CN104349977B - 航空器燃料供应*** - Google Patents

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Abstract

一种用于航空器(10)的燃料供应***，用于在使用中将燃料从燃料箱(20)传送至航空器动力装置(12)，其包括：燃料流动通道(18)，在使用中，燃料可以从所述箱(20)沿所述燃料流动通道(18)流向所述动力装置(12)，所述燃料流动通道(18)具有邻近所述动力装置的下游端和邻近所述燃料箱的上游端；与所述动力装置(12)毗连的下游泵(14)，用于在使用中沿所述流动通道吸引流体以供应至所述动力装置；上游泵(22)，其布置在所述燃料箱(20)中或者与所述燃料箱(20)毗连，并且可操作地沿所述流动通道(18)泵浦流体；压力传感器(30)，其监视所述下游泵(14)的入口压力，以及燃料***控制器(32)，其响应于所述压力传感器(30)以控制所述上游泵(22)，从而将所述下游泵(14)的入口处的压力保持在预定的阈值压力或者预定的阈值压力之上。燃料控制器可以响应于下游泵的下游的压力测量值，而不是响应于下游泵的绝对上游压力。

Description

航空器燃料供应***
相关申请
基于海军部(海军航空***司令部)颁发的编号为N00019-06-C-0081的合同，本发明得到政府的支持。政府享有本发明一定的权利。
技术领域
本发明涉及航空器燃料供应***以及用于从燃料箱向航空器的动力装置供应燃料的相关方法，并且特别地，并非排他地，涉及直升机燃料供应***。
背景技术
在典型的直升机设计图中，燃料箱位于直升机的下部，而驱动直升机转动体的主动力装置位于直升机的上部。借助位于主动力装置附近的抽吸泵将燃料从燃料箱吸引通过燃料管。由于当箱和泵之间的燃料管受到损坏时可以减少火灾隐患，这种抽吸配置是优选的，因为压力差表明空气被吸入燃料管而不是燃料从管喷出，如果泵位于燃料箱中燃料会从管喷出并且会构成潜在的危害。然而，随着直升机变大，燃料泵和箱之间的油面高度增加，这意味着所需的抽力增加。同样，特别在军用直升机中，当直升机可以作出的机动动作更加极端时，会有这样的风险：泵和箱之间的油面高度以及极端机动动作所引起的高加速度共同出现，其意味着抽吸泵的入口处的绝对压力可以接近燃料的真实蒸汽压或者降到燃料的真实蒸汽压以下。这会使燃料蒸汽逐渐形成，而溶解的空气从溶液中出来，并且如果在泵的入口处的气体和/或蒸汽与液体燃料的比例超过泵的范围，流向动力装置的燃料很有可能被中断或者显著地被限制，从而引起发动机功率的损失或者发动机故障。
因此我们开发了一种用于航空器的燃料供应***，其保持抽吸供给***的耐久性优势，并且保持动力装置的入口处的足够的压力以至少减少可能影响燃料泵的性能的过多的空气和/或蒸汽形成的可能性。这基于如下现实：下游泵的入口处的压力是可以低于周围的大气压力的绝对压力，并且即使不是在所有情况下，也是在多数情况下不需要燃料压力和管外部的大气压力之间的正压差。
发明内容
因此，在一个方面，本发明提供一种用于航空器的燃料供应***，用于在使用中将燃料从燃料箱传送至航空器动力装置，所述燃料供应***包括：
燃料流动通道，在使用中，燃料可以从所述箱沿燃料流动通道流向所述动力装置，燃料流动通道具有邻近动力装置的下游端和邻近燃料箱的上游端，
与所述动力装置毗连的下游泵，其在使用中沿所述流动通道吸引流体以供应至所述动力装置，
上游泵，其布置在所述燃料箱中或者与所述燃料箱毗连，并且可操作地沿所述流动通道泵浦流体，
压力传感器，其监视所述下游泵的入口压力，以及
燃料***控制器，其响应于所述压力传感器以控制所述上游泵，从而将所述下游泵的入口处的压力保持在预定的阈值压力或者预定的阈值压力之上。
虽然在设计时主要考虑直升机，但是可以理解，该控制***也可以有益地装载到其他航空器上，例如军用运输机。
上游泵可以是供给泵，其***作以对至下游泵的燃料供应加压，从而确保下游抽吸泵的入口压力足够用于其正确的操作。
在一些配置中，上游泵的入口处的绝对压力被检测并且用于控制上游泵的操作的控制回路中。例如在一种方案中，燃料***控制器控制上游泵以将所述下游泵的入口处的绝对压力保持在燃料的真实蒸汽压力值之上的一个预设容限值。真实蒸汽压力值可以是固定值，其代表航空器的整个预期飞行范围(operatingenvelope)中燃料的真实蒸汽压力范围内的值。可替代地，可以基于诸如燃料温度和燃料类型等的一个或多个参数，确定一个可变的真实蒸汽压力值。因此，该***可以包括提供用于燃料温度和燃料类型的不同组合的真实蒸汽压力值的数据，随后使用该数据确定适当的真实蒸汽压力值。
在其他配置中可以实现自适应***，其不是基于下游泵的入口处的绝对压力的直接测量控制上游泵，而是测量下游泵的出口处的压力(或者下游泵上的压力增加)，并且燃料***控制器可以使上游泵响应于所测量的压力的减小或增加引起的压力增加或减小。这样，燃料供应***可以自适应地操作以确保下游泵的入口处的压力足够用于下游泵的正确操作。
因此，在另一方面，本发明提供了一种用于航空器的燃料供应***，用于在使用中将燃料从燃料箱传送至航空器动力装置，所述燃料供应***包括：
燃料流动通道，在使用中，燃料可以从所述箱沿燃料流动通道流向所述动力装置，燃料流动通道具有邻近动力装置的下游端和邻近燃料箱的上游端，
与所述动力装置毗连的下游泵，其在使用中沿所述流动通道吸引流体以供应至所述动力装置，
上游泵，其布置在所述燃料箱中或者与所述燃料箱毗连，并且可操作地沿所述流动通道泵浦流体，
压力传感器，其监视邻近所述下游泵的压力，以及
燃料***控制器，其响应于所述压力传感器，从而响应于所测量的邻近所述下游泵的压力的变化控制所述上游泵。
压力传感器可以测量下游泵的下游压力或者它可以测量泵上的压力增加。
优选地，上游泵可以被控制，从而以一个可变的范围将流体压入下游泵。例如，所述上游泵可以包括在变速电机控制器的控制下的变速电机驱动器，而燃料***控制器可以控制变速电机控制器从而使上游泵传送足够的压力以将所述下游泵的入口处的压力保持在所述预定阈值或者所述预定阈值之上。
虽然上游泵可以位于燃料箱和下游泵的中间，但是优选地，上游泵位于所述燃料箱中。
虽然电力驱动器或其他驱动器是可能的，但是优选地，下游泵通过所述动力装置驱动。
在许多典型地直升机配置中，燃料箱位于直升机的下部而动力装置位于直升机的上部，尽管该***也可以用于高G加速度引起燃料压力的局部减小的其他配置中。
可以在所述下游泵的出口处提供泵出口压力传感器，燃料***控制器还可以响应于所述泵出口压力传感器以调节所述阈值压力。泵出口压力传感器通常检测泵出口的表压。这可以用于例如补偿减小下游泵上的压位差的空化或其他因素。
在另一方面，本发明提供一种沿流动通道从燃料箱向航空器的主动力装置供应燃料的方法，包括：
提供与所述动力装置毗连的下游泵并且操作所述下游泵以将燃料传送至所述动力装置，
提供与所述燃料箱毗连的上游泵，
监视所述下游泵的入口处的绝对压力，以及
如果所检测的绝对压力低于设定阈值，操作所述上游泵以将流体压入下游泵。
虽然如上描述了本发明，但是其扩展至如上所述的或者基于如下描述或附图的特征的任意创造性的组合。
附图说明
本发明可以以多种方式实施，并且，以下仅通过示例，参照附图描述其具体实施例，其中：
图1是根据本发明的直升机燃料供应***的示意性视图，以及
图2是示出用于图1的***的控制回路的方框图。
具体实施方式
首先参照图1，所示的直升机10包括动力装置12以驱动转动体(未示出)。动力装置12安装在直升机机身的上部并且从主(下游)燃料泵14接收燃料，在该实施例中，主燃料泵14被来自动力装置12的动力输出轴16驱动。燃料通过燃料管18供应至主燃料泵14，燃料管18从位于直升机机身下部的燃料箱20延伸出。应该指出，在泵与燃料箱之间有一个明显的油面高度“H”。随着直升机尺寸的增加，该油面高度也增加，这意味着克服该油面高度使燃料到达发动机所需的抽吸力量也要增加。上游(供给)泵22布置在燃料箱中并且以T形接头24连接至燃料供应管。T形接头的另一分支转到包括止回阀28的抽吸入口26，如果从上游泵出来的流体为零或较少，燃料通过止回阀28被抽吸，但是当上游泵以较高的速度供应时，止回阀28关闭。
当直升机进行极端机动动作时(这种机动动作会产生高的G加速度，这种加速度会显著地加到由油面高度差所产生的压降上)，上游泵22可操作地将燃料管中的流体压入下游泵并且补偿燃料管18中的压力的降低。在下游泵的入口处提供绝对压力传感器30，在该位置点监视管线中的燃料的绝对压力。燃料***控制器32监视所测得的绝对压力并控制上游泵22的旋转速度以使在燃料管18中供应的燃料足够地增压，从而使下游泵14的入口处的绝对压力不会降到特定的阈值以下。因此，如果所探测到的绝对压力降到阈值以下，燃料***控制器32使泵22以足够的速度旋转，从而产生足够的压力以保持适当的压力。根据计算出的或者另外所赋予的燃料的蒸汽压力值设定阈值压力。这可以采用不随环境条件和工作条件变化的固定的标准值，或者采用针对真实蒸汽压力随诸如燃料类型和燃料温度等的其他参数的改变而变化的真实蒸汽压力值。控制器的一般操作是使上游泵工作，从而确保至下游泵的供应中的绝对压力从不降到低于真实蒸汽压力再加上例如5psia(绝对压强)的裕量相对应的值。
我们的计算表明，对于典型的燃料，增压至大约真实蒸汽压力再加上5psia的值所引起的压力仍将会使压力低于在高达22,000英尺的高空环境中的压力。这意味着，如果燃料管线在上游和下游泵之间的位置破裂或被刺穿，即使不是在所有位置，也在大多数位置的燃料管线中的压力将低于环境压力，因此航空器将不会面临燃料泄露的风险。在某些极端的高度和机动动作范围中，可能会有短暂的偏离，出现局部内压力超过环境压力，但这仅可能是非常短的时间，因此，任何燃料泄露将仅持续短暂的时间，从而限制了任何风险的持续时间；采用诸如自愈涂层的其他措施也可以帮助在这些情况下燃料泄露减至最小。
应当理解，在例如海平面上的水平飞行的其他飞行条件下，不再需要变速电机驱动泵来传送压力。在该条件下，供给泵将在空转条件下运转，利用速度反馈来验证***的有效性，或者供给泵可以被整体切断电源，随后燃料通过止回阀28被抽吸。但是一旦在进行机动动作期间由于从油箱到发动机的实际的油面高度的增加使发动机接口压力降低，泵就被控制器加速以使绝对压力返回至所需值。
在下游泵的出口侧提供另一压力传感器34以监视在该位置点的燃料压力。例如，如果发生主泵的瞬时空化(cavitation)，这将引起泵的出口侧处的压力的降低。这可以通过发动机控制器来补偿，例如通过增加发送给控制器的绝对压力的值或者将裕量值增加至大于5psia。以这种方式，使上游泵逐步增加增压的量，以使下游泵的入口处的压力增加并因此减小空化的可能性。
现在参照图2，其示出可以通过发动机控制器实现的控制回路。绝对压力阈值(根据所使用的燃料的真实蒸汽压力与典型的5psia的裕量计算出)在40与被绝对压力传感器30探测到的增压的入口压力测量值进行比较。这产生一个误差，该误差随后在42被放大并且用作变速电机控制器44的输入，变速电机控制器44用于控制电机46的速度，电机46用于驱动燃料箱20中的上游泵22。如48所示，泵速提供依赖于至发动机的质量流的特定压力/质量流速。环境压力和加速度(主要在垂直方向(GZ))、燃料密度、和航空器高度具有累加效应，都对下游泵的入口处的压力有影响。图2所示的控制回路因此确保适当的增压泵入口压力点保持在直升机所经历的工作状况的整个范围内。
燃料***控制器32可以以多种不同的工作模式在燃料***中运行。在维护之后或者在动力装置开始填充耗尽燃料的供给管线时，为了加注，燃料箱中的上游燃料泵可以以其最大工作压力操作在开路状态，以压缩***内的任何空气并将固体燃料传送至下游泵。加注操作也可以用在飞行中作为再次起动。在飞行前的测试模式中，可以输入压力需求序列以验证***的性能。对于连续的‘内置测试’(BIT)，可以监控40处所确定的压力误差的水平。在战斗模式中，可以禁用某些模式，诸如自适应控制和自动再次起动。在故障模式中，燃料管18的刺穿将引起空气的进入，并且可以使用绝对压力探测器30所探测的压力的相应增加来标记刺穿事件并因此引起***关闭。然而，这个实施例的特征是：未探测到的泄露是没有危害的并且不需要主动控制逻辑来关闭***。
如上所述，对于自适应控制，可以使用压力传感器34以探测下游泵(14)的瞬时空化，并且控制回路被逐步修正以使下游泵14的入口处的压力通过增加被上游泵22所施加的增压而被增加。
因此，该燃料***控制器可以仅探测下游泵的输出压力并且控制上游泵以保持这个输出压力，而不是基于绝对压力探测控制上游泵的速度。图2的控制***可以被改变以使所探测的输出压力用作控制回路的设定点。

Claims (12)

1.一种用于航空器的燃料供应***，用于在使用中将燃料从燃料箱传送至航空器动力装置，所述燃料供应***包括：
燃料流动通道，在使用中，燃料可以从所述燃料箱沿所述燃料流动通道流向所述动力装置，所述燃料流动通道具有邻近所述动力装置的下游端和邻近所述燃料箱的上游端，
与所述动力装置关联的下游泵，其在使用中沿所述流动通道吸引流体以供应至所述动力装置，
上游泵，其布置在所述燃料箱中或者与所述燃料箱毗连，并且可操作地沿所述流动通道泵浦流体，
压力传感器，其监视所述下游泵的入口压力，以及
燃料***控制器，其响应于所述压力传感器以控制所述上游泵，从而将所述下游泵的入口处的压力保持在预定的阈值压力或者预定的阈值压力之上。
2.根据权利要求1所述的燃料供应***，其中，所述燃料***控制器控制所述上游泵以将所述下游泵的入口处的绝对压力保持在燃料的真实蒸汽压力值之上的一个预设容限值。
3.根据权利要求2所述的燃料供应***，其中，所述真实蒸汽压力值是预设值。
4.根据权利要求2所述的燃料供应***，其中，所述燃料***控制器基于包括燃料温度和燃料类型的一个或多个参数确定一个可变的真实蒸汽压力值。
5.根据前述权利要求中任一项所述的燃料供应***，其中，所述下游泵包括在变速电机控制器的控制下的变速电机，而燃料***控制器控制变速电机控制器，从而使上游泵传送足够的压力以将所述下游泵的入口处的压力保持在预定阈值或者预定阈值之上。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的燃料供应***，其中，所述下游泵被所述动力装置驱动。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的燃料供应***，其中，所述燃料箱位于所述航空器的下部，而所述动力装置位于所述航空器的上部。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的燃料供应***，还包括在所述下游泵的出口处的泵出口压力传感器，其中，所述燃料***控制器还响应于所述泵出口压力传感器以调节所述阈值压力。
9.根据权利要求8所述的燃料供应***，其中，所述泵出口压力传感器探测所述下游泵的出口处的表压。
10.一种用于航空器的燃料供应***，用于在使用中将燃料从燃料箱传送至航空器动力装置，所述燃料供应***包括：
燃料流动通道，在使用中，燃料可以从所述燃料箱沿所述燃料流动通道流向所述动力装置，所述燃料流动通道具有邻近所述动力装置的下游端和邻近所述燃料箱的上游端，
与所述动力装置毗连的下游泵，其在使用中沿所述流动通道吸引流体以供应至所述动力装置，
上游泵，其布置在所述燃料箱中或者与所述燃料箱毗连，并且可操作地沿所述流动通道泵浦流体，
压力传感器，其监视邻近所述下游泵的压力，以及
燃料***控制器，其响应于所述压力传感器，从而响应于所测量的邻近所述下游泵的压力的变化控制所述上游泵。
11.一种沿流动通道从燃料箱向航空器的主动力装置供应燃料的方法，包括：
提供与所述动力装置毗连的下游泵并且操作所述下游泵以将燃料传送至所述动力装置，
提供与所述燃料箱毗连的上游泵，
监视所述下游泵的入口处的绝对压力，以及
如果所检测的绝对压力下降至设定阈值以下，操作所述上游泵以将流体压入所述下游泵。
12.一种沿流动通道从燃料箱向航空器的主动力装置供应燃料的方法，包括：
提供与所述动力装置毗连的下游泵并且操作所述下游泵以将燃料传送至所述动力装置，
提供与所述燃料箱毗连的上游泵，
监视邻近所述下游泵的压力，以及
根据所监视的压力操作所述上游泵以将流体压入所述下游泵。
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