CN1017276B - 液体多通道转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将液压压力由一个共同部位分配至几个液压马达上的***。在该共同部位上，一个用作液压源的液压管以一定顺序通过一组接受器的各个管子并与它们相耦合。在液压源管子中的压力是可进行控制的，从而使与液压源管子相耦合的各个接受器管子的压力都合适。这些接受器管子与各液压马达相连接。位于靠近液压源管子的一个单一的控制装置就能将来自液压源管子的压力和流量进行定时地多通道转换并输送到各液压马达上。

Description

本发明涉及一种对来自一个公共源的几个液体管路的每一管路可以供给不同的流体压力和流量的装置，此外该装置还能够在任何选定的管路内迅速地改变其压力和流量。

图1是显示一个燃气涡轮发动机3。几个不同的液压执行元件，如活塞6a至6d所示，都是用以操纵发动机内的各部件的。例如执行元件6a是打开和关闭一个用于排放来自增压器14压缩空气11的排气门9。增压器14是一种低压压气机，为了使该增压器在部位16处的空气输出与高压压气机18的输入需要相匹配有时需要进行放气。排气门9通常称为可变旁路阀（VBV）。

一个第二执行元件6b是操纵各可变定子叶片（VSV）的，该可变定子叶片在图2A中进行了更详细地表示。通过沿着图形箭头21所指示的方向进行转动来改变定子叶片的角度能够使该定子叶片控制进入压气机叶片27的空气流24的方向，由此来控制压气机叶片27的攻角。可变定子叶片是用以改进压气机在加速度条件下的性能的。

在图1中的一个第三执行元件6c控制着一个向着涡轮外环36上吹热（或冷）空气33的阀30，以便将该涡轮外环36进行膨胀（或收缩）由此来控制涡轮叶片41与该外环36之间的间隙39。通常空气是由高压压气机18进行排放的，如图中所示。为了减少通过间隙39的泄漏，最好是将该间隙保持越小越好。泄漏表示一种损失，因为泄漏的空气实际上对涡轮叶片41不提供动量，而在泄漏的空气中的能量被浪费掉了。

在图1中的一个第四执行元件6d控制着一个燃油阀43，该燃油阀用以控制送入燃烧室44的燃油量。

对四种类型的执行元件已描述，而其它类型的执行元件也都是用于航空燃气涡轮发动机的。例如，属于反推力***的执行元件，可变面积的尾喷口内的执行元件以及用于垂直起落（VTOL）飞机的推力转向***的执行元件。此外，可以预见，随着燃气涡轮技术的发展，更大量的液压执行元件将投入使用。

对于执行元件6a至6d的每一种都需要一个控制器，通常该控制器是采用伺服阀的形式。该伺服阀控制着施加于该执行元件的液体的流量和速度，以便控制执行元件的位置，由此控制，例如，在图1所示的通过燃油阀43发送的燃油量。对刚刚描述的每个执行元件进行单个控制会造成增加成本，重量和机械的复杂性。

本发明的目的是利用一个单一的分配器或者多通道转换器对几个液压执行元件提供一种压力的分配***。

在本发明的一种结构形式中，将一个选定的液体压力施加于一个腔体中。然后将该腔体连接到用来导入几个液压执行元件中相对应的几个液压管路中的一个管路上。紧跟着这一步骤将该连通切断，对管路进行密封，并以一个不同的压力作用于该腔体内，然后再将该腔体连接到第二个管路上，以此类推。其循环过程进行得非常迅速，从而使每个管路连通到腔体的次数达每秒十次或更多。

图1是显示一个燃气涡轮发动机，连同用于驱动发动机各部件的液压活塞;

图2是显示本发明的一种结构形式;

图2A是显示在一种燃气涡轮发动机中的可变定子叶片（VSV）;

图4是显示用于本发明的液压活塞的一种结构形式;

图3和图5是显示本发明的另外两种结构形式;

图6是显示沿着图5中的6-6线切取的一个视图;

图7是显示图5中的阀芯110的一个立体示图;

图8是显示导管和出口的替换型截面形状;

图9和图10分别显示导管和出口的替换型构形，该构形能够使各导管与出口之间的连通时间增加。

图11A至图11C是显示各导管和出口的公共截面2D1的变化的一个顺序;

图12A和图12B是显示一个柱塞阀;

图13是显示一种改进的柱塞阀;

图14和图15是显示图5所示实施方案的工作过程;

图16是显示图15中所示缸体112的一种构形;

图17和图18分别显示对于圆形出口和矩形出口的在图11A至图11C内的公共截面201的变化情况。

图2是显示本发明的一种结构形式，并可以看作由虚线50分离开的两个组成部分。上部部分53包括一个用于对位于下部部分的腔体56内的压力进行控制的控制器。一种这样的控制器可以在位于纽约市的东朝霞区的模格公司（Moog    Corporation    Locatedin    East    Aurora，New    York）买到，这种控制器通常称为伺服阀，其特征是该阀具有迅速改变腔体56内的压力（例如以每秒改变200次）的能力。

为了控制施加于腔体56内的压力，伺服阀58控制着用以推动活塞60沿着箭头63所指的方向向左和向右运动的压力P₁和P₂，以便将供给孔口Ps和返回孔口P_r盖住和打开。作用于腔体56的压力决定于孔口Ps打开的程度。（活塞60不会移动到这样的程度，即使Ps和P_r与P₁或P₂的任何一个相混和：P₁和P₂的液压回路是与Ps和P_r分离开的）对于一个液压***，典型的供给压力是在2000磅/英寸²范围内。对于气动***，一个典型的供给压力是500磅/英寸²。Pr连接至一个接近环境压力的流体存储器内。

从一个方面来看，压力控制器53是一个高速的电气控制的减压阀，该减压阀响应来自一个控制计算机70由管路66上提供的信号对腔体56作用一个选定的压力值。如通过位置传感器76检测出来的即在管路73上一个代表活塞位置的反馈信号，显示向计算机70所施加的实际压力。

现将对图2中该装置的第二部分，即多通道转换器79进行描述。一个圆柱体81，在图4中也显示出来，安装在一个圆筒形壳体84内，并沿着箭头87所示方向转动。一个孔90设置在圆柱体81内，并带有三个分支，即93a-93c。该孔90与腔体56是恒定连通的。当转动过程中，各分支按顺序地与输出管路A，B和C相连通，在该图中其顺序先是C，然后B然后A。在每个连通形成以后，各自的分支通过该输出管路，而该圆柱体，以其在图4中所示的外表面上以虚线部分97表示的区域将各自的输出管路密封住，由此保持住施加在该输出管路内的压力。这种密封状态的产生是由于圆柱体81在壳体84内的密封配合造成的：间隙100是小于千分之一英寸（即，0.001英寸）的，而且最好是其间隙值为0.2至0.8的千分之一英寸（即0.0002至0.0008英寸）。

一个带齿的轮子101，连同一个位置传感器103一起，二者都是已知技术，向计算机70指示出圆柱体81的转动位置。

图2中所示的装置的工作过程的典型顺序如下。假设将一个1000磅/英寸²的压力作用于输出管路B，然后以500磅/英寸²的压力作用于输出管路A。首先，计算机70促使活塞60将孔口Ps和Pr打开，以便在腔体56内建立一个1000磅/英寸²的压力。这时，图4中圆柱体81的虚线部分97将输出管路A，B和C全部都密封住。然后，位置传感器103将在管路106上的一个信号提供给计算机70，用以表示什么时间分支93b将腔体56与输出管路B连通起来。在连通终止以后，如由位置传感器103所指示的，然后计算机 70就促使活塞60对腔体56作用一个500磅/英寸²的压力，然后第二分支93a就与输出管路A相连通，并对输出管路A作用一个500磅/英寸²的压力。再后，传感器103通知计算机70什么时间连通至管路A已经终止，从而使一个新的压力值可以作用于腔体56。

本发明人已经发现压力控制器能够改变腔体56内的压力的速度从而限制着该装置的工作速度。在一次试验中，曾发现压力变化的最大速度可以达到每秒钟变化60次。有可能要求比已经达到的压力变化速度更快一些，在那种情况下，可以采用图5所示的实施方案，该方案也在图14和图15中表示出来。

在图5中，一个阀芯或圆柱体110是容纳在缸体112内。在图7内即示出阀芯110的一个立体视图。该阀芯110带有一个环形沟槽115和一个也是Y形的导管118。该Y形导管的主管部分120与环形沟槽115相连通，而Y形导管的两个支管部分连接到阀芯110的表面125上。该环形沟槽能够使Y形导管的主管部分120与Ps保持恒定的流体连通，而与该阀芯沿着图5中的箭头128所指示的转动方向情况无关。该阀芯110的转动是通过一个电动机（未显示）驱动的，该电动机驱动一个齿轮130，该齿轮130又驱动一个第二齿轮133，齿轮133通过轴136连接至阀芯110上。一个与图4中的传感器103相似的传感器139，用以对齿轮133上的齿所经过的路径作出反应，这样来提供阀芯110转动位置的一种信号。

以箭头141所表示阀芯110的轴向运动控制着作用于两个输出导管的压力P_头和P_杆。该轴向运动是通过一个射流管143引发的，该射流管将一股流体射流146或者导入接收器148或者导入接收器150内，这要决定于通过一个电磁线圈158导致射流管143按照箭头155所指的转动位置。在管路148和150之间分配的相对流体压力决定着作用于活塞165的端面160和它对面端面163上的相对力的大小，由此来决定由活赛165所达到的轴向位置。一个位置传感器168对活塞165的轴向位置进行检测，并以此提供显示在管路170上的一个信号。上面所描述的射流管，力矩马达，伺服阀，和活塞都属于现有技术方面。现在将对阀芯110的轴向位置对输出管路内的压力P_杆和P_头的影响进行描述。

利用在图14中所示的阀芯110的位置，阀芯110的阀面173和175堵住输出管路P_杆和P_头。阀面173和175实际上都是图7中所示的表面125。输出管路P_杆是连到一个执行元件上，在此情况下为6a的活塞183的活塞杆腔体180内的，而输出管路P_头是连接至头部腔体185内的。当阀芯110向右运动时，如在图15中的箭头184所示，则Y形导管118的分支118a就在一定程度上与管路P_头相连通。因此，具有一定压力的流体就沿着箭头188所指的方向流入头部腔体185内，并驱动活塞183向左运动。活塞183的向左运动排出了容纳在活塞杆腔体180内的液体，该液体通过活塞杆导管P_杆返回，并由缸体112通过标注有P_a1的返回管路沿着箭头190所指的方向***空。

同样地，阀芯110向左边运动将促使Y形导管118的另一个分支118b将供给压力Ps作用于管路P_杆，由此使活塞杆腔体180充压，并由此来驱动活塞183向右运动。该液体将通过管路P_头返回，并通过返回导管P_a2泄漏掉。阀芯110在沿着图5中箭头128所指的方向转动导致Y形导管118由图16中所示的实***置193向着虚线位置195偏转，这样则将供给压力Ps连接到另一对输出导管上，即导管P_杆2和P_头2上，以便驱动另一个活塞（未显示）。在图5，14，15和16所示的实施方案中，阀芯110是在一个恒定的速度下，沿着在图14中的箭头128所指的方向进行转动。位置传感器139对着控制计算机（未显示）指示阀芯110的转动位置，由此来指示在图16中的那一对导管（例如P_杆2和P_头2）与Y形导管118是正在连通。与此同时，由图5中所示的射流管143所引发的轴向位移不仅控制着供给压力Ps是连接到图14中的头部腔体185还是连接到活塞183的活塞杆腔体180，而且还控制着所施加的压力大小。在图15中的支管118a与头部导管P_头之间的对正程度决定着施加到活塞183的端面183a上的总的力大小。为了使图1中的各执行元件6A至6D对每个活塞施加所需的力，计算机将根据阀芯110的转动位置就能确定阀芯的轴向位置。

如同图4中一样，在图7中的阀芯110的表面125除了当Y形导管的支管118a和118b连接到导管P_头和P_杆时，该表面125就堵住图15中所 示的头部导管P_头和活塞杆导管P_杆。

到此为止所描述的本发明已经设想在图5中的Y形通道118的两支管，在图4中的导管93a～93c，和输出导管P_头和P_杆都是圆形截面的。但在某些情况下，这种圆形截面可能有些缺点。例如，在图11A至图11C的顺序中，当支管118b逐渐与导管P_头对正时，则两个圆形截面相交部分的公共面积，如将该面积画成如图17所示的时间的函数曲线时，则总是呈现如图17所示的那样。曲线203是一个正弦曲线。

如果各相对应的导管是由方形截面制成，如图8所示，则公共截面与时间的关系曲线将会变成如图18所示的形状。在图18中，到达一个给定的相交面积A₁的时间长度T₁与图17中所示的相对应的时间T₂相比是减小了。再重申一次，尽快地得到一个较大的相交面积是比较理想的，因为一个小的相交部分就要限制通过该相交部分流过的液体流量，从而也就限制了能够传送到图14中所示的活塞183的能量大小。

实现快速提高频率的各种替换型方案如图9和图10所示。在图9中，图8的筒体84带有一个弧形槽207，该弧形槽207加长了用于将图8中的分支93a与图9中的输出导管A相连通起来的角向距离（由距离210至距离212）。这种加长增加了分支93a与导管A相连通的时间。图10显示一个设置在圆柱体81内的槽207a，该槽207a的作用与图9中的槽207相似。

图14，图15和图16的实施方案可以通过将图16中所示的各对导管（即P_杆和P_头，P_杆2和P_头2，以及P_杆3和P_头3）连接到图1所示的活塞6a至6c上，而该活塞6a至6c则分别用以控制可变旁路阀，可变定子叶片和间隙控制阀，以便应用于燃气涡轮发动机方面。通过将另一对输出导管增加到图16中，就可以对控制燃油阀43的活塞6d进行控制。这样，一种单一的控制装置即图5，图14和图15所示的装置就由一个单一的部位上控制着四个液压活塞用以代替设置在每个活塞部位上的与每个活塞相配合工作的单个控制装置。

本发明的几个重要方面如下：

1.为便于解释，本发明已经依据各活塞的工作过程的控制进行了描述，例如对图14中的活塞6a的描述。但是，应当可以理解，任何液压操纵的执行元件，包括转动的液压执行元件都可以通过本发明进行控制。这些执行元件（包括活塞和转动液压执行元件）通常可以称为液压马达。

2.在图15中的分支118a与输出管路P_头之间的连接方面不断地连通和断开就会对管路P_头作用一系列的压力脉冲。例如，当以每秒钟60次的速度发生连通和断开的情况时（因为阀芯110的转速是60转/秒），一个60赫兹的信号将始终停留在输出导管P_头内。可以采用属于已知技术的一种蓄压器或者消音器将这种信号阻尼掉。

3.本发明可以看作是一种改进的柱塞阀，如图12A和图12B所进行描述的。在图12A中，一个管子215容纳着一个带有贯通孔219的一个柱塞217。整个组装件可以称为一个柱塞阀。该柱塞的转动进入到图12B所示的将孔219与管子215相对正的位置，由此使液体沿着箭头221所示的方向流动。

在图13中，柱塞217已被改进成为L型的孔219a。在图13中的两个端部219b和219c相当于图12B中的两端部219e和219f的功能，在每个图中的各自的一端（在图13中的端部219c和在图12B中的端部219f）用作孔219的进入口，而其余的两个端部用作排出口。孔区223是与转动轴线同轴的，从而使孔区223不像端部219f那样由图12B中的阀壳体215的进入孔219g离开，而区域223只是转动，这样，在一个单一位置上（即在靠近图13中的端部219c处）设有一个流体联接器（未显示），该联接器的功能（即供给液体）与图7中的环形槽115是相似的，该联接器可以对用于向着输出导管A至C进行分配的孔219作用流体压力。

柱塞217可以看作是在壳体215内进行转动的一个转子，该壳体可以看作一个定子。同样地，在图2中的圆柱体81可以看作一个转子而筒形壳体84可以看作一个定子。

4.本发明可以看作一个流体多通道转换器，其中在图2中的公共腔体56是以一定的顺序连接在几个输出管路上，即在图2中以A，B和C的顺序。应当指出，在上面所论述的实施方案中，连接的顺序假定是恒定不变的，按照图2中沿着箭头87所指的转动方向，其连接顺序将是CBA，CBA等等。但是，一种不改变的顺序是不必要的。

例如，可以想像，在图5所示的实施例的转动过程中，当Y形导管通过导管P_杆和P_头的时候，则阀芯110就通过活塞165推动进行轴向运动进入图14所示的位置，由此造成在Y形导管118与各输出导管之间不发生连通。因此，在某种意义上说顺序已经改变了，因为所显示的各对输出导管中，在Y形导管通过的过程中没有接受流体压力。

6.尽管如此，除了在上段中所提到的以外，与各输出导管形成的连接顺序（例如ABC，ABC等）可以看作是恒定的，而所施加于各对应的导管的压力的顺序不是恒定的。施加于图2中所示的腔体56中的压力取决于在各自的分支93a至93c与导管A，B或C相连接的时候该导管内所需要的压力值。换句话说，与各输出导管A，B和C的连接顺序可以看作是预先确定的，但是所施加压力的顺序是根据所产生的需要，根据计算机70进行控制的要求确定。

7.如上所述，在一个以支管118a形式的一个导管与一个例如在图15中的P_头所示的输出导管之间的连通程度决定着施加于活塞183上力的大小。连通的程度决定于两个导管之间的对正程度。从某种意义上说，由于相互间不对正所造成的公共开口的大小的缩减，起到对通过该公共开口的流量节制作用。从另一方面看，由图15中所示的阀芯110的轴向运动所造成的对正或不对正程度起到一种调节流量作用。通过它可以使液体从那里流过的开口250的尺寸大小取决于阀芯110的轴向位置。

8.上面的论述已经涉及到一种供给图1所示的四种液压马达的多通道转换器，但是，应当能理解到，“四”数字只是示范性的，而更多的液压马达都可以通过本发明的装置进行控制。

9.在图5所示的实施例中，通过齿轮130和133可以使阀芯110进行转动。但是，在另一个实施例中，这种转动可以通过一个类似活塞165的一个活塞，并通过一个类似伺服阀158的一种伺服阀进行控制来实现的。这样一种实施例如图3中所示。在该图中，一个齿条300是通过活塞165a在箭头303和306的方向上进行驱动的。活塞165a是通过一个如图5中所示的158型式的伺服阀（未显示）进行控制的。在图3中的齿条300的运动驱动着一个齿轮133，该齿轮与图5中所示的齿轮133是一样的。这样，齿条300就代替了图5中所示的齿轮130。

10.作用于图2中的压力控制器58的一个信号是由计算机70产生的，该计算机可以采取如同在燃气涡轮发动机技术中所称的“全管理局数字电子控制器”（Full    Authority    Digital    Electrionc    Control[FADEC]）的形式。用于三个输出管路的信号都是在管路66上的时间-多通道转换式，而且都是按照一定顺序作用于压力控制器58。如果与各输出管路的连接顺序是CBA，CBA等等，如箭头87所示，则压力信号的顺序就是Pc，Pb，Pa跟着是Pc，Pb，Pa等等，Pc是代表当导管c与腔体56相连通时，作用于腔体56的压力信号。此外，传感器103向计算机70指示在什么时间与输出管路c相连通，这样计算机70就能够在最合适的时间提供压力Pc。并以同样的考虑应用于信号Pb和Pa。

在不违背本发明的精神实质和保护范围条件下即在所附各项权利要求范围内，人们可以提出各种各样的改进和替换。

Claims (6)

1、一种用以控制液压马达的液体多通道转换器，包括；一缸体；一阀芯，该阀芯在该缸体内连续地转动；其特征在于：该阀芯中有一环形沟槽；一导管连接在该环形沟槽和该阀芯的表面之间；该缸体内具有多个开口，在该阀芯转动的过程中，该导管与每一个开口周期性地相连通一段时间间隔；用以向该环形沟槽施加一选定压力的装置；用以在与该导管周期性连通之间密封每一个开口的装置。

2、按照权利要求1所述的液体多通道转换器，其特征在于：包括一个在马达的操作过程中用以通过阀芯的轴向位移对液体流量起节制作用的装置。

3、按照权利要求1所述的流体多通道转换器，其特征在于：包括用以转动该阀芯的液压马达。

4、按照权利要求1所述的液体多通道转换器，其特征在于：该环形沟槽和该导管形成-Y形导管。

5、按照权利要求1所述的多液体多通道转换器，其特征在于：该多个开口中之一个开口与一环形沟槽相结合，该环形沟槽延长了该导管与该开口相连通的该段时间间隔。

6、按照权利要求1所述的液体多通道转换器，其特征在于：该导管和该一开口两者所具有的截面形状比当该两者的截面形状均匀圆形时，会使该导管和该一开口的公共截面很快地增大。

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