CN111322159B - 改进的用于调节供给流速的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于调节涡轮发动机的燃油供给流速的装置(10)，包括至少一个泵(12)，通向泵(12)的上游管线(10a)，在泵下游的下游管线(10b)，从下游管线分支的再循环管道(13)，使得可在下游管线(10b)中收集流体，并朝上游管线(10a)引导它，设置在再循环管道(13)上的用于调节流速的设备(16、18)，设置在上游管线中的相位测量仪(30)，连接至相位测量仪(30)和流速调节设备的计算单元(40)，所述计算单元根据上游管线中的气体含量值控制流速调节设备，从而控制所述流速调节设备的开启度。

Description

改进的用于调节供给流速的装置

技术领域

本发明涉及用于发动机，特别是涡轮发动机的燃油供给回路的领域，更具体说是涉及一种用于调节燃油供给流速的装置，以及一种使用这种装置的调节方法，其中两相流流动。

本发明可具体用于飞机涡轮喷气发动机。

背景技术

飞机发动机通常包括燃油供给回路，所述燃油供给回路从通常位于飞机机翼中的油箱收集燃油。在燃油从这些油箱到发动机的通过期间，燃油首先在来自这些油箱并属于飞机的管道中流动，然后在属于发动机供给回路的管道中流动。这两种管道的连接因此构成飞机和发动机之间的接口。此外，供给这些发动机的回路包括允许在燃油供给到燃烧室之前对燃油加压的泵送设备。该泵送设备通常包括两个水平：泵BP(低压)和泵HP(高压)。泵BP通常是带有叶轮片的叶轮的离心泵，其正确操作很大程度地取决于其正确的燃油供给。特别地，提供这类泵以与液相流体一起运行，燃油流中气体的存在具有损害泵的正常运行的风险。

然而，在发动机的构造过程中，发动机制造商不必确切地知道该发动机在飞行时应该遭受的运行条件，特别地，他们不必知道飞机的油箱和燃油管路的设计细节。相反，发动机制造商不必知道在给定飞机上应该使用的发动机类型，几个发动机型号通常与一种相同的飞机型号兼容。因此，关于在飞机与发动机之间的接口之间存在的流动条件可能会产生不熟悉。但是，根据飞机的构造及其使用条件(管线的几何形状、高度、燃油类型、温度，…)，可能破坏该接口的流动特性。后果可能特别地是除气，甚至气蚀，以及当流动压力过低时出现的两种现象的耦合。因此，获得的两相流包含具有干扰泵BP运行，甚至损坏它，从而导致发动机功能失调的风险的微气泡、气泡或整个气穴。

这些流动状态可能不利于泵的正常运行，以及因此发动机。事实上，这类工况，可由基本处于气态的流体按时地供给泵BP。该构造特别地可导致泵不整洁，甚至引起振动以及可损坏泵的泵送现象的出现。

为了避免这类流动状态，必须模拟并正确地规定在飞行过程中在飞机和发动机之间的接口处的燃油供给条件。然而，正如上文所述，发动机制造商很少具有足够的信息，特别是关于飞机的确切构造，以使这种模拟成为可能。因此，避免这些流动状态的当前解决方案限于限制飞行包络线，以避免在飞机和发动机之间的接口处具有过低压力(促进空化现象)，甚至使泵BP尺寸过大的任何风险，因此不必要地增加了推进元件的质量。

因此，需要一种允许限制上述缺点的用于调节燃油供给流速的装置以及一种用于调节燃油流速的方法。

发明内容

本发明涉及一种用于调节涡轮发动机的燃油供给流速的装置，包括：

–至少一个泵，

–通向所述泵的上游管线，

–退出所述泵的下游管线，

–从所述下游管线分支的再循环管道，其允许在所述下游管线中收集一定数量的流体，并朝所述上游管线引导从所述下游管线收集的流体，

–设置在所述再循环管道上的用于调节流速的设备，

–设置在所述上游管线中的能够确定两相流的气体含量的相位测量仪，

–连接至所述相位测量仪和流调节设备的计算单元，所述计算单元被构造成根据由所述相位测量仪确定的上游管线中的气体含量值控制所述流调节设备，从而控制所述流调节设备的开启度。

在本发明中，该流可以是液体流或两相流，也就是说包括液体和最初溶解在液体中的空气蒸气的包括液相和气相的液体流，并且根据燃油回路中流体的流向(从燃油箱流向燃烧室)构成术语“上游”或“下游”。

流速调节设备的度的变化对应于再循环管道中流体的通道截面的变化。

通过“气体含量”可以理解为上游管线的一部分上所有流体中气相的总体积比例。

由相位测量仪检测的上游管线中的气体含量值确定了流调节设备的开启度，换句话说，在再循环管道中循环并在上游管线中重新注入的流体流速。

该装置使得可调节在泵上游直接供给泵的流体的流速。由于该装置，因此通过检测这些流动状态的出现以及通过简单地改变流速，可以避免可能损害发动机运行的流动状态。这在对于飞机发动机不必限制飞行包络线的情况下是可能的。此外，这种装置可以使泵不必尺寸过大，从而避免增加质量和体积。此外，该流速调节装置允许在整个运行范围上校正气相的存在，无论气相含量值如何。

在一些实施例中，所述流速调节设备包括连接到所述计算单元的第一调节构件以及设置在所述再循环管道上的第二调节构件，所述第二调节构件的开启度由所述第一调节构件控制。

在一些实施例中，当所述上游管线中的气体含量值增加时，所述计算单元被构造成通过所述第一调节构件控制所述第二调节构件的至少局部关闭，从而降低在所述再循环管道中流动的燃油的循环流速。

在一些实施例中，所述再循环管道在所述相位测量仪的下游连接到所述上游管线。

因此，在所述下游管线中收集并在所述再循环管道中循环的流体直接在所述泵的上游，被注入在所述相位测量仪下游的上游管线中。通过“直接上游”，可以理解，在旁路管道和上游管线之间的连接点与泵仅通过上游管线的一部分连接，该装置的任何其他元件都不设置在该部分上。

在一些实施例中，所述第一调节构件是伺服阀，所述第二调节构件是再循环阀。

通过“伺服阀”可以理解为具有电控开启的液压阀，其允许自动控制其开启，更特别地再循环阀(或调节阀)的开启。此外，再循环阀的开启度变化对应于再循环管道中流体的通道截面的变化。

在一些实施例中，低压泵是带有叶轮片的叶轮的离心泵。

本发明还涉及一种涡轮发动机，其包括根据上述实施例任何一个的至少一个装置。

本发明还涉及一种用于使用根据上述实施例任何一个的装置调节涡轮发动机的燃油供给流速的方法，包括以下步骤：在上游管线中通过相位测量仪确定供给泵的流体的气体含量；以及根据在所述确定步骤中确定的上游管线中的气体含量，通过计算单元调节流速调节设备的开启度。

在一些实施例中，当相位测量仪在确定步骤检测到气相的增加时，所述计算单元控制流速调节设备的所述至少局部关闭，从而降低在所述再循环管道中流动的燃油的循环流速。

附图说明

在阅读以非限制性方式给出的本发明一个实施例的以下详细描述时，应该更好地理解本发明及其优点。本说明引用附图，其中：

【图1】图1表示一种包括根据本发明的供给回路的飞机；

【图2】图2示意性地表示这种供给回路；

【图3】图3以模型化的方式表示其中流体在气态相存在的情况下在泵的入口处流动的管线；

【图4】图4表示相位测量仪。

具体实施方式

图1表示飞机9，其包括设置在飞机9的机翼中的发动机1和燃油油箱2。发动机1包括燃油供给流速调节装置，该调节装置是一种由在油箱2中收集的燃油供给的供给回路10。在燃油从油箱2流向发动机1的过程中，燃油首先在源于油箱2并属于飞机9的油箱管道2a中流动，然后在属于发动机1的供给回路10的管道10a中流动。这两个管道2a和10a之间的接合构成飞机9与发动机1之间的接口I。

供给回路10在图2中示意性地显示。它包括一泵送设备，该泵送设备使得可在燃油供给到燃烧室20之前对燃油进行加压。该泵送设备包括第一泵12(低压泵)和第二泵14(高压泵)。图2中的箭头表示燃油的流动方向。管道10a是一上游管线，来自油箱2并通向泵12的燃油在管道10a中循环。第一泵12通向一下游管线10b，燃油在下游管线10b中循环到第二泵14，下游管线10b连接到所述第二泵14。从第二泵14离开的燃油然后供给计量阀19，然后供给发动机1燃烧室20的燃油喷射器。由第二泵14下游的计量阀19收集的流体部分通过一计量管道19a在第二泵14上游被重新引导。

相位测量仪30设置在接口I下游的上游管线10a中。如图4所示，相位测量仪30包括一圆柱形的外壳30a，其内侧具有多个圆柱形的、相互同轴的，并且具有圆柱形外壳30a的电极30b、30c、30d和30e。流入上游管线10a的流体沿着这些电极在相位测量仪30内侧流动。所述电极能够测量电容，所述电容的值表示在相位测量仪30中流动的流体的气体含量。

供给回路10还包括一再循环管道13。该再循环管道13使得可在下游管线10b中收集一定量的燃油。该再循环管道13在第一泵12与第二泵14之间从下游管线10b分支。该再循环管道13还在第一泵12上游和在相位测量仪30下游连接在上游管线10a上。

此外，一再循环阀18设置在再循环管道13上。该再循环阀18的开启由一伺服阀16控制。该伺服阀16控制再循环阀18的开启度，换句话说，控制在再循环管道13中朝向上游管线10a流动的流体流速。

计算(或计算)单元40连接到相位测量仪30以及连接到伺服阀16。控制单元40可以是FADEC类型的(全权限数字发动机控制)。由相位测量仪30测量的在上游管线10a中流动的流体的气体含量被传输到计算单元40。根据该气体含量值，计算单元40发送一与伺服阀16对应的信号，该伺服阀16根据以下描述的方法控制再循环阀18的开启度。

第一泵12是带有叶轮的离心泵，该叶轮具有叶片，在所述叶轮的上游具有或不具有带有叶片的诱导轮。该离心泵的工作原理在下文中描述。

在该离心泵上，能量传输流体动力地实现。在能量的流体动力传输过程中，通过离心泵的盘加速该流体。基于该盘上的速度，在叶片的输入速度与叶片的输出速度之间计算被传输到流体的作用力以及由此所增加的压力。

该盘的性能因此很大程度上取决于泵入口中的速度三角形。事实上，离心泵的叶片的输入角被设计为使得对于一给定的输出范围引导流体旋转。泵入口中气相的存在直接影响该盘的输入的速度三角形，进而影响该泵的性能。

在气相存在的情况下，有效燃油通道截面(如图3中的灰色部分所表示)被减小，因为该截面由气相所占据(如灰色部分两侧上的黑色部分所表示)。

在这些条件下保持泵的流速意味着燃油速度的增加，以补偿截面减小。

叶轮片输入中的速度C_u1因此如下增加：C'_u1＝C_u1*(1+V/L)，其中V/L表示气体部分与液体部分的比值。如果该速度增加变得太重要，这可能导致不适于输入中的叶片角度的入射，很大程度上降低性能并导致分离、再循环和空化现象。

根据本发明的装置在于使用在低压泵12上游的相位测量仪30，以调节叶片输入中的速度C_u1，并优化泵的性能，无论V/L比值如何以及在整个流速工作范围上。也可以在低压泵12的入口处锁定流体的通道。

换句话说，并非是在一给定的流速范围Q上确定泵的尺寸，而是低压泵12的尺寸对于如下增加的相同范围确定为：Q_dim＝Q*(1+V/L)。

在没有气相的情况下，也就是说，V/L＝0，再循环回路确保重定向在泵12进口处的剩余流速。

在气相存在的情况下，也就是说，V/L>0，相位测量仪30将值V/L传输到将控制伺服阀16的计算机40，所述伺服阀16又控制再循环阀18。再循环阀18因此减少了再循环管道13的通道截面。再循环管道中流动的再循环流速因此与速度C_u1(具有V/L比值)一起减小。因此，在泵的输入端获得了始终与低压泵的进口叶片的攻角一致的速度C_u1。

当相位测量仪30检测到一给定值V/L时，运行点因此稍微偏移。为此，减小改再循环阀的开口，以减少燃油流速并离开临界点。

尽管已经参考了具体实施例示例描述了本发明，但显而易见的是，在不脱离例如权利要求所限定的本发明的通常范围的情况下，可以对这些示例进行修改和改变。特别是，所图示/提及的不同实施例的多种特征可以在额外实施例中组合。因此，应当从图示的角度而非从限制的角度考虑说明书和附图。

同样显而易见的是，泵12的低压水平可包括蜗壳。当V/L>0时，泵的作用在任何情况下都不受所述蜗壳存在的影响。

同样显而易见的是，参考一种方法描述的所有特征单独或组合地与一种装置可转置，相反，参考一种装置描述的所有特征单独或组合地与一种方法可转置。

Claims (8)

1.一种用于调节涡轮发动机的燃油供给流速的装置(10)，包括：

–至少一个泵(12)，

–通向所述泵(12)的上游管线(10a)，

–离开所述泵(12)的下游管线(10b)，

–从所述下游管线(10b)分支的再循环管道(13)，使得可在所述下游管线(10b)中收集一定量的流体，并朝所述上游管线(10a)引导从所述下游管线(10b)收集的流体，

–设置在所述再循环管道(13)上的流速调节设备，

–设置在所述上游管线(10a)中的能够确定两相流的气体含量的相位测量仪(30)，所述再循环管道(13)在所述相位测量仪(30)的下游连接到所述上游管线(10a)，

–连接至所述相位测量仪(30)和所述流速调节设备的计算单元(40)，所述计算单元(40)设置为根据由所述相位测量仪(30)确定的上游管线(10a)中的气体含量值来控制所述流速调节设备，从而控制所述流速调节设备的开启度。

2.根据权利要求1所述的装置(10)，其中，所述流速调节设备包括连接到所述计算单元(40)的第一调节构件(16)，以及设置在所述再循环管道(13)上的第二调节构件(18)，所述第二调节构件(18)的开启度由所述第一调节构件(16)控制。

3.根据权利要求2所述的装置(10)，其中，当所述上游管线(10a)中的气体含量值增加时，所述计算单元(40)设置为通过所述第一调节构件(16)控制所述第二调节构件(18)的至少局部关闭，从而降低在所述再循环管道(13)中流动的燃油的循环流速。

4.根据权利要求2所述的装置(10)，其中，所述第一调节构件(16)是伺服阀，所述第二调节构件(18)是再循环阀。

5.根据权利要求1所述的装置(10)，其中，所述泵(12)为离心泵，所述离心泵具有叶轮，所述叶轮具有叶片。

6.一种涡轮发动机，包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的装置(10)。

7.一种使用根据权利要求1至5中任一项所述的装置(10)调节涡轮发动机的燃油供给流速的方法，包括以下步骤：

–利用相位测量仪(30)确定在上游管线(10a)中供给泵(12)的流体的气体含量；

–根据所确定的上游管线(10a)中的气体含量，利用计算单元(40)调节流速调节设备的开启度。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，当相位测量仪(30)在确定步骤检测到气相的增加时，所述计算单元(40)控制流速调节设备的至少局部关闭，从而降低在再循环管道(13)中流动的燃油的循环输出。