CN107074374B - 用于流体分配***的泵权限切换装置 - Google Patents

用于流体分配***的泵权限切换装置 Download PDF

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Abstract

流体分配***包括提供流体流的推进供应源(102)和在推进供应源下游的流体计量***(108)。流体计量***(108)将流体供应到下游设备。主流体泵(106)将流体流的至少一部分供应到流体计量***(108)。关闭阀(114)位于主流体泵(106)入口的上游。驱动***(110)位于推进供应源(102)的下游。驱动***(110)将流体供应到一个或多个液压操作的设备。驱动泵(104)将流体流的至少一部分供应到流体计量***(108)和驱动***(110)。第一阀(116)位于驱动泵(104)与流体计量***(108)之间。第一阀(104)和关闭阀(114)可操作用于在主流体泵(106)与驱动泵(104)之间切换，作为至流体计量***(108)的流体供应的源。

Description

用于流体分配***的泵权限切换装置
技术领域
本发明总体上涉及流体分配***，并且具体而言，涉及具有用于切换泵权限的装置的流体分配***。
背景技术
在流体分配***中，例如在喷气发动机的燃料***中，热管理通常是一个重要问题。增长的发电能力进一步增加了飞行器上的热负荷。期望将这个过多的热量倒入燃料流中以节省能量。发动机燃料泵送***典型地包括推进泵、驱动泵、主泵和增压泵，其中，驱动泵是可变排量容积式泵，并且主燃料泵和增压泵是高速离心泵。
典型地，用于喷气发动机的常规燃料***在高倒炉(turndown)条件(即，低燃烧流量)下具有最小至无的热容量以适应增加的热负荷。这些常规燃料***以及在其上采用这些常规燃料***的飞行器经常由于热负荷而被报告可操作性有限。此外，通常为高速离心泵的燃料泵可能是低效的，并且在高倒炉条件下对燃料热负荷有显著贡献。因此，希望具有与常规的流体分配***相比，能够在高倒炉条件下以降低的流体热负荷进行操作的***。
本发明的实施例提供这种***。从本文中所提供的对本发明的描述中，本发明的这些和其它优点以及附加的创新特征将是显而易见的。
发明内容
在特定实施例中，本发明提供了一种用于喷气发动机(例如战斗机喷气发动机)的先进燃料热管理***(FTMS)，其中，主燃料泵是具有关闭阀的高速离心泵，关闭阀与可变容积式高压驱动泵配对。在替代的实施例中，可变容积式泵可以由固定容积式泵或固定和可变容积式泵的任何组合代替。
在本发明的特定实施例中，泵切换设备利用驱动泵的过量容量在高倒炉条件下为燃烧流供应燃料。在这些高倒炉条件下，关闭主燃料泵，从而有效地消除了主燃料泵的热负荷，由此增加了燃料***吸收飞行器热负荷的热容量。当发动机燃料和驱动流量需求超过驱动泵容量时，主燃料泵返回到联机状态以提供燃烧器燃烧流。在切换点处，驱动***压力和主燃料泵压力可以大体上不同，典型地，驱动***压力高于主燃料泵压力。
在主燃料泵与驱动泵之间转移权限(即，燃料供应的源到燃烧器)导致在燃料计量***的入口处的压力变化。突然的转变可能挑战典型燃料计量***的保持稳定计量流量以及驱动***压力调节器和离心泵的动态响应的能力。本发明的实施例提供了用于当在高速离心泵和固定容积式驱动泵之间转移流权限时在计量单元的入口处平滑地转变压力的装置。
在一个方面，本发明提供了一种流体分配***，其包括提供流体流的推进供应源和位于推进供应源下游的流体计量***。流体计量***被配置为以最小压力将流体供应到下游设备。主流体泵被配置为将流体流的至少一部分供应到流体计量***。关闭阀位于主流体泵入口的上游。驱动***位于推进供应源的下游。驱动***被配置为将流体供应到一个或多个液压操作的设备。驱动泵被配置为将流体流的至少一部分供应到流体计量***和驱动***。第一阀位于驱动泵与流体计量***之间。第一阀和关闭阀可操作用于在主流体泵作为至流体计量***的流体供应的源与驱动泵作为至流体计量***的流体供应的源之间进行切换。
在特定实施例中，当主流体泵是至流体计量***的流体供应的源时，关闭阀打开并且第一阀关闭，并且其中，当驱动泵是至流体计量***的流体供应的源时，关闭阀关闭并且第一阀打开。在某些实施例中，在从主流体泵作为流体供应的源到驱动泵作为流体供应的源的转变、或从驱动泵作为流体供应的源到主流体泵作为流体供应的源的转变期间的任何时间，流体计量***在整个转变中始终保持稳定的流体流速。
在另外的实施例中，燃料计量***能够通过控制第一阀和关闭阀的初始启动时间和流量增益来保持稳定的流速。在一些实施例中，主流体泵是离心泵，并且驱动泵是固定或可变容积式泵。第一阀可以包括活塞型阀构件和附接到阀构件的偏置元件。在特定实施例中，第一阀和关闭阀都由相应的电动液压伺服阀进行电控制。
本发明的实施例可以包括位于主流体泵与流体计量***之间的第二阀，其中，第二阀被配置为将主流体泵与流体计量***隔离。第二阀可以包括活塞型阀构件和附接到阀构件的偏置元件，其中，第二阀参考关闭阀供应压力。替代地，第二阀可以包括活塞型阀构件和附接到阀构件的偏置元件，其中，第二阀由电动液压伺服阀进行电控制。在某些实施例中，第一阀具有活塞型阀构件和附接到阀构件的偏置元件，其中，第一阀参考关闭阀供应压力。第一阀可以被配置为保持跨流体计量***的第一恒定压降。
本发明的实施例可以包括位于主流体泵与流体计量***之间的第二阀，其中，第二阀由电动液压伺服阀进行控制。在更具体的实施例中，电动液压伺服阀被配置为：选择第一参考压力，以使得在主燃料泵不进行操作时使第二阀关闭；以及选择第二参考压力，以使得在主燃料泵进行操作时，使第二阀保持跨流体计量***的第二恒定压降，第二恒定压降大于第一恒定压降。
在本发明的另外实施例中，热交换器位于推进供应源的下游和驱动泵及关闭阀的上游。
根据以下结合附图的具体实施方式，本发明的其它方面、目的和优点将变得更加显而易见。
附图说明
并入本说明书并形成本说明书的一部分的附图示出了本发明的几个方面，并且与本说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1是根据本发明的实施例的具有用于切换泵权限的装置的流体分配***的示意图；
图2是根据本发明的替代实施例的具有用于切换泵权限的装置的流体分配***的示意图；
图3是根据本发明的另一个实施例的具有用于切换泵权限的装置的流体分配***的示意图；
图4是根据本发明的又一个实施例的具有用于切换泵权限的装置的流体分配***的示意图；
图5是根据本发明的另一个实施例的具有用于切换泵权限的装置的流体分配***的示意图；以及
图6是根据本发明的还另一个实施例的具有用于切换泵权限的装置的流体分配***的示意图。
虽然将结合某些优选实施例对本发明进行描述，但是并不旨在将其局限于那些实施例。相反，其旨在涵盖包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有替代、修改和等同物。
具体实施方式
本文中所述的本发明的几个实施例具体涉及喷气式飞机中的燃料分配***。虽然用于喷气发动机的燃料***代表本发明的可能应用之一，但是本领域技术人员将认识到本发明不限于这些应用。可以想到，本发明的实施例可以适当地用于必须在压力下供应液体的各种应用中。特别地，本文中所描述和示出的***可以被描述为燃料分配***，或更广泛地描述为流体分配***。
在某些应用中，本文中所述的***显著增加了燃料***吸收飞行器热负荷的容量。这通过在高倒炉条件下消除主燃料泵的热负荷来实现。本发明的一个特定实施例在图1中示出，图1是根据本发明的实施例构建的具有用于切换泵权限的装置的流体分配***100的示意图。流体分配***100包括向驱动泵和主流体泵106供应液体流的推进供应泵102。在诸如与喷气发动机一起使用的燃料***应用中，主流体泵被称为主燃料泵106，在一些实施例中，主燃料泵106是用于向燃料计量***108供应燃料的高速离心主燃料泵。术语“主流体泵”和“主燃料泵”在下面可互换使用，术语“流体分配***”和“燃料分配***”也一样。驱动泵104可以是向驱动***110供应流的容积式驱动泵104。在本发明的特定实施例中，可选的热交换器112可以位于推进供应泵102的下游和驱动泵102及主燃料泵106的上游。
流体分配***100包括泵切换***，其响应于诸如控制信号之类的命令将驱动泵104连接到燃料计量***108。高速离心主燃料泵106被设计为使得其可以响应于至关闭阀114的命令而被关闭并且核心被排空，从而将功率输入减小到接近零。在特定实施例中，关闭阀114由第一电动液压伺服阀(EHSV)118控制。以此方式，供应给第一EHSV 118的电信号控制关闭阀114的操作。驱动泵104被示出为可变容积式泵。替代地，可变容积式泵可以用固定容积泵或固定和可变容积式泵的任何组合来代替。
如图1-6中所示，驱动泵104和主燃料泵106都由发动机推进***102和热交换器112供应。在本发明的上下文中，推进***泵102的配置和热交换器112在***中的位置不是特别相关的。同样，驱动***110和燃料计量***108的配置可以根据应用而变化。例如，军用发动机可能需要增压***，该增压***未被示出。
在本文中所述的***中，在高倒炉条件(例如，闲置、巡航)下，主燃料泵106被关闭，燃料计量***108由驱动泵104供应。当发动机燃料和驱动流需求超过驱动泵容量时，主燃料泵106返回到联机状态以提供燃烧器燃烧流，并且泵切换***将驱动泵104与燃料计量***108隔离。流体分配***100消除来自主燃料泵106的废热，这显著增加了燃料***100吸收飞机热负荷的容量。该概念还通过减少返回到燃料箱的热量来提高在低流量条件下的可操作性。
在本文所述的实施例中，驱动泵104和主燃料泵106都由发动机推进***泵102和热交换器112供应。在本发明的上下文中，推进***泵102的配置和位置流体分配***100中的热交换器112的温度不一定相关。同样，驱动***110和燃料计量***108的构造将根据具体应用而变化。在高倒炉条件(例如，怠速，巡航)下，主燃料泵106被关闭，燃料计量***108由驱动泵104供应。当发动机燃料流量和驱动流量需求超过驱动泵容量时，主燃料泵104回到在线以提供燃烧器燃烧流量，并且泵开关***将驱动泵104与燃料计量***108隔离。流体分配***100消除了来自主燃料泵106的废热，这大大增加了燃料***100吸收飞机热负荷的容量。该概念还通过减少返回到燃料箱的热量来提高在低流量条件下的可操作性。
本文中所描述的阀的组合满足对上述泵切换***的要求，并且是上述泵切换***的具体实施方式。流体分配***100包括位于驱动泵104的排出口与计量***108的入口之间的第一泵切换阀116以及响应于电命令信号控制第一泵切换阀116的第一电动液压伺服阀122(EHSV)。在第一位置，第一泵切换阀116将驱动泵104排出流连接到燃料计量***108的入口。在第二位置，第一泵切换阀116将驱动泵104与燃料计量***108隔离。当在第一位置与第二位置之间转变时，第一泵切换阀116控制流体/燃料相对于从驱动泵104到燃料计量***108的时间的流速。第一泵切换阀116的位置由发动机控制结合主燃料泵关闭阀114的命令位置来控制。每个命令的计时以及每个阀的流量增益被设计为使得燃料计量***108的入口处的压力转变不会导致不可接受的流动扰动，其中，流量增益是由端口增益和转换速率控制的、流速相对于时间的变化率。
响应于来自发动机控制的命令，从主燃料泵106关闭到主燃料泵106开启的转变按照以下顺序进行。在高倒炉条件下(例如，地面闲置)开始，主燃料泵106关闭，并且第一泵切换阀116处于第一位置。主燃料泵关闭阀114响应于发动机控制命令而开始打开。主燃料泵106开始建立与其动态响应分布一致的压力。最初，主燃料泵106不供应流量，因为燃料计量单元108供应压力高于主燃料泵106排出压力，从而关闭主燃料泵排出止回阀120。当主燃料泵106开始联机时，命令第一泵切换阀116关闭。当第一泵切换阀116关闭时，端口面积减小，限制流量，从而使燃料计量单元108供应压力下降。控制燃料计量单元108供应压力变化率，以使得燃料计量***108大体上不受影响。
当主燃料泵106排出压力超过燃料计量***108供应压力时，主燃料泵排出止回阀120打开，并且主燃料泵106现在能够向燃料计量单元108供应流量。为了完成转变，第一泵切换阀116到达位置二，以将驱动泵104从燃料计量***106关闭。该描述内容描述了***的一个特定实施例。响应于来自发动机控制的命令(未示出)，从主燃料泵106开启到主燃料泵106关闭的转变按照以下顺序进行。在主燃料泵106开启且第一泵切换阀116处于第二位置的条件下开始。响应于来自发动机控制的命令，第一泵切换阀116开始打开到第一位置。当第一泵切换阀116打开时，端口面积增加，从而允许驱动泵104开始将一部分流供应到燃料计量***108。然后命令主燃料泵关闭阀114关闭，从而导致主燃料泵106排出压力按照其响应分布而衰减。
当主燃料泵106排出压力小于通过第一泵切换阀116提供的燃料计量***108供应压力时，主燃料泵排出止回阀120关闭。控制燃料计量***108供应压力变化率，以使得燃料计量***108大体上不受影响。驱动泵104现在供应燃料计量***108，主燃料泵106关闭。包括相对阀计时、转换速率和端口增益的切换***的设计取决于燃料计量***108、主燃料泵106和驱动泵压力调节器的动态特性。
在一些***中，打开主燃料泵106可能产生传播通过燃料计量***108的压力脉动，从而在计量流量中引起不可接受的扰动。图2是根据本发明的实施例的具有用于切换泵权限的装置的流体分配***200的示意图。如图2所示，为了限制压力脉动对计量流量的影响，来自主燃料泵106的排出流可以由第二泵切换阀202与燃料计量***108隔离。当主燃料泵106关闭时，第二泵切换阀202将主燃料泵106与燃料计量***108隔离。在第二泵切换阀202中，阀芯(valve spool)204或活塞的两端处于增压压力，并且偏置弹簧206的力设置阀位置。当主燃料泵106打开时，第二泵切换阀202的入口处的压力以及轴向作用于阀芯204的与弹簧206相对的一端上的压力上升，打开阀202。阀转换速率由孔控制，并且流量变化率由阀转换速率和端口流量增益控制。
图3是根据本发明的另一个实施例的具有用于切换泵权限的装置的流体分配***300的示意图。流体分配***300类似于图2的流体分配***200，除了流体分配***300的第二泵切换阀302由控制第二泵切换阀302的计时和转换速率的第三EHSV 304控制以外。因此，第二泵切换阀302经由类似于用于控制关闭阀114和第一泵切换阀116的电命令信号来进行操作。
在一些***中，期望保持对于驱动***110的较高压力和燃料计量***108的入口处的较低压力。图4是根据本发明的又一个实施例的具有用于切换泵权限的装置的流体分配***400的示意图。在此情况下，流体分配***400包括作为压力调节器的第一泵切换阀402，如图4中所示。在此情况下，参考压力取自燃料计量***108的下游和燃料歧管(未示出)的上游。第一泵切换阀402保持跨燃料计量***108的恒定压降，从而限制驱动瞬变对计量流量的影响。
图5是根据本发明的另一个实施例的具有用于切换泵权限的装置的流体分配***500的示意图。图5的流体分配***500类似于图1的***100，除了在图5的***500中，第一泵切换阀502以两个参考压力而不是EHSV为条件。如图5中所示，第一泵切换阀502的一端以***推进压力Pb为条件，而另一端以燃料计量***108的供应压力为条件。这具有当***推进压力Pb相对于燃料计量***108的供应压力增加时关闭第一泵切换阀502以及当***推进压力Pb相对于燃料计量***108的供应压力减小时打开第一泵切换阀502的效果。
在一些实例中，当转移泵权限时限制燃料计量***108入口压力的变化率可能是必要的。图6是根据本发明的实施例的具有用于在切换泵权限时限制燃料计量***108中的变化率的装置的流体分配***600的示意图。流体分配***600包括以两个参考压力为条件的第一泵切换阀602，并且包括由第二EHSV 606控制的第二泵切换阀604。在该实施例中，驱动泵104供应源和主燃料泵106供应源用相同的参考压力(如所示的燃料计量***108的下游)来调节。燃料计量***108供应压力的变化仅限于第一泵切换阀602的偏置弹簧608和第二泵切换阀604的偏置弹簧610之间的增量(delta)。在某些实施例中，第二泵切换阀604被配置为保持跨燃料计量***108的压降大于由第一泵切换阀602跨燃料计量***108所保持的压降。
对于图6中所示的***，当主燃料泵106关闭时，燃料计量***108由驱动泵104供应。参考压力由第二EHSV 606设置为第二泵切换阀604上的Ps，其驱动第二泵切换阀604关闭。第一泵切换阀602将Ps设置为高于Pn的固定水平，以调节驱动泵104供应源。当主燃料泵106打开时，第二泵切换阀604上的参考压力由第二EHSV 606从Ps改变为Pn。第二泵切换阀604将Ps调节到高于Pn的固定水平，其刚好大于第一泵切换阀602调节压力。第二泵切换阀604以一定速率打开，以使得对Ps的干扰受到控制并且将Ps增加到更高设置。当Ps增加时，第一泵切换阀602关闭，从而将驱动泵104与燃料计量***108隔离。
本文中所引用的包括出版物、专利申请和专利的所有参考文献通过引用并入本文，其程度如同每个参考文献被单独地和具体地指示为以其全文的形式在此通过引用并入本文并且加以阐述一样。
除非在本文中另行指示或与上下文明显矛盾，否则在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)对术语“一”、“一个”和“所述”以及类似的参考物的使用被解释为涵盖单数和复数。除非另行指出，否则术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”应被解释为开放式术语(即，意味着“包括但不限于”)。除非本文中另行指示，否则在本文中对值范围的列举仅旨在用作单独指代落在该范围内的每个单独值的简略表达方法，并且每个单独值被并入本说明书中，如同其在本文中被单独列举一样。除非在本文中另行指示或与上下文明显矛盾，否则本文中所述的所有方法可以以任何合适的顺序执行。除非另行要求，否则对本文中所提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地阐述本发明，并且并非对本发明的范围构成限制。说明书中的语言不应被解释为指示任何未要求保护的要素对于实践本发明是必要的。
在本文中描述了本发明的优选实施例，其包括发明人已知的用于实施本发明的最佳模式。在阅读前面的描述之后，那些优选实施例的变型对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。本发明人期望技术人员适当地采用这种变型，并且本发明人旨在以本文中详述的内容以外的方式来实践本发明。因此，本发明包括由适用法律所允许的所附权利要求中所述的主题的所有修改和等同物。此外，除非在本文中另行指示或与上下文明显矛盾，否则本发明包含上述要素在其所有可能变型中的任何组合。

Claims (14)

1.一种流体分配***，包括：
推进供应源，所述推进供应源提供流体流；
流体计量***，所述流体计量***位于所述推进供应源的下游，所述流体计量***被配置为以最小压力将流体供应到下游设备；
主流体泵，所述主流体泵被配置为将所述流体流的至少一部分供应到所述流体计量***，关闭阀位于主流体泵入口的上游；
驱动***，所述驱动***位于所述推进供应源的下游，所述驱动***被配置为将流体供应到一个或多个液压操作的设备；
驱动泵，所述驱动泵被配置为将所述流体流的至少一部分供应到所述流体计量***和所述驱动***；
第一阀，所述第一阀位于所述驱动泵与所述流体计量***之间，其中，所述第一阀和所述关闭阀能够操作用于在所述主流体泵作为至所述流体计量***的流体供应的源与所述驱动泵作为至所述流体计量***的流体供应的源之间进行切换，并且
其中，当所述主流体泵是至所述流体计量***的所述流体供应的源时，所述关闭阀打开并且所述第一阀关闭，并且其中，当所述驱动泵是至所述流体计量***的所述流体供应的源时，所述关闭阀关闭并且所述第一阀打开。
2.根据权利要求1所述的流体分配***，其中，
在从所述主流体泵作为所述流体供应的源到所述驱动泵作为所述流体供应的源的转变、或从所述驱动泵作为所述流体供应的源到所述主流体泵作为所述流体供应的源的转变期间的任何时间，所述流体计量***在整个转变中始终保持稳定的流体流速。
3.根据权利要求2所述的流体分配***，其中，燃料计量***通过控制所述第一阀和所述关闭阀的初始启动时间和流量增益来保持稳定的计量流速。
4.根据权利要求1所述的流体分配***，其中，所述主流体泵包括离心泵。
5.根据权利要求1所述的流体分配***，其中，所述驱动泵包括固定容积式泵或可变容积式泵。
6.根据权利要求1所述的流体分配***，其中，所述第一阀包括活塞型阀构件和附接到所述阀构件的偏置元件。
7.根据权利要求1所述的流体分配***，其中，所述第一阀和所述关闭阀两者都由相应的电动液压伺服阀进行电控制。
8.根据权利要求1所述的流体分配***，进一步包括位于所述主流体泵与所述流体计量***之间的第二阀，所述第二阀被配置为将所述主流体泵与所述流体计量***隔离。
9.根据权利要求8所述的流体分配***，其中，所述第二阀具有活塞型阀构件和附接到所述阀构件的偏置元件，其中，所述第二阀参考关闭阀供应压力。
10.根据权利要求8所述的流体分配***，其中，所述第二阀具有活塞型阀构件和附接到所述阀构件的偏置元件，其中，所述第二阀由电动液压伺服阀进行电控制。
11.根据权利要求1所述的流体分配***，其中，所述第一阀具有活塞型阀构件和附接到所述阀构件的偏置元件，其中，所述第一阀参考关闭阀供应压力。
12.根据权利要求1所述的流体分配***，其中，所述第一阀被配置为保持跨所述流体计量***的第一恒定压降。
13.根据权利要求12所述的流体分配***，进一步包括位于所述主流体泵与所述流体计量***之间的第二阀，其中，所述第二阀由电动液压伺服阀进行控制。
14.根据权利要求13所述的流体分配***，其中，所述电动液压伺服阀被配置为：选择第一参考压力，以使得当主燃料泵不进行操作时，所述第二阀关闭；以及选择第二参考压力，以使得当所述主燃料泵进行操作时，所述第二阀保持跨所述流体计量***的第二恒定压降，所述第二恒定压降大于所述第一恒定压降。
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