專利名稱：計(jì)量閥的溫度補(bǔ)償?shù)闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料控制，特別是涉及補(bǔ)償燃料溫度改變的燃料控制。
燃料控制器計(jì)量進(jìn)入到燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的燃料量。從理論上講，對于任一速度及進(jìn)口空氣密度為恒定的給定工況，被計(jì)量的燃料重量流量是恒定的。但是，輸送到燃料控制器的燃料的溫度可以變化，一般可從-65°F變化到230°F。這樣的燃料溫度變化會導(dǎo)致燃料密度變化約7%。由于大多數(shù)燃料控制器的計(jì)量閥是恒定容積流量的裝置，所以如果不補(bǔ)償這個密度的變化，就會在重量流量上產(chǎn)生誤差。以往的裝置是按照溫度函數(shù)關(guān)系來調(diào)整沿著燃料控制計(jì)量閥的壓力降，從而來維持燃料的重量流量恒定的。
一些高速軍用飛機(jī)發(fā)動機(jī)有加力裝置(后燃燒室)，在加力裝置中，給渦輪排氣補(bǔ)充加入燃料燃燒，而把從燃?xì)廨啓C(jī)中排出的燃?xì)饧訜岬礁叩臏囟葟亩a(chǎn)生較高的排氣速度以及更大的推力。加力裝置一般是短期使用的，而在較長的階段中是關(guān)閉的。在關(guān)閉階段加力燃燒控制器及其中的燃料溫度會變得很高;但是當(dāng)加力燃燒室工作時，從燃料箱輸送到燃料控制器的燃料溫度又很低。這樣的劇烈溫度變化會引起燃料密度的急劇變化從而引起燃料重量流量的相當(dāng)大誤差。常規(guī)的對于這種變化所提供的補(bǔ)償方法是相當(dāng)緩慢的，當(dāng)這種補(bǔ)償方法開始起作用時，加力燃燒室已經(jīng)關(guān)閉了。
本發(fā)明的目的之一是要對于燃料通過控制器時的密度變化進(jìn)行快速的補(bǔ)償而準(zhǔn)確地控制燃料流經(jīng)那里的重量流量。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是要提供直接補(bǔ)償而不牽涉燃料控制的數(shù)字電子控制器。
按照本發(fā)明，提供了這樣的裝置，它在計(jì)量流體的恒定重量流量的同時能補(bǔ)償上述流體的溫度改變。一個溫度感頭，它感受溫度的改變，當(dāng)流體溫度改變時，它相應(yīng)地改變一定的百分?jǐn)?shù)。一個計(jì)量恒定重量流量的閥，該閥有一組窗口及一個閥芯，閥芯與窗口配合工作來計(jì)量相應(yīng)于溫度感頭變化百分?jǐn)?shù)的流量百分?jǐn)?shù)的改變。
按本發(fā)明的特點(diǎn)，該溫度感頭是由第一個金屬元件及與其同軸的第二個金屬元件所組成的，該第二個金屬元件是布置在第一個金屬元件的周圍，且該第二個金屬元件有一族孔面使被監(jiān)測的流體很容易被第一及第二個金屬元件所感受到。該溫度感頭布置安排在該計(jì)量閥的內(nèi)部，這樣當(dāng)燃料流過燃料控制器時溫度感頭就暴露在流動的燃料之中。由于這樣的位置安排，當(dāng)溫度感頭被量入加力燃燒室時就能直接感受燃料的實(shí)際溫度。
按照本發(fā)明的另一特點(diǎn)，該閥的窗口是特殊形狀的，以保證在那里通過一個對數(shù)關(guān)系的流動。這個形狀能使溫度感頭的一個百分?jǐn)?shù)的改變相應(yīng)產(chǎn)生重量流量百分?jǐn)?shù)的一個改變。
本發(fā)明的種種目的、特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)在下述的一個具體實(shí)施例的詳細(xì)敘述中(并附有說明附圖)將成為更為明確易見。


圖1是個局部剖開的燃料控制器的草圖，它包含了一個按溫度函數(shù)調(diào)整計(jì)量流量裝置的實(shí)施例;
圖2是圖1的計(jì)量套筒閥芯的展開圖;
圖3是圖1的殼的剖視圖;
圖4是圖2的套筒窗口的放大圖。
包括有本發(fā)明的溫度補(bǔ)償感頭12的具體實(shí)施例的燃料控制器10的一部分示于圖1。燃料控制器通常是設(shè)計(jì)來控制供給渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)(未表示于圖)或渦輪噴氣發(fā)動機(jī)(未表示于圖)的加力燃燒室各區(qū)(未表示于圖)燃料的流量及次序的。該燃料控制器通常包括有一個閥殼14、一個計(jì)量閥16、溫度感頭12、一組切斷及壓力調(diào)節(jié)閥18。
計(jì)量閥16靠經(jīng)過管線20及22的切斷及壓力調(diào)節(jié)閥18來調(diào)節(jié)加到加力燃燒室各區(qū)的燃料流量。各個切斷及壓力調(diào)節(jié)閥按要求接通加到加力燃燒室各區(qū)的燃料并且調(diào)節(jié)計(jì)量閥前后的燃料壓力差。(該切斷及壓力調(diào)節(jié)閥并不包括此處公布的本發(fā)明部分)。該計(jì)量閥有一個大致呈圓柱形的閥芯24，閥芯24與圓柱形套筒26是緊密配合且可在其中作往復(fù)運(yùn)動，套筒26是在閥殼14之中。該閥芯有一組孔28(圖2中以虛線表示)，孔28的形狀是和套筒中具有特殊形狀的窗口30的形狀相似的(將在下面討論)。每個在套筒中的窗口通過管線20與切斷及壓力調(diào)節(jié)閥18聯(lián)通。
圓柱形法蘭邊32從閥芯24的左邊部分向外引伸而在套筒26的擴(kuò)大部分34之中。通過管線36及管線38，液壓流體被送到法蘭處而支撐法蘭邊32。一個數(shù)字電子燃料控制器(圖中未表示)控制一個電動液壓閥40，閥40調(diào)節(jié)進(jìn)入到管線36或管線38的液體壓力，這些液體壓力作用在法蘭邊32上且由此作用于閥芯，數(shù)字電子燃料控制器控制電動液壓閥對引起閥芯橫向移動的不平衡加壓。閥芯的橫向運(yùn)動導(dǎo)致窗口及孔之間通孔橫斷面積大小的變化，由此調(diào)節(jié)通往加力燃燒室各區(qū)的燃料量。
溫度補(bǔ)償感頭12是同軸地布置在閥芯24之內(nèi)。該感頭由一個外部殼42、一個桿44及一個反饋裝置46所組成。外殼42及桿44是由不同的金屬所組成的(分別是AMS 5630鋼及一種鎳合金例如INVARTM，這兩種材料都是由紐約的“帕蘭佛無”通用宇航公司(General Aerospace of Plainview)所提供的)，以構(gòu)成一個對溫度敏感的雙金屬元件。雙金屬元件的基本工作原理是一般所熟悉的。該外殼(見圖3)是薄壁空心的，且壁面上開孔，該外殼有五個同軸部分。該外殼有一個大直徑的第一部分44a，用常規(guī)方法與閥芯24連接;第二部分46a是錐形的，它向左向內(nèi)地縮小;第三部分48是圓柱形的，它從第二部分向左引伸;第四部分50是錐形的，它從第三部分向左向內(nèi)縮小;第五部分52是圓柱形的，它從第四部分向左延伸。第五部分的左邊端內(nèi)部有螺紋段54。該外殼有一組孔可使燃料流體浸浴外殼的內(nèi)部及桿。當(dāng)燃料在閥芯中從右向左通過時，燃料的壓力在燃料通過加力燃燒室各區(qū)時而從右向左降低。溫度感頭的形狀在向右方向上，結(jié)構(gòu)厚度基本上是增加的，以維持燃料的壓力在閥芯長度中為恒定。
桿44的第一端有一螺紋部分56，這是為了和外殼42的第五部分52的螺紋段54相配合的。桿的第二端部分58連接到反饋裝置46上，46包含有分析器或線性變量轉(zhuǎn)換器。該桿是裝在閥殼內(nèi)的支承表面60上以作往復(fù)運(yùn)動的。反饋裝置輸送訊號給數(shù)字電子燃料控制器(未表示)。
在套筒內(nèi)采用的窗口30(見圖2及4)是特殊形狀的，即能形成對數(shù)流動關(guān)系的。例如，通常所知的Q＝KA(δPS)0.5
此處Q為發(fā)動機(jī)燃料流量A為計(jì)量閥中流通的窗口面積δP為計(jì)量閥的壓力降S為燃料比重(或密度)K為孔的流量系數(shù)由此可見，燃料流量Q的改變是和燃料密度S的改變有關(guān)的(dO)/(Q) ＝ (dA)/(A) +.5 (dS)/(S)由于希望當(dāng)S改變時維持Q不變，因此(dA)/(A) +.5 (dS)/(S) ＝0或 (dA)/(A) ＝.5 (dS)/(S)由此可見，S改變1%時必須相應(yīng)改變A0.5%才能維持Q不變。
進(jìn)一步分析，溫度感頭的殼和桿對于溫度變化有不同的膨脹率。熟悉這方面技術(shù)的人員都知道，這些元件的結(jié)構(gòu)能保證在溫度變化時沿X軸向提供這樣的微小膨脹差量dxdx＝kdT，而此處k為常值。
而且我們知道，燃料的密度可由下確定S＝aT+C，此處的a是燃料密度隨溫度變化的改變速率，而C是常數(shù)。
同理，燃料的密度改變?yōu)閐S＝adT從上面這些式子中消去dT我們得到
dx＝k (dS)/(a) .
因此我們可以認(rèn)為由于溫度改變而引起的密度改變會產(chǎn)生一個dx。閥芯行程x是如下確定的x＝c ln(Q)，此處c是常數(shù)而dx＝c (dQ)/(Q) 。
因?yàn)?，?dāng)S＝常數(shù)時，(dQ)/(Q) ＝ (dA)/(Q) 于是k (dS)/(a) ＝c (dQ)/(Q) 或k (dS)/(a) ＝c (dA)/(A)所以，行程x的一個百分?jǐn)?shù)改變將會引起一個相應(yīng)的Q或A的百分?jǐn)?shù)改變。由于要求Q為常值，所以需要改變A(窗口面積)。現(xiàn)在，如果在計(jì)量閥16及反饋裝置46之間設(shè)計(jì)合適的dx的數(shù)值，那么，計(jì)量閥將會補(bǔ)償由于溫度變化而引起的燃料密度的變化，而同時具有與燃料流量值大小無關(guān)的燃料流量的一個相對百分?jǐn)?shù)變化。該感頭42提供了這樣的一個dx。
按定義，對數(shù)流動窗口具有下列x及y座標(biāo)(見圖4)x＝clnQx＝c(lnQ-lnQmin)或x＝cln(Q/Qmin)，此處x是窗口長度，且因?yàn)?br> δP＝(Qmin ln(Qmax/Qmin))/(byminxmax)此處b為常數(shù)而δP是已知的。Y按下式由δP推導(dǎo)出來Y＝( (Q)/(Qmin) )Ymin，此處Y是窗口寬度。
在工作中，燃料進(jìn)入計(jì)量閥芯24，閥芯亦是感頭12的浸浴池。桿44及殼42對溫度改變反應(yīng)很敏感，這是由于表面大、殼體薄、殼上有孔使燃料易進(jìn)入到桿處以及感頭處于燃料流內(nèi)這樣的位置。這個反應(yīng)引起桿在閥殼內(nèi)支承面60上移動，由此改變反饋裝置46的位置。該反饋裝置送出一個訊號給數(shù)字電子燃料控制器，數(shù)字電子燃料控制器就送出一個命令給電動液壓閥40，電動液壓閥40調(diào)整管線36及38內(nèi)的流動從而補(bǔ)償了閥芯24。由于窗口30的形狀能保證對數(shù)流動，一定百分?jǐn)?shù)的燃料密度改變能引起窗口30及計(jì)量閥孔28之間的通孔面積改變，從而引起相應(yīng)的百分?jǐn)?shù)的燃料流量改變來補(bǔ)償燃料密度的改變。該數(shù)字電子燃料控制器根本不需要知道實(shí)際的燃料溫度是多少，它只需要知道有否溫度的變化。該溫度感頭12連同那些保證對數(shù)流動的窗口提供了一種快速、簡單、輕便而可靠的裝置。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下溫度感頭是直接處在燃料流之中因而能很快地響應(yīng)(在2到4秒之間);溫度感頭的剛性很好因此在其間沒有任何機(jī)械誤差;不需要知道燃料的實(shí)際溫度。
雖然這里已經(jīng)對本發(fā)明及其有關(guān)的最佳實(shí)施例作了敘述與說明，熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員應(yīng)能理解到前述的其它各種形式及細(xì)節(jié)的改變、省略及補(bǔ)充是完全可能的，而且并沒有超出本發(fā)明的基本精神及范圍。
權(quán)利要求
1.有關(guān)計(jì)量流體的恒定重量流量且同時補(bǔ)償所述流體溫度變化的裝置，其特征包括一個用于感受溫度變化的溫度裝置，所述溫度裝置當(dāng)所述流體溫度改變時改變一定的百分?jǐn)?shù)；一個計(jì)量所述恒定重量流量的閥，所述的閥具有窗口結(jié)構(gòu)；該窗口結(jié)構(gòu)具有橫斷通孔以控制流經(jīng)的所述流體，且所述閥具有一個閥芯；所述的閥芯布置在所述溫度裝置的周圍而用以控制所述通孔面積，以及配合所述溫度裝置一起工作而使當(dāng)所述溫度裝置變化某一百分?jǐn)?shù)時，通過所述的窗口結(jié)構(gòu)的流動橫斷面積也有一個相應(yīng)的百分?jǐn)?shù)的改變，從而維持了恒定的燃料重量流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征還包括用以感受所述溫度裝置的變化百分?jǐn)?shù)以及用以控制所述閥芯的反饋裝置，以使所述閥芯及所述窗口結(jié)構(gòu)配合工作來保證維持所述重量流量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是所述的窗口結(jié)構(gòu)的形狀能通過對數(shù)流動，以使得所述閥芯裝置的某個百分?jǐn)?shù)的移動會引起相應(yīng)的用以通過所述流動的所述通孔面積的某個百分?jǐn)?shù)的增加或減少。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中特征是所述窗口結(jié)構(gòu)的形狀是由下列x-y座標(biāo)確定的X＝cln(Q/Qmin)及Y＝(QQmin)Ymin此處c是常數(shù)，Q是重量流量，ymin由下列方程導(dǎo)出δP＝(Qmin ln(Qmax/Qmin))/(b ymin ymax)此處b是常數(shù)而δP為已知。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征還包括用以感受所述溫度裝置的百分?jǐn)?shù)改變及用以控制所述閥芯裝置的反饋裝置，使所述閥芯裝置及所述窗口結(jié)構(gòu)配合一起工作而改變所述的重量流量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是所述的溫度裝置包括有一個第一元件，它具有第一熱膨脹系數(shù);以及一個第二元件，它包圍所述第一元件的一部分且具有第二熱膨脹系數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征還包括所述第一元件是一根桿;所述第二元件是一個薄且開孔的殼。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征是所述殼的直徑沿著重量流量的方向，即由上游到下游，是增加的。
9.一個雙金屬溫度感頭，它用以校正流體通過時溫度變化的計(jì)量閥，該溫度感頭的特征包括沿軸線布置安排的一根桿，該桿具有第一熱膨脹系數(shù);以及一個開了孔的殼，所述的殼附接于所述閥及所述桿，所述的殼包圍了所述桿的一部分而且該殼具有第二熱膨脹系數(shù)，以使所述桿在所述流體溫度改變時沿所述軸線作往復(fù)運(yùn)動。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的感頭，其特征是所述的殼的直徑沿著流體流量方向，即從上游到下游，是增加的。
全文摘要
這里表明了一個用以校正流經(jīng)燃料控制器(10)的流體重量流量的裝置。一個雙金屬感頭(12)布置安排在計(jì)量閥芯(24)之中以感受燃料流經(jīng)那里時溫度的變化。所饋裝置(46)感受感頭(12)的變化且補(bǔ)償該閥芯(24)。閥芯(24)和在套筒(26)中的特殊形狀窗口(30)配合一起工作，以使溫度的百分比變化引起相應(yīng)的燃料流量的百分比變化，從而補(bǔ)償由于溫度改變而引起的燃料密度(及重量流量)的變化。溫度感頭(12)由桿(44)及開了孔的殼(42)所組成。
文檔編號G01F1/86GK1032840SQ8810730
公開日1989年5月10日 申請日期1988年10月22日 優(yōu)先權(quán)日1987年10月22日
發(fā)明者羅伯特·H·珀金森, 查爾斯·F·斯特恩斯, 勒內(nèi)·F·比朗格 申請人:聯(lián)合工藝公司