中的压头损失。低压入口37位于柱塞泵102的上游。它连接到位于其中的排气节点B上游的节点P，排气节点B下游的节点P的设置也是可能的。高压入口34位于计量阀64的下游。

第四实施例与第三实施例的区别在于再循环分支73的出口G的位置。该出口G位于低压泵单元101与互补泵单元51之间。

再循环分支73的叶片72是与第一和第三实施例相同的被动叶片。

再循环分支73仅用于通过补充泵单元51再循环燃料。

第四实施例的供电系统10不包括任何压头损失调节器20，与第三实施例的不同。

当然，本领域技术人员可以在不脱离本发明公开的情况下对刚刚描述的本发明进行各种修改。

具体而言，在图2至4的实施例中，再循环分支的入口F可以位于低压泵单元101与柱塞泵102之间。此外，该入口F可以位于低压泵单元101的两个泵之间。

在图2和图3所示的实施例中，再循环分支71的出口G位于可变几何结构供应回路50的一管道上，该可变几何结构供应回路终止于该可变几何结构供应回路的出口节点S。然而，该出口G也可以位于低压泵单元101的两个泵之间，甚或位于该单元101的上游。

第二实施例的叶片74的闭塞器实际上可以仅包括两个稳定位置，即打开端位置和闭合端位置。

此外，第二实施例的叶片74可以由电子调节系统120经由与用于控制电动柱塞泵102的电子调节模块相同的电子调节模块来控制。

通常，低压泵单元101包括串联的多个离心泵。低压泵单元101的离心泵的数量可以根据涡轮机1的液压功率和流体流速的需求而变化。同样地，低压泵单元101的泵不一定相同。

低压泵单元101还可以在其离心泵之间包括液压阻力件104。

互补泵单元51可以包括多个串联的离心泵。在这种情况下，再循环分支的入口F位于称为第一离心泵的互补泵单元51的至少一个泵与可变几何结构54中的一个之间。

互补泵单元51的离心泵不一定相同。

进一步替代地，互补泵单元51可以仅向涡轮机的一些可变几何结构54供应流体。

在第一实施例中，节点B位于低压泵单元101与液压阻力件之间。它可以位于液压阻力件104与柱塞泵102之间。在任何情况下，它位于柱塞泵102的上游。

可以预见的是，第四实施例的注入系统供应回路60与第三实施例的相同。从而，它将包括一个压头损失调节器20。

Claims

1.一种用于为涡轮机供应流体的供应系统(10)，所述供应系统(10)包括至少三个串联的离心泵(101a，111a，111b，51)和位于至少一个所述离心泵(101a，111a，111b)的下游并且构造成向一注入系统(62)供应流体的柱塞泵(102)，

所述供应系统(10)包括低压泵单元(101)，所述低压泵单元包括串联的所述离心泵(101a，111a，111b)的至少两个，所述低压泵单元(101)位于所述柱塞泵(102)的上游，以向所述柱塞泵(102)供应流体，

其中所述供应系统(10)在位于所述低压泵单元(101)下游的入口节点(E)处被分成一注入系统供应回路(60)和一可变几何结构供应回路(50)，

其中所述注入系统供应回路(60)包括所述柱塞泵(102)，并且构造成向所述注入系统(62)供应流体，

其特征在于，所述可变几何结构供应回路(50)包括互补泵单元(51)，所述互补泵单元包括称为第一离心泵(51)的至少一个离心泵和位于所述第一离心泵(51)下游的可变几何结构(54)，所述供应系统(10)包括一流体再循环分支(71，73)，该流体再循环分支包括：

入口(F)，所述入口(F)位于所述第一离心泵(51)和所述可变几何结构(54)之间，

出口(G)，所述出口(G)位于所述第一离心泵(51)的上游或所述可变几何结构(54)的下游，且与位于所述第一离心泵(51)上游的一出口节点(S)流体连通，使得通过所述再循环分支(71，73)的流体在所述第一离心泵(51)中再循环，以及

叶片(72，74)，所述叶片(72，74)位于所述流体再循环分支的所述入口(F)与所述出口(G)之间，其中所述叶片(72，74)包括一闭塞器，所述闭塞器构造成根据流体温度打开/关闭。

2.根据权利要求1所述的供应系统(10)，其中所述低压泵单元(101)和所述可变几何结构供应回路(50)不包括任何柱塞泵(102)。

3.根据权利要求1所述的供应系统(10)，其中所述出口节点(S)位于所述低压泵单元(101)的两个泵(101a，111a)之间。

4.根据权利要求1所述的供应系统(10)，其中所述出口节点(S)位于所述低压泵单元(101)的上游。

5.根据权利要求1所述的供应系统(10)，其中所述流体再循环分支(73)的出口节点(S)位于所述低压泵单元(101)与所述第一离心泵(51)之间。

6.根据权利要求1所述的供应系统(10)，其中所述流体再循环分支(73)的出口节点(S)位于所述低压泵单元(101)的下游和所述柱塞泵(102)的上游。

7.根据权利要求1所述的供应系统(10)，其中所述叶片(72，74)包括选自止回阀、填料和滑阀的至少一个元件。

8.根据权利要求1所述的供应系统(10)，其中打开和/或关闭所述叶片(74)的闭塞器由涡轮机的电子调节系统(120，126)控制。

9.根据权利要求1所述的供应系统(10)，其中所述叶片(72)构造成使得如果通过所述叶片(72)的所述流体的温度超过一阈值(S₀)，则所述闭塞器自动关闭。

10.根据权利要求1所述的供应系统(10)，其中所述叶片(72)的闭塞器仅包括两个稳定位置，即打开端位置和关闭端位置，在所述打开端位置，所述叶片(72)使流体可在所述再循环分支中循环，在所述关闭端位置，所述叶片(72)阻止流体在所述再循环分支(71，73)中循环。

11.一种涡轮机(1)，其包括根据权利要求1所述的流体供应系统(10)。