CN1740538B - 具有两种流量规律的调节器进给控制 - Google Patents

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Abstract

一种流体力学调节器，其用于通过燃料进给单元(10)控制喷射入涡轮机的燃料流，包括具有由两个臂(24，26)构成的梁的转速平衡装置(20)，该梁在通过燃料进给单元的驱动杆(18)经第一弹性构件(28)施加的至少第一力(F1)的作用下可以绕枢转销(22)移动，该调节器还包括与控制活塞(38)相联的杆(36)，其用于通过第二弹性构件(40)对平衡装置的所述梁施加与所述第一力相反的力(F4)，以使得燃料进给单元在从第一发动机加速规律转变到第二发动机加速规律的过程中进一步打开。

Description

具有两种流量规律的调节器进给控制
技术领域
本发明大体涉及涡轮机中的燃料喷射系统，更具体地涉及带有水力喷嘴/挡板(flap)控制的力-平衡装置型的流体力学调节器。
背景技术
图9示意性地显示了适用于涡轮机中的燃料喷射系统的上述类型的常规流体力学调节器。它围绕燃料进给单元10布置，燃料进给单元的入口管12a连接到高压泵14，出口管12b连接到用于涡轮机的燃烧室16的多个燃料喷射器，必须从高压泵流入喷射器的燃料流由力平衡装置(或转速平衡装置20)控制。
可绕穿过密封隔板的枢转销22移动的平衡装置常规上包括具有两个臂24、26的梁，在稳态情况下该梁在施加到其上的三个力的作用下处于平衡状态(见图10)。第一力F1(图中向下作用)由燃料进给单元的杆18通过压簧型的第一弹性构件28施加到该梁的第一臂24上距离枢转销Lf的固定点上；与第一力相对的第二力F2由喷嘴30施加在距离枢转销Ln的固定点处，该喷嘴向第一杠杆臂(形成档板)喷射加压燃料射流。第三力F3(在图中也是向下的)施加到该梁的第二臂26上距离枢转销Lb的固定点处。后一个的向下的力由风箱32上的压力差βP3-P1产生，其中P3为涡轮机的高压压缩机(未示出)的输出侧上的压力，β为多重因子，其取决于涡轮机的运行速度并由控制装置指定以实现防止涡轮机的低压压缩机失速的“加速推进”规律(law)，P1为该低压压缩机的输入侧上的压力。用于保护风箱32的阀34完成该调节器的结构，其当然也具有用于高压水力进给HP和低压水力进给LP的入口和出口。
如果记下施加到平衡装置20的梁上的力的平衡，就会发现这种调节器作为压力差βP3-P1的函数简单地控制燃料进给单元的开口位置，该位置为压力差βP3-P1的线性函数。具体地，可以看出该位置Xf由下面的公式给出：
Xf＝A(βP3-P1)+B      (1)
A和B都为常数。
因此，对于给定的涡轮机发动机加速规律，其在所示的例子中提供具体特征，该例子由作为βP3-P1的函数的喷射燃料流量的曲线图中的简单的几何等式(例如线性规律50或抛物线规律52)所表达，如图11所示，以及对应于线性进给流量规律54或抛物线进给流量规律56，如图12所示。
但是，这种简单结构的调节器在仅有一个加速规律的情况下才有可能。这是因为如果想要应用两种不同的加速规律，诸如图11所示的那些，很明显代表相应进给流量规律的两条曲线在x轴上重叠(见图12)，这使得不可能为进给单元产生单个开口，并且因此必需使用两个燃料进给单元。在重量和成本方面、可靠性或进给的精确度上，这会导致很多缺点。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种流体力学调节器，其消除上述缺点并因此允许仅使用单个燃料进给单元时存在两种不同的加速规律。本发明的另一目的是确保在两种加速规律间切换且没有燃料过渡进给或进给不足的危险。
这些目的是通过用于控制通过燃料进给单元喷射入涡轮机的燃料流的流体力学调节器来实现的，该调节器包括具有由两个臂构成的梁的转速平衡装置，该梁可以在通过燃料进给单元的驱动杆经第一弹性构件施加的至少第一力的作用下绕枢转销移动，其特征在于，它还包括与控制活塞相联的杆，用于通过第二弹性构件对平衡装置的所述梁施加与所述第一力相反的力，以使燃料进给单元在从第一发动机加速规律转变到第二发动机加速规律期间进一步打开。
因此，采用这种结构，从一个发动机加速规律转变到另一个发动机加速规律渐进地发生且燃料流动不会有任何突变，并且仅使用单个进给单元。
优选地，所述第一力施加到第一杠杆臂上距离所述枢转销Lf的固定点上，所述相反的力施加到所述第一杠杆臂上距离所述枢转销Lc的另一固定点上。
有利地，驱动活塞的所述杆进一步连接到用于在所述第一发动机加速规律和所述第二发动机加速规律之间切换的开/关气动阀，并且在其一侧连接到参考压力P0，在其另一侧通过气嘴S0和S1连接到涡轮机的高压压缩机的输出侧上的压力P3.
对于给定的发动机加速规律，所述压力P0对应于高压压缩机的入口侧上的压力或大气压力。优选地，所述气嘴中的一个是可调节的，以允许调节所述第二加速规律。
本发明还涉及用在前述流体力学调节器中的燃料进给单元以及包括该调节器的涡轮机。因此，该进给单元包括单个进给开口，该开口确保从第一发动机加速规律转到第二发动机加速规律时喷射入涡轮机的燃料流的连续变化。
附图说明
本发明的特征和优点将从下面结合附图以非限制性例子给出的描述中变得更加明显，附图中：
图1是根据本发明处于第一位置中、对应于第一发动机加速规律的流体力学调节器的示意图；
图2是根据本发明处于第二位置中、对应于第二发动机加速规律的流体力学调节器的示意图；
图3显示图1和图2的调节器中力的平衡；
图4和图6为显示涡轮机发动机两种不同运行状态的不同发动机加速规律的两个例子的曲线；
图5和图7分别是显示图4和图6的两种发动机运行状态的进给单元流量的变化规律的两个例子的曲线；
图8显示作为图1和图2的调节器内的计量单元的位置的函数的进给开口的截面积变化；
图9是现有技术的流体力学调节器的示意图；
图10显示图9的调节器内的力的平衡；
图11是显示涡轮机发动机的两种不同运行状态的发动机加速规律的两个例子的曲线；和
图12是显示图11的两种发动机运行状态的进给单元流量规律的两个例子的曲线。
具体实施方式
图1和图2示意性地显示了适于用在涡轮机中的根据本发明的流体力学调节器。这种调节器用于通过改变燃料进给单元的进给嘴的截面积调节喷射入涡轮机的燃料流。该改变的目的是服从与涡轮机加速的燃料需求对应的两种运行规律并允许在这两种规律间切换。第一规律对应于起动状态，第二规律对应于从空转到油门全开的运行状态，这取决于涡轮机的转速和控制杠杆的位置。
图1显示了处于第一位置中的调节器，该第一位置对应于遵循第一加速规律(β＝1)的涡轮机发动机规律的运行状态；图2显示了处于第二位置中的相同的调节器，该第二位置对应于遵循第二加速规律(β＝0.5)的涡轮机发动机规律的运行状态。
和现有技术的结构中一样，也有高压燃料泵14，其从燃料箱(未示出)抽取燃料以将它通过燃料进给单元10送到涡轮机的燃烧室16的喷射器。进给嘴的截面积由进给单元的杆18的位移改变，该杆由力平衡装置20通过压簧28驱动，该力平衡装置20可绕它的枢转销22移动并包括具有两个臂24、26的梁。
如图3所示，该梁受到如下几个力：由进给单元的杆18通过第一弹性构件28施加在第一杠杆臂24上距离枢转销Lf的固定点上的向下的力F1；由喷嘴30施加在距离枢转销Ln的固定点上的向上的力F2，该喷嘴向着该第一杠杆臂喷射加压燃料射流；以及第二臂26上距离枢转销Lb的固定点上的向下的力F3，该力由风箱32上的压力差βP3-P1产生。和以前一样，用于保护风箱32的安全阀34完成了该调节器的结构，其当然也包括用于高压进给和低压进给的入口和出口。
但是，根据本发明，力平衡装置20的梁还受到额外的向上的力F4，该力由与控制活塞38相联的杆36通过压簧型的第二弹性构件40施加到第一杠杆臂24上距离枢转销Lc(其小于所示例子中的距离Lf)的固定点上，该第二弹性构件40的刚度为Kc，且静止状态下的力为Fc0。在汽缸42中滑动了行程Xc的活塞由进给该汽缸的入口42A的控制压力Pc驱动，该汽缸的出口42B连接到高压进给HP。施加该控制压力以及因此导致的相应的力F4到平衡装置20的杠杆的结果是强加了进给单元10的额外的位移(沿打开方向)，其效果是确保了在从第一加速规律转变到第二加速规律期间作为其位置的函数进给单元所喷射的燃料流的连续性，如下面结合图4至8所作说明。
此外，杆36连接到形成两个位置切换的气动开/关阀44。在“闭合”位置(如图1所示)，风箱32的入口与参考压力P0隔离，并因此直接连接到压力P3；在“打开”位置(如图2所示)，风箱32的入口通过由两个嘴，即安装在压力为P0的进给管路中的排气嘴S0和安装在压力为P3的进给管路中的吸入嘴S1形成的气动分压器连接到压力P0和压力P3。由于压力P0优选地与高压压缩机的输入侧上的压力或大气压力对应，并且由于气嘴S0和S1相同，比率β的值可以为1和0.5，分别对应于两种想要的加速规律。只要嘴S0中的流动为声速(当βP3/P0＞1.89时可获得)，则该比率为常数。优选地，为了精确调节第二加速规律，气嘴中的一个(优选地，排气嘴S0)是可调节的(例如通过固定螺钉)。
因此，采用这种特殊的结构，β的值以及切换力F4的值由一个以及同一个流体力学构件控制，因而确保了在从一个加速规律转变到另一个加速规律的过程中的同步。
起初，可以从杠杆的平衡方程确定新的进给单元位置Xf：
F3Lb＝F1Lf-F2Ln-F4Lc
其中：
F3＝Sbellow(βP3-P1)
并且：
F1＝XfKf+Ff0，
Sbellow为风箱32的截面积，Kf和Ff0分别为弹簧28的刚度和静止状态下的力。
因此：
Xf＝[(SbellowLb)/(KfLf)](βP3-P1)+(F2Ln-Ff0Lf)/(KfLf)+(F4Lc)/(KfLf)  (2)
即，与方程(1)相比，没有F4：
Xf＝A(βP3-P1)+B+δXf
其中，δXf＝(F4Lc)/(KfLf)对应于进给单元由于控制力F4的作用产生的额外的位移。
下面将结合图4到图8解释根据本发明的流体力学调节器的运行，图4到图8显示了发动机的两个极端运行点的发动机加速规律的变化，其中第一极端运行点对应于最大高度和最小马赫数，第二极端运行点对应于最小高度和最大马赫数。在这些曲线图中，可以看出进给流量Wf在两种发动机加速规律之间渐进地变化且没有过度进给或进给不足的情况，因此，根据本发明，该调节器允许在使用单个进给单元的情况下发动机加速规律渐进并连续地变化。
图4和图6每个都显示了两条曲线，一条曲线50对应于线性加速规律(再点火与空转之间的过渡运行状态)，另一条曲线52对应于抛物线加速规律(空转与油门全开之间的运行状态)。这两条曲线重叠，并且第一加速规律的最大流量小于第二加速规律的最小流量。图4是图6所示的两种加速规律的重叠区域的放大图。图5和图7每个都显示进给流量变化的规律，换言之，作为进给单元的位置Xf的函数的所喷射燃料的流量Wf的变化。可以看出，在过渡状态下当发动机运行点从第一加速规律上的点A切换到第二加速规律上的点B(图4)时，进给单元的位移在进给单元流量曲线58上连续地从点A′移动到点B′(图5)。同样，当发动机运行点从第一加速规律上的点C切换到第二加速规律上的点D(图6)时，进给单元的位移从点C′连续地移动到点D′(图7)。
进给单元10的单个进给槽(或开口)的截面积在图8(为了更清晰，图没有按比例画出)中示出。它具有由两种前述加速规律所确定的形状并作为Xf的函数线性变化。矩形槽部分60对应于线性加速规律(再点火与空转之间的过渡运行状态)，三角形槽部分62对应于抛物线加速规律(空转与由门全开之间的运行状态)，可以通过优选地与进给单元平行设置的嘴来调节初始流量。
总之，由于通过使用单个进给系统来提供两种流量规律，实现了减重并节省了空间，所以本发明的结构特别有利。此外，仅使用单个独立系统而不使用两个系统增加了可靠性并减少了可能的故障次数。另外，这种单个进给系统允许从一个规律切换到另一个规律，且在转变过程中没有燃料流突变的任何风险，因此不存在发动机过速或燃烧中断的问题。

Claims (7)

1.一种流体力学调节器，其用于通过燃料进给单元(10)控制喷射入涡轮机的燃料流，包括具有由两个臂(24，26)构成的梁的转速平衡装置(20)，该梁在通过燃料进给单元的驱动杆(18)经第一弹性构件(28)施加的至少第一力(F1)的作用下可以绕枢转销(22)移动，其特征在于，该调节器还包括与控制活塞(38)相联的杆(36)，其用于通过第二弹性构件(40)对平衡装置的所述梁施加与所述第一力相反的力(F4)，以使得燃料进给单元在从第一发动机加速规律转变到第二发动机加速规律的过程中进一步打开；驱动活塞的所述杆进一步连接到用于在所述第一发动机加速规律与所述第二发动机加速规律之间切换的开/关气动阀(44)，并且在其一侧连接到参考压力(P0)，在其另一侧通过排气嘴(S0)和吸入嘴(S1)连接到涡轮机的高压压缩机的输出侧上的压力(P3)。
2.根据权利要求1所述的流体力学调节器，其特征在于，所述第一力施加在第一杠杆臂(24)上离所述枢转销第一距离(Lf)的固定点处，并且所述相反的力施加在第一杠杆臂(24)上离所述枢转销第二距离(Lc)的另一固定点处。
3.根据权利要求1所述的流体力学调节器，其特征在于，所述参考压力(P0)对应于高压压缩机的入口侧上的压力或大气压力。
4.根据权利要求1所述的流体力学调节器，其特征在于，所述气嘴中的一个是可调节的，以允许调节所述第二加速规律。
5.一种燃料进给单元，其用于根据权利要求1到4中任一项所述的流体力学调节器。
6.根据权利要求5所述的燃料进给单元，其特征在于，该燃料进给单元包括单个进给开口，其确保从第一发动机加速规律转变到第二发动机加速规律时喷射入涡轮机的燃料流的连续变化。
7.一种涡轮机，其包括根据权利要求1到4中任一项所述的流体力学调节器。
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