CN101128662B - 飞机发动机燃料供给 - Google Patents

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Abstract

一种通过由与发动机(14)的机械连接驱动的离心泵(100)，具有从飞机的燃料回路(11)接收燃料的低压入口和连接至调节器回路(120)用于调节供给发动机的燃料流速的高压出口和电控制的辅助泵单元(110)，所述辅助泵单元(110)具有连接至飞机燃料回路的入口和连接至流速调节器回路的出口，以使经由其出口传送处于预定最小压力的燃料，被供给调节器回路的燃料的压力是通过离心泵(100)和辅助泵单元(110)所传送的压力中的高者。

Description

飞机发动机燃料供给
技术领域
本发明涉及一种用于对飞机发动机供给燃料的设备，具体但不专用于燃气轮机飞机发动机。
背景技术
对于这种供给设备的一般惯例是包括经由辅助齿轮箱由发动机驱动的正排量齿轮泵，所述辅助齿轮箱被连接至发动机轴。正排量泵接经由增压泵收来自于飞机燃料回路的燃料。将电动液压计量阀安装在供给管中，所述供给管将正排量泵的出口连接至发动机的燃烧室。将具有可控可变气阻旁通阀的燃料回流回路连接在正排量泵的出口和入口之间。该旁通阀被液动控制以将贯穿计量阀的压头损失(head loss)保持恒定或几乎恒定，从而使燃料能够以相应于计量阀的位置所要求的速度被传送。响应于检测到的由于计量阀或其控制的机构的故障而导致可能出现的过速或过推，可以将发动机过速(over-speed)或过推(over-thrust)阀门串联或于计量阀并联安装在供给管以使燃料流速降低。通常，将截流阀与计量阀和过速阀串联设置，以通过从座舱直接控制中断其燃料供给来关闭发动机。具体可以参考文献EP 1 355 054和US 2004/0117102来实现。
还提出了建议方案：通过能够使燃料以是泵转速的函数的压力被传送的离心泵来向汽轮发动机供给燃料。文献EP 1 344 917中，使用了由在电力控制电路的控制下的电动机驱动的离心泵，从而设定泵速，进而泵出口处的燃料压力。该文献还描述了与离心泵并行工作的电力驱动正排量齿轮泵，以提供点火功能且确保可以一直被释放的燃料的最小流速，离心泵和正排量泵自身由低压增压泵来供给。
美国专利号3 946 551描述了一种具有电力控制叶轮泵的燃料供给设备，所述电力控制叶轮泵与由发动机驱动的离心泵串联安装。在启动发动机(启动辅助设备)，进而计量燃料的同时，所述电力控制叶轮泵用于升高燃料压力到所需要的数值。这种配置具有几种缺陷。由于电力控制叶轮泵因计量目的而连续工作，因此它具有能够接受燃料的最大流速的大容量。因而，它需要据此标注尺寸。此外，使用大容量泵，低旋转速度时的计量准确度是小的，即使在启动时同样需要精确流速调整。此外，在叶轮泵停止的情形中，不再对燃料进行计量。
文献“日本专利摘要”Vol.200，号.02，2000年2月29日(JP 11 303 652)公开了一种用于向燃气轮机供给燃料的回路，该回路具有并联连接的两个泵：主泵，由燃气轮机驱动；辅助泵，由电力电动机驱动。使用辅助泵用于冷启动，而主泵被用于热启动。没有说明关于主泵及两泵间的任何可能的操作转换。
文献EP 0 657 651显示离心泵和启动辅助泵的关系，与离心泵一样在同一轴杆上机械驱动启动辅助泵。将辅助泵放置在回路外使它必须被排空，从而避免剩下任何滞留的燃料，所述燃料在以高速旋转的装备中将被变热。该辅助泵的机械驱动及排空需要使得实现该泵单元变得复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于将燃料供给航空发动机的供给设备，与现有技术相比，该设备在重量和功耗方面呈现出最佳优化。
通过供给回路来实现这种目的，所述供给回路包括：
-调节器回路，用于调节燃料流速，所述回路包括燃料流速测量设备、可控可变约束阀门和连接至所述流速测量设备和所述阀门的控制系统，所述控制系统控制阀门作为供给所述发动机的燃料的流速的设定值的函数；
-离心泵，通过与发动机的机械连接被驱动，具有从飞机燃料回路接收燃料的低压入口和连接至燃料流速调节回路的高压出口；和
-电控制辅助泵单元，具有连接至飞机的燃料回路的入口和连接至所述流速调节器回路的出口，在其出口以预定最小压力传送燃料，
当传送给流速调节器回路的燃料的压力或发动机速度超过第一预定压力或速度阈值时，用于停止所述辅助泵单元的控制电路；
当传送给流速调节器回路的燃料的压力或发动机速度变得低于第二预定压力或速度时，用于控制所述辅助泵单元重新启动的电路；
供给调节回路的燃料的压力是通过离心泵和通过辅助泵单元并行传送的压力中的大者。
使用由机械连接驱动的而不是电动机驱动的离心泵使能够最佳利用由发动机供给的机械能，避免了任何中间转变成电力，这不可避免地是功效损失和增加重量的渊源。
辅助泵单元用于帮助离心泵，同时来自发动机的其驱动是不存在的或不令人满意地以最小压力向燃料流速调节器回路供给燃料。
在供给设备的第一实施例中，所述辅助泵单元包括正排量泵和压力释放阀门，所述压力释放阀门具有连接至所述正排量泵的出口的第一入口、连接至飞机的燃料回路的第二入口和连接至正排量泵入口的出口，所述压力释放阀门在其第一入口和其第二入口之间压力差超过预定阈值时使其第一入口与其出口连通。
然后优选地，将所述正排量泵的入口连接至离心泵的高压出口。
在供给设备的第二实施例中，所述辅助泵单元包括第二离心泵和电控制单元，其以能够使其传递所述预定最小压力的速度驱动第二离心泵。
在供给设备的第三实施例中，所述辅助泵单元包括取代和替换第一实施例中正排量泵的再生泵。
选择的辅助泵类型依赖于飞机类型。从而，第三实施例更具体地是用于具有定位在油箱上的燃气轮机的飞机(例如直升飞机、飞船等)。
因为燃料流速调节设备包括用于测量燃料流速的设备和可控可变约束阀门，以及连接至所述流速测量设备和所述阀门的控制系统，其控制所述阀门作为燃料流速设定值的函数，所述流速调节器不需要具有在出口和主供给泵出口之间的旁通阀的燃料返回回路。
所述流速测量设备是质量流量计、容积式流量计或混合设备，基于已知的压力降和穿过设备的流动部分测量流速。
比使用容积式流量计时，使用质量流量计可以实现对燃料流速的更精确调整。发动机的要求通常用燃料重量来表示。如果流速测量为容积式的，则必须将质量转换为体积，但是实施调节所需的精确度因相关燃料密度的不确定性而受到影响，这是由于这种密度随外部条件和板上燃料的变化而变化。
依据供给回路的另一特征，所述阀门是电控制下的直接控制阀门。
所述控制系统可包括直接连接至流速测量设备和阀门的本地伺服控制环路。在这里所使用的术语“本地环路”指代在电子模块壳体外的电子伺服控制电路，所述电子模块构成完全授权的数字发动机控制系统。
有利地，所述燃料流速调节设备包括：
-用于测量燃料供给管道中燃料流速的设备；
-第一可控可变约束阀门，其被安装在供给管道中；
-控制系统，其连接至流速测量设备和第一阀门，控制它来以理想流速向发动机供给燃料；和
-第二可控可变约束阀门，其与第一阀门串联被安装在供给管道中；
-第二阀门的控制机构，响应检测发动机的过速或过推，能够使发动机以可调整的、降低的流速向发动机供给燃料。
所述第一和第二阀门是电控制的直接控制阀门。
附图说明
基于阅读所给出的非限制性指示的下面的说明书及参考附图，可以更好地理解本发明，附图中：
图1是依据本发明的燃料供给设备的实施例的示意图；
图2是由离心泵和在启动发动机时提供协助的辅助泵所传递的压力随时间的变化的示意图；
图3是显示图中的燃料供给设备的辅助泵单元的变型实施例的局部示意图；和
图4和图5是显示用于调整图1中燃料供给设备中的燃料流速的回路的变型实施例的局部示意图。
具体实施方式
图1中的燃料供给回路接收来自飞机燃料回路11的燃料，进而将燃料流传递给用于将燃料喷射进发动机14中的燃气轮机的燃烧室的系统12，所述发动机14被装配至所述飞机，应当理解的是所述供给设备可以被用于不同于燃气轮机飞机发动机的航空发动机，例如直升飞机发动机。
回路10包括离心泵100，所述泵100构成该回路的主泵。所述泵100具有连接至燃料回路11的入口100a和以为泵转速的函数的压力传送燃料的高压出口100b。所述泵通过与发动机14的辅助驱动模块16的机械连接来驱动，并且被连接至它的涡轮。
辅助泵单元110包括具有被连接至离心泵100出口的入口112a的正排量泵112、用于在电力控制电路115的控制下驱动泵112的电力电动机114和压力释放阀门116。
作为例子，泵12是齿轮泵。可以将过滤器118安装在泵100的出口100b和泵112的入口112a之间，以保护它不受可能由来自回路11的燃料运输的固体颗粒的影响。离心泵100的操作不受这种颗粒的影响。
将电力控制电路115连接至发动机14的完全授权的数字发动机控制(FullAuthority Digital Engine Control，FADEC)系统15，以控制泵112的操作。控制回路115还可以被集成在控制系统15中。
压力释放阀116具有第一入口116a，其连接至泵112的出口112b，第二入口116b，其连接至飞机燃料回路且对阀门116提供基准压力，和出口116c，其连接至泵112的入口112a。在入口116a和116b之间的压力差值超过预定阈值时，调整压力释放阀门来打开和将第一入口116a与出口116b连通。为制成阀门116，可以使用滑动器117，其一端通过卸压口116d受到泵112的出口压力，另一端受到第二入口116b的压力以及弹簧所施加的外力。
离心泵100的出口100b经由止回阀102被连接至回路120的入口，用于调整输送至燃料喷射器系统12的燃料的流速，同时泵112的出口112b被连接至调节器回路120的入口。
操作如下：
设置压力释放阀门116在处于对应于预定最小压力Pm的压力时打开，所述预定最小压力Pm是启动发动机14所需要的最小燃料。
启动正排量泵112，并且以一种速度被驱动，所述速度适于以超过由调节器系统120设定的发动机14初始需要的速度来传送燃料，以使泵112出口112b的压力几乎瞬间达到最小压力Pm(参见图2中曲线A)，从而导致压力释放阀门116打开。离心泵的出口100b处压力在发动机14启动时开始增加(图2中曲线B)，但在开始时没有满足燃料压力要求。然后，设定泵112的出口112b处的压力为压力值Pm。然后，通过泵112供给且没有传送给喷射器回路12的燃料经由阀门116流入在泵112的出口和入口之间的闭合回路。止回阀102阻止由泵112传送的燃料回流到离心泵100。
从而，泵单元110在启动时提供辅助功能，所以阀门116能够使正排量泵112转换为以一定压力传送燃料的泵，以与离心泵相同的方式。然而与使用离心泵所发生的情况不一样，正排量泵112的操作不受初始从回路11中带来的燃料中存在的空气和水蒸气影响。
泵100出口处的压力随增加的发动机速度而增加，从而在所述压力超过数值Pm时，止回阀102打开(图2中的转变点T)。然后，供给流速调节器回路100的压力通过离心泵100来供给。
图2中，曲线A及B中的粗体部分表示如传送至调节器回路120的燃料的压力。包括泵100、泵单元110和止回阀102的组件象泵系统一样运转，能够获得泵112和100之间的主要输运，被供给调节器回路燃料的压力大于并行于从泵112及100出口传送的压力。
一旦泵100取代了泵112，则可以停止泵112。通过响应超过泵100出口处的压力阈值P1或者响应超过发动机14的速度阈值V1来控制停止。这可以通过自动控制系统15来控制，其作用于电力控制电路115以响应由燃料压力传感器和感应发动机14的涡轮速度的传感器所提供的信息。可以选择阈值P1和V1，这是大于Pm的数值。
应当注意到，不仅仅在启动时可以使用泵单元110，而且在发动机操作的其它阶段也可以使用，例如在离心泵100变得不能够以最小压力Pm传送燃料的境况下当空转时和慢速运转时。然后，如果燃料压力被检测到降落到低于压力阈值P′1或者如果发动机14的速度被检测到降落到低于速度阈值V′1，也有能力重新启动由控制电路115控制的电动机114，其中选择阈值P′1和V′1小于P1和V1。
因此，泵单元110不仅仅在启动时与辅助单元一样起作用，而且在低发动机速度时也与辅助单元一样，以确保在任何境况下供给燃料的最小压力都是足够的压力。
在图1中所示实施例中，泵112经由离心泵被连接至燃料回路11，所述离心泵相对于启动泵112来说是“透明的”。这种连接能够使泵112一旦它开始被驱动，则就从由泵100引起的压力增加中受益。
自然可以实现的是：将泵112的入口112a经由过滤器连接至燃料回路11，而不通过离心泵100。
在另一变型实施例中，可以由再生泵取代正排量泵112，具体用于具有位于油箱上方的燃气轮机的飞机，如在直升飞机、飞船等……。
在图3中所示的另一实施例中，辅助泵单元110包括离心泵212，所述离心泵212，其入口被连接至燃料回路11且由通过电力控制回路215控制的电动机214驱动，所述电力控制回路215被连接至发动机14的自动控制系统15。止回阀202被安装在泵212的出口处。只要所述压力不能由离心泵100供给，离心泵212就能够以使其传送最小压力Pm的速度被驱动。以图1中实施例的泵112一样的方式，能够中断和重新启动离心泵212的运转，这取决于需求。由于辅助泵属于简单的结构，该实施例不同于图1中的实施例，只有当燃料回路11能够不受空气或水蒸气影响而传送燃料时，甚至在启动时也一样，该实施例可以设想。
用于调节管道中燃料流速的回路120包括质量流量计122和安装在管道126中的直接控制燃料阀124，将泵100和辅助泵单元110连接至燃料喷射器设备12。流量计122优选被安装在阀门124上游。在用于润滑发动机组件的油和燃料之间的热交换回路128，以及颗粒过滤器130可以被插入在管道中、在流量计120的上游，其中这种热交换器回路和过滤器自身是众所周知的。
作为例子，阀门124是电力控制阀门。该阀门的打开通过电激励器125来确定，例如电动机或激励器。该激励器125从发动机14的电流回路中接收电流，例如从集成在发动机的自动控制系统15中的电源或从发动机14的电力电源线。用于备用目的，可以提供并行运转的两个类似激励器125、125′。
从发动机的电路提供动力的本地伺服控制环路132接收通过质量流量计122供给的表示管道126中的燃料真实质量流速的信号，和通过自动控制系统15供给的且表示被供给发动机14的燃料的质量流速的理想设定点值的信号。控制激励器125作为在真实质量流速和设定点质量流速之间检测到的差值的函数，以将流速设定在理想的设定点值。
自然地，集成在发动机14的自动控制系统15中的电子模块能够提供调节。然而，电子模块壳体外部的本地环路132的使用的作用是避免在模块和流量计122之间具有链路。
用于发动机14的过速或过推保护阀134被安装在阀门124下游的管道126中。有利的是，以类似于阀门124和激励器125的方式，能够使用带有电机械激励器135的直接控制阀门。出于安全考虑，从发动机14的自动控制系统15经由模块控制激励器135，所述模块不同于利用阀门124来专用执行调节的模块。出于备用目的，可以提供并行操作的两种类似的激励器135、135′。
以正常发动机速度，遵照设定点，阀门134处于最大打开位置，以及流速由阀门124控制。
自动控制系统15接收表示发动机速度的信息，例如表示高压涡轮的旋转速度的信息。在检测到过速(或过推)状态时，也就是速度以多于预定差值的量而超过速度设定值，以及在通过作用在阀门124上不能被校正时，控制阀门124，以降低管道126内燃料的流速。
可以对自动控制系统15编程以使阀门134进入安全的预定局部闭合位置，使燃料能够以低速被供给。因而，使用用于阀门134的直接控制阀门的有利之处在于：能够确保通过改变燃料流速使发动机是持续可控制的，至少在减少的范围上。通过自动控制系统15可以执行这种改变，作为理想的发动机速度的函数。因此，针对检测过速，阀门134取代阀门124，以及继续允许流速改变，至少在一定范围上。
与现有技术系统相比较，在现有技术系统中过速阀门的运转具有两种运转状况：(i)完全打开和(ii)关闭或以预定减少的量打开，在过速或过推被已经检测到之后调节流速的可能性使来自发动机的推力能够被保持且可能避免在某种情形下施加的减少流速可能是发动机无法接受的情况。
开/关型封闭阀136被安装在管道126中，例如阀门134下游。利用电机械激励器137可以控制阀门136。以已知方式，从飞机座舱，根据来自发动机的自动控制系统15的命令或者根据先前基础，可以激励封闭阀136，通过中断其燃料供给来关闭发动机15。
同样以已知方式，可以将累计质量的流量计138安装在管道126中，在阀门136的下游，以提供在燃料重量方面发动机总消耗的信息。
用重量来表示发动机的燃料需求。从而，使用质量流量计122，使在误差幅度限制范围内，基于质量流速的设定点数值，来精确地调节燃料供给成为可能。质量流量计可以是文献US 2004/0123674和US 2004/0129088中所描述的种类。
如图4中所示，然而，可以用容积式流量计222取代质量流量计。使用流量计222计量的实际容积流速的信息被传递给发动机14的自动控制系统15。将该系统15设计成：从燃料密度的估计值按照设定值容积流速转换发动机的要求。然后，通过系统15控制直接控制阀门124，以基于理想设定值伺服控制管道126中的容积流速。
在另一实施例中，如图5中所示，可能的是，使用设备322能够实现基于已知的穿过设备322的压力降ΔP、燃料穿过设备322的流动部分和燃料密度来对流速进行测量。利用测量阀门的位置的传感器(未显示)来确定流速，穿过该阀门的压头损失通过弹簧来设定。
应当观察到的，设备322本身是已知的。参考文献EP 1 344 917。设备322具有与已知系统中所使用的液压计量阀门类似的结构，用于给飞机发动机供给燃料，例如文献EP 1 355 054中的那种。
在上面描述中，描述了电力控制的阀门124、134和136的使用。在变型中，可以使用液压控制的阀门。

Claims (12)

1.一种为飞机发动机供给燃料的供给设备，该设备包括：
-调节器回路，用于调节燃料流速，所述回路包括燃料流速测量设备、可控可变约束阀门和连接至所述流速测量设备和所述阀门的控制系统，所述控制系统控制阀门作为将被供给所述发动机的燃料的流速的设定值的函数；
-离心泵，通过与发动机的机械连接而被驱动，具有从飞机燃料回路接收燃料的低压入口和连接至燃料流速调节回路的高压出口；
-电控制辅助泵单元，具有连接至飞机的燃料回路的入口和连接至所述流速调节器回路的出口，在其出口以预定最小压力传送燃料，和
当传送给流速调节器回路的燃料的压力或发动机速度超过第一预定压力或速度阈值时，用于停止所述辅助泵单元的控制电路；
当传送给流速调节器回路的燃料的压力或发动机速度变得低于第二预定压力或速度时，用于控制所述辅助泵单元重新启动的电路；
被提供给调节回路的燃料的压力是通过所述离心泵和所述辅助泵单元并行传送的压力中的最大者。
2.依据权利要求1所述的设备，其中所述辅助泵单元包括正排量泵和压力释放阀门，所述压力释放阀门具有连接至所述正排量泵的出口的第一入口、连接至飞机的燃料回路的第二入口和连接至正排量泵入口的出口，所述压力释放阀门在其第一入口和其第二入口之间压力差超过预定阈值时使其第一入口与其出口连通。
3.依据权利要求2所述的设备，其中所述正排量泵的入口连接至所述离心泵的高压出口。
4.依据权利要求2所述的设备，其中所述正排量泵由再生泵所取代。
5.依据权利要求1所述的设备，其中所述辅助泵单元包括第二离心泵和电控制单元，该电控制单元以能够使第二离心泵传递预定最小压力的速度驱动第二离心泵。
6.依据权利要求1所述的设备，其中所述流速测量设备是质量流量计，以及所述控制系统控制所述阀门作为用于燃料质量流量计的设定值的函数。
7.依据权利要求1所述的设备，其中所述阀门是由电控制的直接控制阀门。
8.依据权利要求1所述的设备，其中所述控制系统包括直接连接至所述流速测量设备和所述阀门的本地伺服控制环路。
9.依据权利要求1所述的设备，其中所述流速测量设备是容积式流量计。
10.依据权利要求1所述的设备，其中所述流速测量设备是能够基于已知压降和穿过设备的流动部分来测量流速的设备。
11.依据权利要求1所述的设备，其中所述燃料流速调节回路包括：
-用于测量燃料供给管道中燃料流速的设备；
-第一可控可变约束阀门，其被安装在所述供给管道中；
-控制系统，其连接至所述流速测量设备和所述第一阀门，以控制它以理想流速向发动机供给燃料；和
-第二可控可变约束阀门，其与所述第一阀门串联被安装在所述供给管道中；
-第二阀门的控制机构，响应检测发动机的过速或过推，能够使发动机以可调整的、降低的流速被供给燃料。
12.依据权利要求11所述的设备，其中所述第一和第二阀门是电控制的直接控制阀门。
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