CN111033016B - 补偿燃料密度可变性的燃料计量回路和方法 - Google Patents

补偿燃料密度可变性的燃料计量回路和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于涡轮机的燃料计量回路(1)，包括：‑计量装置(6)，‑泵(4)，‑控制阀(5)，该控制阀被构造成根据计量装置(6)的端子处的燃料压力差使输送到计量装置(6)的过量燃料流量朝向泵(4)返回，‑隔膜(8)，以及‑容积流量计(9)，隔膜(8)和容积流量计(9)以与计量装置(6)平行的方式安装在控制阀(5)的下游，以确定在计量回路(1)中流动的燃料的密度。

Description

补偿燃料密度可变性的燃料计量回路和方法
技术领域
本发明涉及用于涡轮机的燃料计量回路，并且涉及可通过这种回路实施的计量方法。
背景技术
涡轮机通常包括燃料计量回路，该燃料计量回路包括燃料计量装置，该燃料计量装置将适应于涡轮机的运行转速的燃料流量输送到涡轮机的燃烧室。
计量回路还包括(对于涡轮喷气发动机的情况而言，该涡轮喷气发动机为飞行器配备有整合到飞行器中的燃料箱-与配备有涡轮机而不是涡轮喷气发动机并且具有一体式箱的飞行器架构相比)泵以及调节阀，该泵从涡轮机的燃料箱中抽取燃料，以将燃料输送到计量装置，该调节阀能够使被提供给计量装置的过量燃料流量朝向泵再流通。
涡轮机的每个运行转速都施加相应的燃料质量流量，该燃料质量流量必须由计量装置输送。图1示出了不同类型的燃料的密度随温度的变化(编号为1至4的每条曲线对应于不同的燃料，编号为5的曲线对应于发动机尺寸的一个示例)。在该图中可以看出，燃料的密度可特别地随着所使用的燃料的类型(或多或少的挥发性燃料)和燃料温度而显著地变化。当前，根据控制法则控制计量装置，该控制法则针对温度和燃料类型的限定条件将期望的目标质量流量与计量装置的位置联系起来。
因此，这些控制法则不允许在控制计量装置时考虑燃料密度的可变性，从而不能准确地使计量的质量流量与燃料的密度相适应以获得目标质量流量。
此外，由于用于了解由计量装置输送的燃料的量的流量计是容积流量计，因此不可能准确地了解由计量装置输送的质量流量，质量流量计的反应性不足以提供在任何时候适应于涡轮机的发动机转速的可靠信息。
这导致由计量装置输送到燃料燃烧室的质量流量存在约为12％的显著误差。
可以通过以下公式(A)计算由计量装置输送的流量的误差的比例，该误差是由燃料密度的未知导致的，该公式表示所输送的流量：
Figure BDA0002377670150000021
其中：
-Wf是由计量装置喷射的质量流量，单位为kg/h
-ρ是流量密度，单位为kg/L
-K是常数，以及
-S是计量装置的槽的开口截面，单位为mm2
密度对所喷射的流量的影响如下：
Figure BDA0002377670150000022
与以803kg/m3的平均密度计算的定律相比，密度在700kg/m3至900kg/m3之间变化会导致所喷射的质量流量的误差介于-6.4至6.1％之间。
然而，该误差会影响涡轮机的尺寸。
特别地，涡轮机的转速的显著变化(例如从高速度范围到空转转速，以及从空转转速到高速度范围)导致输送到燃烧室的流量突然变化。该变化发生的时间比涡轮机旋转速度的变化时间短。因此，必须限定运行公差(被称为喘振和停机裕度)，使得尽管所输送的流量不同于运行所需的适当需求量并适应于涡轮机的当前旋转速度，但涡轮机仍能继续操作，这些公差是通过涡轮机的选择参数的裕度来实现的。
由于计量装置所输送的流量存在大的误差，因此公差以及涡轮机的选择参数的裕度必须更大。
已经提出了一些解决方案，包括使用与计算器结合的温度传感器，该计算器根据基于燃料的温度或密度建立的补偿定律来校正对计量装置的控制。
然而，该解决方案通过进一步增加与定律的起草有关的其他不确定性来源而仅允许校正与温度有关的偏差的一部分。
发明内容
本发明旨在通过提出一种燃料计量系统来克服现有技术的缺点，与现有技术相比，该燃料计量系统关于计量的流量具有增加的精度。
为此，本发明提出一种用于涡轮机的燃料计量回路，该燃料计量回路包括：
-计量装置，
-泵，该泵被构造成使燃料流量朝向计量装置流通，
-调节阀，该调节阀被构造成根据计量装置端子处的燃料压力差将输送到计量装置的过量燃料流量朝向泵返回，
-隔膜，以及
-容积流量计，该容积流量计被配置成确定穿过隔膜的燃料的容积流量。
隔膜和容积流量计以与计量装置平行的方式安装在旁通管中，且位于调节阀的下游，以便确定在计量回路中流通的燃料的密度。
以上描述的计量回路的一些优选但非限制性的特征如下，这些特征可被单独采用或组合采用：
-容积流量计被安装在隔膜的上游或下游。
-计量回路进一步包括电子卡，该电子卡被配置成接收来自容积流量计的关于燃料的容积流量的信息，并通过考虑由此确定的燃料密度来调整计量装置的监控设定点。
-该泵包括容积泵。
根据第二方面，本发明还提出一种涡轮机，该涡轮机包括这种计量回路。
根据第三方面，本发明提出一种在燃料计量回路中实施的燃料计量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
-确定计量装置的端子处的压力差，
-通过使用容积流量计测量燃料的容积流量，
-根据压力差、容积流量和与隔膜有关的常数来计算燃料密度。
以上描述的计量方法的一些优选但非限制性的特征如下，这些特征可被单独采用或组合使用：
-该方法进一步包括如下步骤：在该步骤期间，流量计将与燃料的容积流量有关的信息传送到电子卡，并且电子卡通过考虑燃料密度来调整计量装置的监控设定点。
-通过利用调节阀使可变燃料流量朝向泵再流通来监控燃料流量。
附图说明
通过阅读以下详细描述并参照以非限制性示例给出的附图，本发明的其他特征、目的和优点将变得显现，并且在附图中：
-已描述的图1示出了多种燃料的密度随温度的变化。
-图2示意性地示出了根据本发明的一个实施例的计量回路。
-图3是示出了根据本发明的计量方法的一个示例性实施例的步骤的流程图。
具体实施方式
图2示出了用于涡轮机的流量计量回路1，该涡轮机包括至少一个燃烧室2和一个燃料箱3。
燃料计量回路1包括容积泵4、计量装置6和计量装置供应线(被称为高压供应线)，该计量装置供应线将容积泵4的出口连接到计量装置6的入口。计量装置6适于从初始流量向燃烧室2输送目标质量流量，该初始流量通过容积泵4经由高压线输送到燃烧室。
计量装置6包括尺寸可变、被称为计量装置开口表面的表面，该表面能够使液体流动。因此，由计量装置6输送的流量特别取决于开口表面。
计量装置6的开口表面在伺服阀的驱动下是可变的，该伺服阀控制可移动的计量部件移动以逐渐地堵塞计量孔口或槽。位置传感器使得能够了解可移动部件的位置。该位置传感器通常是LDVT(linear variable differential transformer，线性可变差动变压器)传感器。
存在不同类型的计量装置6，例如具有在文献US 7 526 911中描述的常规计量槽或者具有在文献EP 1 231 368和FR 2 825 120中描述的指数槽的计量装置。在指数槽的情况下，开口表面随着可移动部件的移动呈指数形式增加，这使得能够在低流量的情况下具有更好的精度。
计量回路可进一步包括截止阀10或HPSOV(High Pressure Shut-off Valve的英文缩写，高压切断阀)，该截止阀或HPSOV被构造成允许或阻止将燃料喷射到燃烧室中。
可选地，计量回路1可以包括电子卡11，以监控燃料的计量。为此，电子卡可以例如在两个方向上与计量装置6通信：电子卡可以将位置设定点发送到计量装置6以及在计量装置上恢复数据。
电子卡11还可以连接到装置外部的监控单元。该监控单元通常是FADEC(FullAuthority Digital Engine Control的英文缩写，全权限数字发动机控制，即全权限数字调节系统)的电子调节模块ECU(engine control unit的英文缩写，发动机控制单元)，该电子调节模块ECU监控飞行器的可变几何体(执行器、计量装置等)。监控单元可以位于飞行器周界内，并因此不能仅用于调节燃料。相反，电子卡11优选地仅专用于燃料的计量和辅助功能。作为变型，除了主监控装置以外，还可具有附加的监控装置，该主监控装置可特别地专用于计量。监控单元与电子卡11之间的连接通常通过连接线束来实现。
仅计量回路1的电子卡11(通过单个线束)连接到飞行器监控单元，然后通过电子卡11在计量回路1内进行重新分配。因此，计量回路1包括：从监控单元到电子卡11的单个入口，该电子卡将该入口分成多个出口，即，特别是计量装置6。
燃料计量回路1进一步包括调节阀5，该调节阀5适用于调节输送到计量装置6的流量。特别地，调节阀5适用于根据计量装置6的端子处的压力差使到达计量装置6的过量燃料流量在容积泵4的入口处返回。调节阀5还用于保持计量装置6的上游与下游之间的燃料压力差ΔP恒定。
通常，调节阀5包括可移动的挡板，该挡板抵抗加载的弹簧的作用而作用于待保持的压力差ΔP的预定值。挡板通常是穿孔的，以便根据挡板的、抵抗弹簧作用的平衡位置将燃料排放在通往再流通环路的管道上。
申请人在2016年6月27日提交的文献FR 1655944中描述了可在此使用的调节阀5的一个示例。
为了能够准确地设置小的开口，计量回路1进一步包括旁通管7，该旁通管7与计量装置6平行布置并且包括最小流量隔膜8和容积流量计9。
隔膜8具有固定截面Sd，该固定截面在工作台上进行的初步试验期间被设定。通常，隔膜可包括具有固定的尺寸和形状的孔口。
在隔膜8的端子处施加压力差，如上所述，该压力差由调节阀5调节和限定。由于隔膜在旁通回路7中与计量装置6平行地安装，因此该压力差ΔP等于计量装置6的端子处的压力差ΔP。
压力差ΔP特别可以通过差动传感器来测量。
此外，由于通过隔膜8而导致的压头损失由以下公式(B)确定：
Figure BDA0002377670150000061
其中
ρ是燃料的密度，
ξ是隔膜8的压头损失系数，该压头损失系数是常数，
Q是穿过截面Sd的隔膜8的容积流量。
然而，隔膜8的上游和下游的压力是已知的并且由调节阀5限定。也可以使用差动传感器来测量该压力。隔膜8的截面预先通过在工作台上进行的试验来确定。使用与隔膜8串联布置(在旁通管7中的隔膜8的上游或下游)的容积流量计9来测量容积流量。最后，隔膜8的压头损失系数是常数：因此，比率
Figure BDA0002377670150000062
也是常数。
根据公式(B)推论出在测量误差内，容积流量Q仅随着燃料密度而变化。
因此，串联布置在旁通管中的隔膜8和容积流量计9形成一直排的密度计，该一直排的密度计使得能够提高计量回路1的整体精度。
在适当的情况下，当计量回路1包括电子卡11时，流量计9测得的测量结果被传送到电子卡11，以使电子卡从测量结果中推导出燃料密度。然后，电子卡11可以通过考虑燃料的容积密度来调整计量装置6的监控设定点。
作为变型，在计量回路1中不存在电子卡11的情况下，由流量计9测得的测量结果被直接传送到计量装置6的控制单元。
为了估计由于隔膜8和附加的流量计9而获得的计量精度，必须要考虑在试验台上进行试验期间预先获得的校准精度以及在正常运行中的测量不准确性。
容积流量计9的精度约为测量结果的+/-0.8％。根据测得的流量，该可能的偏差考虑到整个温度范围。然而，在相反的情况下，可以测量包括隔膜8和流量计9的旁通管7中的温度，并且可以对读取的流量进行校正，涡轮流量计对流体的粘度敏感。
此外，在工作台上进行初步试验期间，相比机载电子设备，电子设备被更为精细地校准。因此，表征的不确定性(通常为测量值的+/-0.5％)更低。
在下文中，从保守的角度看，将考虑在整个测量温度的+/-0.8％的范围内，校准和操作中的测量精度相同。
同样，差动压力传感器的精度为满量程的+/-0.8％。
对于平衡表，将考虑5巴的量程，即对于4巴(调节压力差的常规值)的测量值，精度约为+/-1％。
考虑以下公式，该公式限定出喷射的容积流量：
Figure BDA0002377670150000071
其中：
Q是使用容积流量计9测得的流量，单位为L/h
ρ是燃料密度，单位为kg/L
S是燃料通道截面，该燃料通道截面联接到计量装置6的开口
A是计量装置6的计量槽的开口，单位为mm
压力和容积流量对燃料密度ρ的测量值的影响由下式确定：
Figure BDA0002377670150000081
即：
Figure BDA0002377670150000082
和
Figure BDA0002377670150000083
所有的这些测量误差都是随机的。因此密度误差ερ将等于
Figure BDA0002377670150000084
Figure BDA0002377670150000085
因此，穿过隔膜8和容积流量计9获得的、由密度
Figure BDA0002377670150000086
校准的流量误差为
Figure BDA0002377670150000087
由压力差校准的流量误差将为
Figure BDA0002377670150000088
要注意的是，在没有调节的情况下，密度变化导致流量从-6.4％变化到+6.1％，而在调节的情况下，特别是当计量回路1包括电子卡11时，流量变化将在大约+/-1.6％的范围内。在没有电子卡11的情况下，流量变化可介于-3％至+3％之间。
然后，使用这种燃料计量回路1进行燃料计量包括以下步骤：
-确定S1计量装置6的端子处的压力差，
-使用容积流量计9测量S2燃料容积流量，
-根据压力差、容积流量和与隔膜8有关的常数来计算S3燃料密度，
-确定与燃料的容积流量有关的信息并且将该信息传送S4到电子卡11，使得电子卡11通过考虑燃料密度来调整计量装置6的监控设定点。
应当注意的是，通过利用调节阀5使可变燃料流量朝向泵4再流通来监控燃料流量S4。

Claims (8)

1.一种用于涡轮机的燃料计量回路(1)，所述燃料计量回路包括：
-计量装置(6)，
-泵(4)，所述泵被构造成使燃料流量朝向所述计量装置(6)流通，
-调节阀(5)，所述调节阀被构造成根据所述计量装置(6)的端子处的燃料压力差使输送到所述计量装置(6)的过量燃料流量朝向所述泵(4)返回，
-隔膜(8)，以及
-容积流量计(9)，所述容积流量计被配置成确定穿过所述隔膜(8 )的燃料的容积流量，
所述计量回路(1)的特征在于，所述隔膜(8)和所述容积流量计(9)以与所述计量装置(6)平行的方式安装在旁通管(7)中，且位于所述调节阀(5)的下游，以确定在所述计量回路(1)中流通的燃料的密度。
2.根据权利要求1所述的计量回路(1)，其中，所述容积流量计(9)被安装在所述隔膜(8)的上游或下游。
3.根据权利要求1或2所述的计量回路(1)，所述计量回路进一步包括电子卡(11)，所述电子卡被配置成接收来自所述容积流量计(9)的关于所述燃料的容积流量的信息并通过考虑由此确定的燃料密度来调整计量装置(6)的监控设定点。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的计量回路(1)，其中，所述泵(4)包括容积泵(4)。
5.一种涡轮机，所述涡轮机包括根据权利要求1至4中任一项所述的燃料计量回路(1)。
6.一种燃料计量方法(S)，所述燃料计量方法在根据权利要求1至4中任一项所述的燃料计量回路(1)中实施，其特征在于，所述燃料计量方法包括以下步骤：
-确定(S1)所述计量装置(6)的端子处的压力差，
-使用所述容积流量计(9)测量(S2)所述燃料的容积流量，
-根据所述压力差、所述容积流量和与所述隔膜(8)有关的常数计算(S3)所述燃料密度。
7.根据权利要求6所述的计量方法(S)，进一步包括步骤(S4)，在所述步骤期间，所述流量计将与所述燃料的容积流量有关的信息传送到电子卡(11)，并且所述电子卡(11)通过考虑所述燃料密度来调整所述计量装置(6)的监控设定点。
8.根据权利要求6或7所述的计量方法(S)，其中，通过利用所述调节阀(5)使可变的燃料流量朝向所述泵(4)再流通来监控(S4)所述燃料流量。
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