離心式泵送和計量系統(tǒng)中的變排量泵的流體力學式壓力補償控制裝置及相關(guān)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本示例性實施方式涉及一種泵系統(tǒng)，并且更具體地涉及一種包括高速離心泵和變排量泵的系統(tǒng)。其特別是與燃料計量系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用，并且將特別參照燃料計量系統(tǒng)來進行說明。但要了解的是，本示例性實施方式也可適用于其它相似的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]通常，由于與動力消耗有關(guān)的益處，在泵系統(tǒng)中期望有高速離心泵。此外，離心泵通常是重量輕的，被認為具有長的壽命，具有有限的壓力脈動，并且通常有利于多種下游用途。當嘗試結(jié)合與例如航空器發(fā)動機應(yīng)用相關(guān)的燃料泵采用高速離心泵技術(shù)時，需要注意某些條件。發(fā)動機起動是其中一項，因為高速離心泵在發(fā)動機速度上升到特定水平之前不提供起動所需的升高的燃料壓力。因此，需要發(fā)動機以較低的驅(qū)動速度起動。但是，如果發(fā)動機起動是唯一關(guān)心的參數(shù)，則泵系統(tǒng)會為了泵運轉(zhuǎn)狀態(tài)(即，惰轉(zhuǎn)、巡航、爬升等)的平衡而變得過大。大型泵又產(chǎn)生一系列與對系統(tǒng)的熱沖擊有關(guān)的系統(tǒng)問題。同樣，在設(shè)計有效的燃料泵系統(tǒng)時必須解決尺寸約束和重量問題。
[0003]因此，常常將變排量泵結(jié)合到泵系統(tǒng)中，以應(yīng)對離心泵在低發(fā)動機速度下產(chǎn)生的低壓力。變排量泵在發(fā)動機起動時提供附加的要求壓力和流量。除了使用變排量泵送級來提供發(fā)動機起動(即滿足發(fā)動機起動需求)之外，變排量泵在其它用途有需求時同樣輸送超過由離心級輸送的最大壓力的壓力。
[0004]為了提供精確計量的流量，并且減壓至下游所需的水平，離心泵和計量系統(tǒng)基于由離心泵和節(jié)流式計量系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力而工作。但是，為使變排量泵在節(jié)流式計量系統(tǒng)中工作，必須對變排量泵進行壓力補償。這將允許離心泵在低速下與由變排量泵提供的附加壓力和流量結(jié)合以滿足起動需求。此外，變排量泵隨后能有利地用于，一旦離心泵已達到最高速度和最大壓力輸出并且需要附加輸出，便提供高于離心泵輸出的排出壓力的升壓。
[0005]因此，存在對以經(jīng)濟、有效、緊湊、簡單、自動、壓力補償且適合一個或多個計量環(huán)路的方式為包括離心泵和節(jié)流式計量系統(tǒng)的泵單元提供附加的系統(tǒng)容量(和相關(guān)方法)的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]一種泵單元包括供給加壓流的變量泵(可變泵)和高速離心泵單元。燃料控制組件從泵單元接收流并且包括至少一個計量閥和從所述計量閥接收流的至少一個節(jié)流閥。用于所述變量泵的控制裝置接收指示至少跨所述節(jié)流閥的壓力差的第一和第二信號，以響應(yīng)于所述壓力差而改變所述變量泵的操作。
[0007]所述第一和第二信號可指示跨所述計量閥和所述節(jié)流閥的組合的壓力差。
[0008]在一種優(yōu)選設(shè)置中，所述控制裝置為流體力學式(液壓液力式，hydromechanical)壓力補償組件，且所述第一和第二信號為壓力信號。
[0009]如果存在多于一個節(jié)流閥，則所述控制裝置對具有最低差壓的節(jié)流閥(或計量閥/節(jié)流閥組合)作出響應(yīng)。
[0010]在最低差壓下，僅所述離心泵向所述燃料控制組件提供壓力。
[0011 ] 在較高差壓下，所述控制裝置命令所述變量泵產(chǎn)生最低排量輸出。
[0012]如果所述差壓變得低于所述最低差壓，則所述控制裝置發(fā)出信號以使所述變量泵增大排量并提供充分的壓力以維持跨所述節(jié)流閥或計量閥/節(jié)流閥組合的最低壓力水平。
[0013]在一種優(yōu)選設(shè)置中，所述變量泵為具有自由旋轉(zhuǎn)的凸輪環(huán)的變排量泵，且所述變量泵和所述離心泵以不同的相對轉(zhuǎn)速被驅(qū)動(例如，所述變量泵在一個實施例中以所述離心泵的轉(zhuǎn)速的約50%被驅(qū)動，并且可被共軸地驅(qū)動)。
[0014]在一種改型中，設(shè)置有導流器(inducer)級，并且所述導流器級以降低的轉(zhuǎn)速被驅(qū)動以操作性地改善所述離心泵的入口性能特性。
[0015]一種操作泵組件的方法包括提供泵單元，所述泵單元包括供給加壓流的變量泵和高速離心泵。所述方法還包括提供燃料控制組件，所述燃料控制組件從所述泵單元接收流并且包括至少一個計量閥和從所述至少一個計量閥接收流的至少一個節(jié)流閥。所述方法還包括監(jiān)測至少跨所述節(jié)流閥的壓力差并且響應(yīng)于所述壓力差而控制所述泵單元的操作。
[0016]所述方法還包括從所述節(jié)流閥的上游或所述計量閥和所述節(jié)流閥組合的上游接收傳送到所述燃料控制組件的第一壓力信號并從所述節(jié)流閥或所述計量閥/節(jié)流閥組合的下游接收第二壓力信號。
[0017]所述方法包括使用所述信號來流體力學式地改變所述泵單元的操作的步驟。
[0018]在一個實施例中，所述方法包括使用變排量環(huán)泵(ring pump)作為所述變量泵并允許其凸輪環(huán)自由旋轉(zhuǎn)以減小粘滯拖阻(viscous drag) ο
[0019]所述方法包括使用以降低的轉(zhuǎn)速被驅(qū)動的導流器來操作性地改善所述離心泵的入口性能特性。
[0020]主要益處是在泵單元中補充離心泵輸出的能力。
[0021]一個優(yōu)點在于結(jié)合了變排量泵送級以在期望時提供發(fā)動機起動和升高的壓力。
[0022]理想而言，所述變排量泵僅在必要時自動接合。
[0023]此外，所述變排量泵優(yōu)選經(jīng)由流體力學壓力來控制。
[0024]通過閱讀并理解以下詳細描述，本發(fā)明的其它優(yōu)點和益處將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0025]圖1是處于單計量環(huán)路構(gòu)型的泵組件的示意圖。
[0026]圖2是處于多計量環(huán)路構(gòu)型的泵組件的示意圖。
[0027]圖3是向致動控制模塊和燃料計量單元提供加壓流體的泵單元的系統(tǒng)示意圖。
【具體實施方式】
[0028]圖1是泵送和計量系統(tǒng)100的示意圖，并且特別代表單計量環(huán)路。系統(tǒng)100包括泵單元110，例如用于航空器發(fā)動機的燃料泵，該泵單元如參考標號112所示從上游源(未示出)接收流體并且將加壓流體114輸送到控制用于一個或多個下游用途(如參考標號122所示)的流體的下游燃料控制裝置120。在最廣泛的意義上，燃料控制裝置120包括計量閥130和節(jié)流閥140。
[0029]計量閥130從泵單元110接收加壓流體114并將加壓流體150向下游計量供給或輸送到節(jié)流閥140。泵單元110，典型地為用作用于例如航空器發(fā)動機的燃料泵的泵單元，由于在【背景技術(shù)】中指出的原因而包括離心泵。如上文進一步所述，還期望另外使用變排量泵以補充/提供特定條件所需的壓力和流量。為了在該系統(tǒng)中使用變排量泵，必須對變排量泵進行壓力補償，以與離心泵所需的節(jié)流式燃料計量單元一起工作。
[0030]一種用于變排量泵的控制方法是設(shè)定壓力補償水平。一個問題在于該水平必須被設(shè)定在系統(tǒng)所需的最高水平之上。盡管該預(yù)先選擇的壓力補償水平效果良好，但在變排量泵工作時系統(tǒng)功率消耗過大。因此，需要具有可變壓力補償水平。
[0031]圖1示意性地表示響應(yīng)于變化的壓力而改變變排量泵的操作的控制方法。更具體地，第一信號或第一壓力信號160以位于計量閥130的下游且位于節(jié)流閥140的上游的位置處的流體150的壓力為基準。第一壓力信號160返回泵單元110，并且更具體地與泵單元的同變排量泵操作性地相關(guān)聯(lián)的控制部通信。此外，第二信號或第二壓力信號170指示節(jié)流閥140的下游的加壓流體的壓力。第二壓力信號170同樣返回泵單元110，并且更具體地返回泵單元的與變排量泵相關(guān)聯(lián)的控制部。第一壓力信號160和第二壓力信號170感測跨節(jié)流閥140的壓力差或壓降，或感測跨計量閥/節(jié)流閥組合的壓力差。在該系統(tǒng)100中允許一最低差壓，且這種情況下僅離心泵產(chǎn)生升壓。如果差壓變得低于該最低值，則用于變排量泵的控制信號160、170增大排量，以提供足夠的壓力來維持跨節(jié)流閥140的最低壓力水平。因而，該設(shè)置和相關(guān)的控制方法提供了可變壓力補償水平。該設(shè)置確保了始終保持下游壓力需求并且將系統(tǒng)功率水平維持在最低。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還將了解的是，在較高的壓力差下，由于離心泵滿足系統(tǒng)需求而將變排量泵命令為最低排量。
[0032]圖2是與結(jié)合圖1所述的系統(tǒng)100基本上相似并且增加了多個節(jié)流閥的泵送和計量系統(tǒng)200的示意圖。出于簡潔和易于參考的目的，“200”系列中的相似參考標號將指代“100”系列中的相似要素，并且將使用新的參考標號來指代新的組成部分。同樣，上文結(jié)合圖1對各組成部分及其操作的描述適用于圖2的各組成部分和系統(tǒng)，除非另外指出。例如，圖2中的泵單元210對應(yīng)于圖1中的泵單元110。燃料控制裝置220包括多個計量閥230a，230b，”.230η和類似地與相應(yīng)計量閥協(xié)作的數(shù)量相同的節(jié)流閥240a，240b...240 η。在圖2的系統(tǒng)中，具有最低差壓的節(jié)流閥(或計量閥/節(jié)流閥組合)用來向泵單元210且更具體地向與泵單元的變排量泵相關(guān)聯(lián)的控制裝置提供第一壓力信號260和第二壓力信號270。因而，選擇裝置(或一系列選擇閥)280用作比較器，以使得最終將最低壓降傳送到泵單元210。
[0033]當跨節(jié)流閥240的壓降或壓力差高時，可能不需要由變排量泵提供的附加壓力。在另外的情形(如發(fā)動機起動或高速離心泵無法提供全部期望壓力的其它系統(tǒng)操作)中，高速離心泵的輸出由變排量泵來補充，以滿足系統(tǒng)需求。更重要地，使變排量泵操作的水平現(xiàn)在是可變的，即不僅僅為“開”或“關(guān)”，并且可變操作是流體力學式地響應(yīng)于對下游的壓力狀況的監(jiān)測，亦即監(jiān)測跨一個或多個節(jié)流閥240或計量閥/節(jié)流閥組合的壓力變化。
[0034]圖3是泵送和計量系統(tǒng)200的又一示意圖，示出了在圖1和2中更大體性地示出的組成部分的其它一些細節(jié)。例如，泵單元210包括由接納有葉輪302的殼體300表示的高速離心泵。在通向離心泵300的入口處可設(shè)置有導流器304，以提高入口性能、特別是例如在發(fā)動機起動時遇到的低速下的性能。驅(qū)動軸306向葉輪302提供旋轉(zhuǎn)輸入。變排量泵308也由驅(qū)動軸