CN1675457A - 改进的燃料输送系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料输送系统，具有在计量阀(250)和泵(208)之间的闭环质量流控制功能。监控跨过阀的压力改变，相应于这种压力改变，改变泵操作。热控制器(290)监控燃料温度，并使一部分燃料通过热交换器(202)进行再循环。该系统可作为原始配置或改进配件提供。

Description

改进的燃料输送系统
技术领域
本发明涉及涡轮发动机组件，更具体而言，涉及用于这种发动机的燃料输送系统。然而，应当理解，可发现该系统同样可以应用到要求高可靠性、低成本、和低重量，同时不牺牲性能的相关系统或环境中。
背景技术
目前通用的燃料输送系统通常使用离心式推进级(centrifugalboost stage)将加压流体导入过滤器，然后使加压流体穿过齿轮级或齿轮泵。燃料随后流到计量阀，进入压力控制阀，燃料从压力控制阀最终流向与涡轮发动机关联的燃料喷嘴。在改变泵吸入口条件的情况下，离心式推进级提供压力和燃料流，从而用均匀的液体燃料(即，没有蒸汽)充分填充高压级。例如，泵吸入口条件可包括低压、高温等。此外，离心式推进级根据燃料控制充当旁通流的接收器，并提供用于燃料控制中的参考基准压力。
高压正排量级通常是齿轮泵。齿轮泵用于提供正燃料流给系统，而不考虑系统的限制，即，直到安全阀的设定值。高压安全阀集成在主发动机泵中，用来保护燃料系统。在引导燃料通过计量阀之前还提供有旁通流。旁通流使燃料再次循环回泵。通过用提供适当信号给旁通阀的头调节器在计量阀的任一侧上进行传感，控制旁通燃料量。此外，该系统将通常将一些加压燃料用于致动器的操作。
尽管到目前为止已经证明这些系统是有效的，但是需要对获得成本和工作成本进行改进。此外，希望提高效率、平均寿命，尤其是使传统系统在怠速降低时的效率更高。也希望用于计量燃料和控制发动机超速速度部件数量减小。此外，减小系统热交换器的数量也适合于上述的所有目的，并极大地减小了能量级传送。
对于已知系统，需要提供致动器和燃料喷嘴。由于具有双重作用，所以必须考虑对致动系统的瞬变流需求。如果致动源的需求变大，则泵的总需求变大，且燃料喷嘴供应不足会造成发动机突然烧坏。另一方面，如果将比所需燃料更多的燃料供给燃料喷嘴，例如，在减小致动器的需求时，则发动机可能熄火。
这样，在已知系统中，通常有三条来自泵的输出通道。第一通道指向计量阀，第二通道指向致动器，第三通道用于旁通目的。这类似于平行设置的三个孔口。换句话说，一个孔口的流量变化不会造成另外两个孔口的较大流量变化。但是，如果使用可调流量泵，则系统减小到相当于两个孔口，从而一个孔口的流量变化造成另一孔口的较大流量变化。因此，对于泵来说需要迅速弥补这种缺陷，即，进行快速响应。尽管现有技术中的其它系统已经将旁路用作尝试的解决方案，但是同减少组件的趋势相矛盾，采用这种方案增加了组件的数量。
发明内容
本发明提供了一种改进的燃料输送系统，提供了高效率，所需组件较少，并提高了可靠性。
根据本发明的一个实施例，可调流量泵与具有闭合回路质量流控制的计量阀可操作地关联。质量流控制器监控计量阀任一侧上的压力，并对此进行响应，以改变泵输出。
本发明的另一实施例整合了泵流体的热量管理控制。具体而言，在将流出泵流体在热控制阀和下游致动器用途之间分开之前，使泵流体通过热交换器。如果该系统检测到一部分流体为了散热而需要进行重复循环，则将热控制阀打开到希望的水平。
优选地，传感器监控计量阀上的压力，且测温探头提供理想的流向致动器用途的燃料温度数据。
本发明的一个主要益处在于位于输送的燃料质量流上的闭合控制回路，而不仅在于计量阀的位置。
此外，电子超速系统可响应于跳闸或切断、微调或速度上限、和/或例如速度设置等调节功能。
用在本系统中的很多组件或被整合，或被去除。例如，从传统的燃料控制器架构中除去了旁通阀、头调节器、和逻辑选择阀。将系统的主、伺服、和整体驱动发电机(IDG)整合到单个单元中。
本发明的一个主要优点在于质量流单个回路控制的能力，质量流是成比例控制的。
采用本发明，无需增加部件数量或增加系统的整体复杂度，就可实现燃料输送的实质改进。
本发明的另一优点在于改进了现有系统的能力。
本领域技术人员在阅读和理解以下详细描述后，本发明的其它优点和特征将变得显而易见。
附图说明
图1是典型的燃料系统的简化示意图。
图2是传统系统的燃料输送系统的示意图。
图3是本发明的改进型燃料输送系统的示意图。
图4是用于本发明中的可调流量泵的横截面图。
图5是典型的飞行循环的功耗与飞行条件的图示，尤其示出怠速降低情况下的效率。
具体实施方式
借助于本发明的其它背景技术，图1示意性示出高层级和更详细的传统发动机燃料系统。由于这种系统通常对于本领域技术人员来说是已知的，所以仅提供了对所选择的部分的简要概述，以理解本发明提供的特点和益处。
如在图1中的高层级图中示意性地示出的，现有技术系统包括燃料泵60，该燃料泵60用于将燃料通过过滤器62供给燃料控制器64。该泵是定排量装置(displacement device)，根据发动机速度将定量的燃料流传送给燃料控制器。被传送的部分燃料流被计量并传送给发动机燃烧室(未示出)。经过计量的燃料流部分在到达燃料分配歧管和燃料喷嘴68之前通过燃料流量计66供给燃烧室。泵所传送的另一部分燃料流流向用70表示的系统致动器(actuator，又称为执行器)。通过使燃料流过热交换器72，燃料控制器64使所传送的泵流量的剩余部分返回泵入口。
在现有技术系统中，电子发动机控制器74用于接收来自机身76的输入命令，接收来自发动机上的各个传感器的反馈信号，和提供命令信号给发动机上的操纵装置，例如燃料控制器64和系统致动器70等。发动机电子控制器使用来自燃料控制器的反馈信号确定和控制到发动机燃烧室的被计量的流量。燃料控制器64和机身76之间也存在直接通信(即反馈信号和命令)。
图2提供了对现有技术燃料系统的更详细的图示。在此系统中，燃料从机身供应线输入离心泵件80。离心泵件有时也称为推进级，将燃料流和压力传送给高压泵件82。燃料在进入高压泵级之前从推进级通过燃料/油热交换器84和过滤器86。高压泵级是定排量泵，用于主要根据泵驱动速度传送定流量。高压级输出流流过洗涤流过滤器90，然后以三个通道(path，路径)流动。这些通道是致动流92、计量流94、和旁通流96。
致动流92设置在整体用参考标号100表示的系统液压型致动器(例如，可变定子叶片电动液压伺服阀，高压涡轮主动间隙控制器，低压涡轮主动间隙控制器，瞬时放泄阀电动液压伺服阀，和燃烧器级阀螺线管)，该系统液压型致动器用于例如可变大小和放泄阀等以大幅提高发动机性能的喷气发动机的控制方面。当然，应当理解，这里的各种特定致动器是本领域所使用的术语，可根据涡轮发动机或制造者而不同，不应认为是对本发明的限制。计量流94是发送给发动机燃烧室(未示出)且在其中燃烧以产生动力的流。旁通流96是未用于致动和计量流的泵输出流的剩余部分。在通过另一燃料/油热交换器104之后，旁通流通过旁通阀102返回高压泵级82的入口。在此系统中，通过将计量阀110设定到对应于计量的燃料流的值的已知位置，生成计量流。头调节器112和旁通阀102的调节用于将跨过计量阀110(计量阀两端)的压降精确控制到已知的不变水平。使计量阀压降保持到已知的不变水平对维持计量阀位置和计量流之间所要求的精确关系是必不可少的。计量阀位置通常通过位置定位解算器传感器114表示给发动机电子控制装置。
图2还示出了致动供应通道中的热交换器120的使用。此热交换器120用以确保致动用燃料被充分加热，以避免在一定的飞行条件下致动系统结冰和随后的故障。此热交换器的输出为燃料控制内部使用和外部致动器系统使用而设置。伺服调节器和液电伺服阀(EHSV)用于控制致动流的流量和压力水平。
现有技术的燃料控制系统将压力控制阀130整合在计量流通道中，以确保运行期间对致动系统进行充分的燃料加压。压力控制阀也用于在机身发出系统关闭命令时关闭通往燃烧室的计量流通道。
现有技术燃料控制系统也整合了液体机械超速调节器132，以在控制系统故障将使得发动机不可控制的情形下限制发动机速度。超速调节器132与头调节器112一起提供控制系统给旁通阀102。当检测到超速时，超速调节器提供信号来打开旁通阀，从而减少传送给发动机燃烧室的流量。
现有技术的燃料控制系统整合了用于提供发动机关闭功能的特性。这些特性包括逻辑阀134和关闭螺线管136。在收到机身信号时，关闭螺线管136使逻辑阀134变成关闭或运行状态。逻辑阀将压力信号传送到旁通阀控制伺服(超速调节器和头调节器)和压力控制阀130，使得每个都可在关闭或运行的操作模式期间起预定作用。
图3示意性地示出根据本发明的燃料传送系统。同样，燃料进入离心式推进级200。在输入高压可调流量泵208之前，加压的燃料从推进级经过燃料/油热交换器202和过滤器204。图4示出了优选的高压泵208的特定细节，同样也在于2002年3月27日提交的、要求于2001年4月5日提交的美国临时专利申请第60/281,634号的优先权的、未决PCT/US申请第PCT/US02/09298号中进行了详细描述，其全部内容结合于此作为参考。然而，应当理解，也可使用其它的泵，而不会偏离本发明的范围和意图。优选的可调流量泵包括转子210，转子210具有从其延伸的多个叶片212。凸轮环214相对于叶片212自由转动。因此，本发明不会遇到与用于典型的叶轮泵中相同叶片外尖端与固定凸轮环之间的较大磨损的问题。凸轮环214支承在由泵出的燃料限定的连续的液压轴承216中。可调流量泵的更具体的细节也可在共有的未决申请中找到。
高压泵级响应于控制信号，传送可控的流量。高压泵级输出流流过洗涤流过滤器230，然后在两条通道中行进。这些通道是致动流232和计量流234。由于该泵是可调流量泵，所以不需要旁通流径。致动流232被提供给系统液压型致动器，这里整体用参考标号240表示(缩写用于表示不同类型的电液伺服阀或螺线管)，用于控制例如大小可变的喷气发动机和大幅提高发动机性能的放泄阀的各个方面。计量流是发送通过计量阀的待在发动机燃烧室中燃烧以产生动力的流。
在此系统中，通过调整计量阀250的位置建立计量流，以获得理想的质量流(mass flow)。通过传感计量阀位置(LVDT)252、计量阀压力差(ΔP)254、和流体温度(RTD)256确定质量流，并计算质量所形成的质量流。用于计算所形成的流的电子控制模块260使用传感器输入和台用水准仪刻度结果。随着多个参数的传感(即，位置、压力差、和温度)，不再需要将计量阀压力差控制到非常精确的已知值。相反，允许计量阀压力差变化。这种允许可变的计量阀压力差的能力使得根据计量阀压力差对可调流量泵进行完全的成比例控制。
采用上述对泵进行完全成比例控制的方案，解决了使用可调流量泵的现有系统会遇到的响应问题。在遇到致动流命令中的突然变化时遇到响应问题。完全成比例的控制方案的使用允许泵输出流响应非常迅速，且保持稳定性。结合控制组件(即，头调节器)使用可调流量泵以精确设定计量阀压力差的不变已知值的系统通常响应特征较慢，从而保持系统稳定性。
图3还示出致动源通道中的热交换器270的使用。此热交换器270不仅用于确保致动用燃料被充分加热，以避免在一定的飞行条件下致动系统结冰并出现故障，而且与图2中的主热交换器104相同，用来在不结冰的前提下冷却发动机油。这样，主热交换器270(图3)可以替换热交换器104和120(图2)并起两个热交换器104和120的作用。
本发明的燃料控制系统也整合了计量流通道中的压力控制阀272，以确保在运行期间对致动系统进行充分的燃料加压。压力控制阀272也用于在机身发出系统关闭命令时关闭通向燃烧室的计量流通道。
如上所述，在现有技术的燃料控制系统整合了液体机械超速调节器功能，以在控制系统故障将使得发动机不可控制的情形下限制发动机速度。图3的本发明的系统使用泵控制电动液压伺服阀(EHSV)274调节泵输出压力，从而限制运送到发动机燃烧室的计量流。电子控制装置对闭环(closed loop，又称闭合回路)发动机的速度进行电子控制。可以从外部(例如，从发动机级电子控制装置276)进行电子控制，也可以在内部(例如，从系统的电子控制模块260)进行电子控制。发动机速度传感信号被提供给发动机上传感器或在外部(例如，来自永久磁铁交流发电机280)的电子控制装置。用于泵控制EHSV的命令信号由电子控制装置提供。
本发明的燃料控制系统整合了用于提供发动机关闭功能的特性。不是使用逻辑阀134和关闭螺线管阀136(图2)，机身信号促使泵控制EHSV 274到关闭或运行状态(图3)。当命令关闭时，去载可调流量泵208，减少计量流。压力控制阀272在泵去载时自动关闭，以确保完全关闭到发动机燃烧室的燃料。
根据本发明的燃料控制系统整合了用于提供系统热管理的特性。热控制阀290和温度反馈RTD 292用于控制通过主热交换器270的燃料流量。通过控制通过热交换器的流量，可控制温度以避免系统结冰和发动机油过热。此外，可将燃料温度控制到较低的固定值，以避免燃料系统和电子控制硬件的热循环。这样可以提高可靠性，延长组件寿命。也是有利的是，热交换器位于过滤器204下游，从而可控制过滤器中的结冰。
所有的燃料输送系统都经历温度循环，该温度循环对密封环、电子机械组件等有害。为了提高系统寿命，将现有技术的系统中使用的三个分离的热交换器用根据本发明的燃料输送系统中的两个热交换器结构替换。这样，减少了组件和大量的相关流体管道。
在燃料输送系统中使用的改进的可调流量泵的一些益处在图5中示出。如所示出的，齿轮泵的总效率用最下面的近似线性曲线310表示。本系统的改进的可调流量泵用曲线312表示。示出在优选的泵系统处于怠速降低(idle descent)操作范围时对传统的可调流量泵的极大改进(曲线314)。此外，该泵具有约大于齿轮泵寿命的三分之一的期望寿命，且与上述控制系统一起使用数量大幅减少的组件来计量燃料并控制发动机超速。组件越少，原始设备及更新结构的可靠性就越高，从而重量就越小，最终降低了成本。利用本发明的燃料输送系统，从传统的燃料控制架构中消除了传统的旁通阀、头调节器、和逻辑选择阀功能。同样，由于控制系统燃料流反馈的高精确度，可去除传统的下游燃料喷射器。作为燃料质量流的电控的闭环输送的结果，电力超速系统能跳闸或关闭、调整或速度上限，和控制或速度设置功能。利用此系统可获得改进的响应性和精确性。此燃料输送系统能超过整个流量范围内的点流量精确性的±2.5％。限制范围超过±0.5％。致动流级使得在50毫秒内计量流紊乱小于15％。所有这些均可在满足主发动机控制、液压机械单元功能、和具有快速响应时间的流体计量单元功能的燃料系统中实现。
该系统也适用于改装。也就是说，目前使用的燃料输送系统可被容易地改进或改装以获得本发明的益处。可以为传统的齿轮泵插入可调流量活塞泵，使用计量阀根据来自闭环结构的输送的燃料质量流控制泵的操作。此外，通过安装在平行于可调流量泵设置的再循环致动器环中的单个热交换器和热控制阀整合了对燃料温度的热管理。
这样，传统的喷气发动机的八个组件包括电子发动机控制装置、主热交换器、伺服热交换器、IDG热交换器、燃料泵和过滤器、核心速度传感器、燃料控制器、和燃料流发射器(加上用于将这些组件连接在一起的所有管道和线路)。利用本发明，将部件数量减少到三个，即，燃料输送组件、热交换器、和电子控制装置，以将燃料泵、过滤、计量、热管理、和故障管理及报告功能集成到紧凑单元中，并且大量减少了线路和管道。该系统需要输入的动力更少，这意味着更少的燃料消耗和更低的系统燃料温度。这也意味着，极大地减少了燃料，极大地降低了维护成本，并降低了重量。更进一步，主要优点源于工作成本的大幅减小。由于系统在下降期间更有效，冷却器燃料输送系统避免了传统的过高燃料温度，而这种过高的燃料温度将施加压力给组件、缩短组件寿命，并且提高组件维护和更换成本。
已经参看优选实施例描述了本发明。显然，在阅读和理解本说明书后，将可能做出修改和改变。例如，已经参看图4的可调流量泵描述了本系统，尽管将认识到，利用对本文中描述的原理微小改变，就能使用其它泵、可变或不变流。本发明旨在包含这样的修改和改变，只要它们落在所附权利要求及其等价物的范围内。

Claims (26)

1.一种燃料输送系统，包括：
泵，用于将燃料加压；
计量阀，位于所述泵下游，用于有选择地调节燃料输送；以及
质量流控制器，用于将希望质量流的燃料调节到相关的涡轮发动机。
2.根据权利要求1所述的燃料输送系统，其中，所述质量流控制器包括传感器，用于监控跨过所述计量阀的压力变化，并对其响应以改变泵操作。
3.根据权利要求2所述的燃料输送系统，其中，所述质量流控制器包括传感器，用于提供经过计量的质量流的闭合回路控制。
4.根据权利要求3所述的燃料输送系统，其中，所述传感器包括计量阀位置传感器。
5.根据权利要求3所述的燃料输送系统，其中，所述传感器包括计量阀压力差传感器。
6.根据权利要求3所述的燃料输送系统，其中，所述传感器包括计量阀流体温度传感器。
7.根据权利要求2所述的燃料输送系统，还包括电子控制模块，用于接收来自相关的涡轮发动机的数据，并与所述泵及计量阀通信。
8.根据权利要求7所述的燃料输送系统，其中，所述电子控制模块传输信号给所述泵和计量阀，并接收来自所述泵和计量阀的反馈数据。
9.根据权利要求1所述的燃料输送系统，还包括电子控制模块，用于接收来自相关的涡轮发动机的数据，并与所述泵和计量阀通信。
10.根据权利要求1所述的燃料输送系统，还包括电力超速控制系统。
11.根据权利要求10所述的燃料输送系统，其中，所述泵是可调流量泵。
12.根据权利要求1所述的燃料输送系统，还包括用于监控燃料温度的热控制器。
13.根据权利要求12所述的燃料输送系统，其中，所述热控制器包括介于致动器源和回流管之间的控制阀。
14.根据权利要求13所述的燃料输送系统，还包括热交换器，位于所述泵的下游和所述热控制阀的上游，用于控制相关的致动系统的温度。
15.根据权利要求12所述的燃料输送系统，其中，所述热控制器包括闭合回路，在进入泵入口之前，从泵出口延伸通过热交换器、通过热控制阀、并通过过滤器。
16.根据权利要求1所述的燃料输送系统，还包括电子控制模块，用于接收来自相关的涡轮发动机的数据，并与所述泵和计量阀通信，且其中通过将压力变化乘以燃料的比重、燃料通道开口的面积、和常量，由所述电子控制模块电子计算出燃料质量流。
17.一种用于控制到涡轮发动机的燃料输送的方法，包括以下步骤：
通过泵对燃料加压；
通过计量阀计量所述燃料，以供给相关的燃料喷嘴；以及
通过监控通过所述计量阀的压力变化，并对此响应以调整所述泵，从而控制所述燃料的质量流。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括在所述泵的下游提供用于控制燃料系统温度的热控制阀和热交换器的步骤。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括提供用于使燃料流出所述热交换器的通道，以使流向致动器的一部分燃料再次循环到所述泵。
20.一种改进现有燃料输送系统的方法，包括以下步骤：
在计量阀上游将泵插入所述燃料输送系统；
根据来自所述计量阀的传送的燃料质量流，控制闭合回路中的所述泵的操作。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述燃料温度控制步骤包括在来自所述泵的燃料向致动器系统流动时使所述燃料通过热交换器，并将流出所述热交换器的一部分燃料流返回所述泵。
22.根据权利要求20所述的方法，还包括主动控制燃料温度的改进步骤。
23.根据权利要求20所述的方法，还包括允许所述计量阀的压力差改变的步骤。
24.根据权利要求20所述的方法，其中，所述插入步骤包括提供可调活塞泵。
25.根据权利要求20所述的方法，其中，所述控制步骤响应于跨过所述计量阀的压力变化。
26.根据权利要求20所述的方法，其中，所述泵控制步骤与所述泵的增加响应成比例。
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