ТОПЛИВНЫЙ РАСХОДОМЕР, ИМЕЮЩИЙ УЛУЧШЕННОЕ РЕГУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
FUEL FLOW METER HAVING IMPROVED CONTROLLING DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области регулирования подачи топлива через двигатель, такой как турбинный двигатель самолета. Более конкретно, настоящее изобретение относится к топливному расходомеру, топливо в который подают с помощью насоса, имеющему входное и выходное отверстия, упомянутый топливный расходомер содержит:
дозирующий клапан, имеющий входное и выходное отверстия, упомянутый клапан расположен после выходного отверстия насоса;
обратный контур, соединяющий входное отверстие дозирующего клапана с входным отверстием насоса; и
регулирующее устройство давления, содержащее подвижный элемент клапана, выполненный с возможностью закрывания и открывания обратного контура, поверхность детектирования разности давлений, закрепленную на элементе клапана и разделяющую вдоль оси первую камеру, сообщающуюся с входным отверстием дозирующего клапана, от второй камеры, сообщающейся с выходным отверстием дозирующего клапана, первую пружину, расположенную во второй камере, которая закреплена на поверхности детектирования, таким образом, что она прикладывает осевое усилие к элементу клапана в направлении, которое проявляет тенденцию закрывать обратный контур.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Один такой расходомер 10, который широко известен, показан на Фиг.1. Как известно, топливо в расходомер подают со стороны насоса 12, который подает поток топлива со скоростью большей, чем скорость, требуемая для двигателя. Дозирующий клапан 14 расположен между насосом и инжекторами камеры сгорания.
Такой клапан обеспечивает подачу потока со скоростью Q, которая представляет собой функцию степени, в которой он открыт, и этой степенью открытия управляют с помощью системы клапана регулятора.
Для получения скорости потока, которая зависит, в основном, от степени, с которой открыт дозирующий клапан 14, разность давлений между выходным отверстием 14b и входным отверстием 14a дозирующего клапана должна поддерживаться постоянной на заданном значении или, по меньшей мере, в пределах ограниченного диапазона. Эту роль выполняет регулирующее устройство 16 регулятор, обычно называемое клапаном "дельта-P".
С этой целью регулирующее устройство 16 имеет две функции: его первая функция состоит в детектировании вариаций давления между выходным отверстием и входным отверстием дозирующего клапана 14. Эту первую функцию выполняют с помощью поверхности 18 детектирования, которая состоит в данном примере из диафрагмы и первой пружины 20, при этом диафрагма выполнена с возможностью движения вдоль оси под действием силы первой пружины, если разность давлений больше, чем упомянутое выше заданное значение.
В этом случае элемент 24 клапана открывает обратный контур 22, обеспечивая, таким образом, протекание топлива из входного отверстия в дозирующий клапан 14a обратно к входному отверстию 12a насоса 12, или увеличивает скорость обратного потока, уменьшая, таким образом, скорость потока через дозирующий клапан 14. В результате, разность давлений между выходным отверстием и выходным отверстием дозирующего клапана уменьшается до тех пор, пока не достигнет заданного значения, приводя, таким образом, к закрыванию элемента 24 клапана под действием первой пружины 20.
Установлено, что регулирующее устройство 16 первоначально калибруют таким образом, чтобы обратный контур 22 оставался закрытым с помощью элемента 24 клапана до тех пор, пока разность давлений не станет ниже заданного значения.
Таким образом, регулирующее устройство поддерживает практически постоянную разность давлений (равную заданному значению) между выходным отверстием и входным отверстием измерительного клапана.
Также определено, что действие элемента 24 клапана обычно является последовательным, обеспечивая, таким образом, то, что элемент 24 клапана занимает равновесное положение.
Недостаток такого расходомера возникает в случае повреждения диафрагмы. Следует понимать, что, если диафрагма будет проколота или если она больше не обеспечивает герметичное уплотнение между первой и второй камерами, больше не будет разности давлений между первой и второй камерами регулирующего устройства, и, в результате, сила, прикладываемая к элементу клапана, становится равной исключительно силе, прикладываемой первой пружиной. Это приведет к тому, что обратный контур 22 будет закрыт, и приведет к существенному и нежелательному увеличению скорости, с которой топливо подают в двигатель.
СУЩЕСТВО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы устранить этот недостаток путем создания улучшенного топливного расходомера, в котором регулирующее устройство продолжает поддерживать постоянную разность давлений даже в случае повреждения поверхности 18 детектирования.
Согласно изобретению задача решена тем, что регулирующее устройство дополнительно содержит поршень, разделяющий вдоль оси вторую камеру от третьей камеры, соединенной с выходным отверстием измерительного клапана, упомянутый поршень включает в себя соединительный элемент, выполненный с возможностью взаимодействия с элементом клапана, вторую пружину, размещенную в третьей камере так, что она прикладывает осевое усилие к поршню, чтобы удерживать поршень отсоединенным от элемента клапана, регулирующее устройство также включает в себя канал, через который вторая камера сообщается с третьей камерой.
Таким образом, в случае разрушения поверхности детектирования, давление в первой камере становится равным давлению во второй камере. В результате, элемент клапана начинает закрывать обратный контур. Топливо затем протекает через канал, который затем действует как сопло, создавая потерю напора между второй камерой и третьей камерой.
Предпочтительно, но не обязательно, поверхность детектирования разности давлений выполнена как гибкая диафрагма. В равной степени возможно использовать сильфон или любую другую эквивалентную поверхность.
Движением поршня управляют как функцией, в частности, разности давлений между третьей камерой и второй камерой, при этом разность соответствует, в частности, разности давлений между выходным отверстием дозирующего клапана и входным отверстием в дозирующий клапан.
Когда разность давлений становится больше, чем новое заданное значение, в зависимости от жесткости и предварительной нагрузки второй пружины, поршень движется в направлении третьей камеры детектирования, преодолевая силу второй пружины, до тех пор, пока соединительный элемент не входит в контакт с элементом клапана, после чего поршень продолжает двигаться, перемещая за собой элемент клапана. В результате, обратный контур открывается, и разность давлений между выходным отверстием и входным отверстием дозирующего клапана уменьшается. Таким образом, можно понимать, что регулирующее устройство расходомера, в соответствии с изобретением, поддерживает эту разность давлений постоянной, несмотря на повреждение диафрагмы. В таких обстоятельствах именно поршень, две пружины, канал и элемент клапана действуют, предпочтительно, как аварийное регулирующее устройство.
Во время нормальной работы диафрагмы, поршень не движется, и канал позволяет обеспечить то, что давление в области второй пружины соответствует давлению топлива в выходном отверстии измерительного клапана. Элемент клапана затем может свободно перемещаться относительно поршня в соответствии с тем же принципом, как в расходомере предшествующего уровня техники.
В предпочтительном, но неисключительном варианте осуществления элемент клапана устанавливают на конце кожуха скольжения, который проходит вдоль оси в пределах второй камеры, при этом первая пружина размещена внутри кожуха и удерживается на ее противоположном конце от элемента клапана с помощью регулируемого штока, который продолжается между второй камерой и третьей камерой.
Регулирующий шток обеспечивает возможность регулирования предварительной нагрузки пружины и, таким образом, обеспечивает возможность регулирования значения разности давлений, которое требуется поддерживать на дозирующем клапане.
Предпочтительно, формирующий сопло канал сформирован в регулирующем штоке. Однако возможно сформировать такой канал в поршне, в корпусе или в любом другом элементе, который расположен смежно с камерой 26 и камерой 30.
В варианте выполнения канал расположен таким образом, что он закрыт поршнем, когда поршень соединен с кожухом. Следует понимать, что, когда канал закрыт, топливо больше не протекает между первой и второй камерами.
Одно преимущество состоит в том, чтобы исключить подачу нежелательного дополнительного потока топлива в двигатель из-за подачи топлива через путь, параллельный дозирующему клапану 114.
В другом варианте выполнения канал имеет первое сечение и второе сечение, большее, чем первое сечение, таким образом, что топливо протекает через первое сечение, когда поршень не соединен с кожухом, в то время как топливо протекает через второе сечение, когда поршень соединен с кожухом.
В качестве примера, предпочтительно можно увеличить скорость потока таким образом, чтобы система, управляющая измерительным клапаном, могла детектировать неисправность диафрагмы. Соответствующий выбор размеров поршня, жесткости и предварительной нагрузки второй пружины 164 затем обеспечивает возможность регулирования разности давлений на дозирующем клапане до того же значения независимо от состояния диафрагмы. Расходомер затем обеспечивает подачу с той же скоростью потока, независимо от состояния диафрагмы. Однако в случае повреждения диафрагмы конструктор должен предусмотреть повышение скорости потока управляемым образом, так что возникает эффект в устройстве, потребляющем дозируемое топливо, но чтобы этот эффект не был опасным для устройства.
Таким образом, предпочтительно пилот может быть предпочтительно проинформирован о том, что разность давлений теперь регулируется кожухом, элементом клапана, первой пружиной и второй пружиной.
В предпочтительном варианте поршень может быть выполнен в форме ползуна, и соединительный элемент содержит выступы, выполненные с возможностью взаимодействия с опорной поверхностью кожуха так, чтобы обеспечить возможность перемещения кожуха вдоль оси и открывать обратный контур, когда поверхность детектирования повреждена. Функцию первой и второй пружин выполняет упругий элемент.
Когда поверхность детектирования не повреждена, соединительный элемент не взаимодействует с элементом клапана. Другими словами, поршень не перемещает элемент клапана, и он является полностью пассивным.
Изобретение также обеспечивает топливный контур для турбинного двигателя, причем этот контур включает в себя насос и расходомер топлива в соответствии с изобретением.
И, наконец, изобретение обеспечивает турбинный двигатель, включающий в себя топливный контур в соответствии с изобретением.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет более понятным и его преимущества будут лучше видны из нижеследующего описания варианта осуществления, представленного в качестве неограничительного примера, со ссылками на чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает расходомер топлива известного уровня техники, имеющий неповрежденную поверхность детектирования разности давлений, элемент клапана, находящийся в открытом положении;
Фиг.2 изображает расходомер по Фиг.1, когда поверхность детектирования разности давлений пробита;
Фиг.3 изображает вариант осуществления топливного расходомера в соответствии с изобретением во время нормальной работы, с элементом клапана в закрытом положении;
Фиг.4 изображает расходомер по Фиг.3 во время нормальной работы, с элементом клапана в открытом положении;
Фиг.5 изображает расходомер по Фиг.3, когда возникает трещина в поверхности детектирования разности давлений, элемент клапана, находящийся в закрытом положении, до перемещения поршня;
Фиг.6 изображает расходомер по Фиг.5 при пробитой поверхности детектирования разности давлений, с элементом клапана в закрытом положении и поршнем в положении регулирования;
Фиг.7 изображает разновидность расходомера по Фиг.4, с поршнем, не соединенным с кожухом;
Фиг.8 изображает расходомер по Фиг.7, когда поршень соединен с кожухом.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1, на которой показан расходомер топлива предшествующего уровня техники, была частично описана выше во вводной части описания. При этом указано, что насос соединен с топливным баком R, и что регулирующее устройство 16 имеет первую камеру 26, сообщающуюся с обратным контуром 22. Такая связь предпочтительно осуществляется через отверстие 28, сформированное перед элементом 24 клапана.
Во время нормальной работы первая камера определена, в частности, поверхностью детектирования 18, в частности, гибкой диафрагмой, таким образом, что давление в первой камере равно давлению на входе 14a в дозирующий клапан 14.
Регулирующее устройство предшествующего уровня техники также включает в себя вторую камеру, которая определена диафрагмой 18 и которая сообщается с выходным контуром 32, который соединяет выходное отверстие 16b регулирующего устройства с выходным отверстием 14b дозирующего клапана 14. Таким образом, следует понимать, что давление топлива во второй камере равно давлению в выходном отверстии 14b дозирующего клапана 14.
Сопло 30a, в случае необходимости, может быть установлено в выходном контуре 32, для того чтобы демпфировать движения элемента клапана.
Ссылочная позиция Q обозначает скорость потока топлива, вытекающего из клапана. Она соответствует скорости потока, с которой топливо подают в инжекторы двигателя (не показан).
На Фиг.1 элемент 24 клапана открыт, поскольку разность давлений, детектируемая диафрагмой 18, больше, чем заданное значение, установленное в результате регулировки первой пружины 20. В результате и как пояснялось выше, избыточное топливо, подаваемое насосом, возвращается к входному отверстию насоса через обратный контур 22.
В случае повреждения диафрагмы 18, некоторое количество топлива, поступающее из насоса, может свободно протекать через проколотую диафрагму во вторую камеру 30 и затем в выходное отверстие 14b расходомера через отверстие 30a. Разность давлений между первой и второй камерами при этом становится равной нулю или очень малой, поэтому элемент клапана остается в закрытом положении независимо от давления, приложенного к входному отверстию. Обратный контур закрыт. В результате, общий поток топлива, выходящего из насоса 12, поступает к выходному отверстию расходомера, либо через клапан 14, или через регулирующее устройство 16 таким образом, как описано выше. Таким образом, регулирующее устройство 16 с "постоянным дельта-P" больше не выполняет свою функцию, и разность давлений на клапане 14 больше не является постоянной. Это означает, что скорость потока, задаваемая расходомером, не меняется, как функция степени, с которой открыт дозирующий клапан 14 в вариантах применения с ожидаемой взаимосвязью, что противоречит основной функции расходомера. Обычно, но не исключительно, скорость потока при этом выше, чем она могла бы быть, если бы диафрагма не была пробита.
Далее, со ссылкой на Фиг.3-6, следует более подробное описание топливного расходомера 110 в соответствии с настоящим изобретением.
На этих чертежах можно видеть топливный контур 99, включающий в себя топливный расходомер 110 в соответствии с изобретением, топливо в который подают от насоса 112 и который включает в себя дозирующий клапан 114, связанный с регулирующим устройством 116.
Как можно видеть на этих чертежах, топливный расходомер 110 отличается от расходомера предшествующего уровня техники тем, что регулирующее устройство 116 также включает в себя поршень 150, действующий как ползун, выполненный с возможностью движения вдоль оси А первой пружины 120, эта ось также представляет собой ось, вдоль которой может перемещаться элемент 124 клапана.
Поршень 150 отделяет вторую камеру 130 от третьей камеры 152, которая соединена с контуром 132 выходного отверстия. Следовательно, давление топлива в третьей камере 152 равно давлению в выходном отверстии 114b измерительного клапана.
Поршень 150 содержит цилиндрический корпус 150a, который проходит вдоль оси в направлении элемента 124 клапана от стенки 150b поршня.
В соответствии с изобретением, третья камера соединена со второй камерой через канал 154, который сформирован, например, в регулировочном штоке 156, который проходит вдоль оси A. Определено, что регулировочный шток 156 установлен с возможностью вращения на корпусе 158 регулирующие устройства 116. Такой шток 156 имеет первый конец 156a, который формирует винт и выступает за пределы корпуса 158, и второй конец 156b, на котором закреплен один конец первой пружины 120. Как и в предшествующем уровне техники, другой конец первой пружины соединен с гибкой диафрагмой 118 и с элементом 124 клапана. Это устройство используется для регулирования предварительного напряжения первой пружины 120 в результате перемещения вдоль оси конца пружины. В неисключительном примере, описанном здесь, шток 156 завинчивают в корпус 158, в результат чего обеспечивается модификация осевого положения конца пружины 120 и, таким образом, обеспечивается модификация ее предварительного напряжения. Более точно, первая пружина 120, предпочтительно, установлена в кожухе 160, который выполнен с возможностью движения вдоль оси A, при этом на одном из ее концов установлен элемент 124 клапана.
В кожухе 160 предусмотрены отверстия 160a, которые обеспечивают протекание топлива через регулирующее устройство.
На Фиг.3 можно также видеть, что цилиндрический корпус 150a удерживается вдоль оси относительно стенки 162 корпуса 158, причем стенка 162 продолжается поперечно оси A, с помощью второй пружины 164, которая продолжается вдоль оси в третьей камере между корпусом 158 и цилиндрическим корпусом 150a. Вторая пружина предпочтительно расположена вокруг регулировочного штока 156.
В этом положении, которое называется положением покоя поршня 150, можно видеть, что первый конец 154a канала 154 выходит во вторую камеру, в то время как второй конец 154b канала выходит в третью камеру 152 таким образом, что обе камеры находятся под одним и тем же давлением.
Участок канала 154, в случае необходимости, может быть определен конструктивно таким образом, чтобы он демпфировал движения элемента 124 клапана, как сопло 30a в предшествующем уровне техники.
Также установлено, что когда поршень находится в своем положении покоя, кожух может свободно скользить относительно поршня 150. В частности, кожух скользит внутри цилиндрического корпуса 150a. Кроме того, вторая пружина 164 имеет такие размеры, что поршень остается в положении покоя, когда диафрагма не повреждена.
Таким образом, при отсутствии повреждения диафрагмы 118, регулирующее устройство 116 в соответствии с изобретением работает так же, как устройство предшествующего уровня техники.
На Фиг.3 разность давлений топлива на дозирующем клапане 114 (то есть между выходным отверстием 114b и входным отверстием 114a) меньше, чем заданное значение, так, что разность давлений недостаточна для компенсации силы, прикладываемой первой пружиной на элемент 124 клапана. Элемент клапана, таким образом, остается в закрытом положении и закрывает обратный контур.
На Фиг.4 разность давлений топлива на дозирующем клапане 114 равна или больше, чем заданное значение, так что разность давлений, действующая на диафрагму 118, генерирует силу, которая равна или больше, чем сила, прикладываемая первой пружиной 120, таким образом, что элемент 124 клапана открывается. Топливо может затем протекать в обратный контур 122, снижая таким образом разность давлений.
Следует понимать, что при нормальной работе топливного расходомера, то есть, когда диафрагма 118 не проколота, поршень 150 и вторая пружина 164 не играют никакой роли при регулировании разности давлений.
Далее, со ссылкой на Фиг.5 и 6, следует пояснение, как регулирующее устройство работает в случае повреждения диафрагмы 118.
По разным причинам диафрагма 118 может изнашиваться, и, следовательно, в ней может образовываться одно или больше отверстий, так что первая камера становится связанной по потоку протекающего флюида со второй камерой. Такой случай показан на Фиг.5 и 6. При этом больше нет разности давлений между первой и второй камерами таким образом, что первая пружина 120 переводит элемент клапана в его закрытое положение, как показано на Фиг.5.
Как можно видеть на Фиг.5, когда диафрагма проколота, топливо может протекать через диафрагму и затем через первую, вторую и третью камеру по каналу 154.
Канал предпочтительно имеет меньший диаметр, чем диаметр второй камеры, таким образом, что канал 154 действует, как сопло, которое формирует потерю напора между второй камерой и третьей камерой. Это приводит к разности давлений между этими двумя камерами, которые разделены поршнем, при этом давление во второй камере выше, чем давление в третьей камере.
Если разность давлений будет достаточной для генерирования силы F на поверхности поршня, которая больше, чем сила, прикладываемая к стенке поршня вторым поршнем 164, тогда поршень движется вдоль оси к третьей камере 152.
Как можно видеть на Фиг.6, на поршне 150, образующем ползун, предусмотрен соединительный элемент 170 для механического соединения ползуна с кожухом. Такой соединительный элемент 170 имеет выступы 172, которые продолжаются радиально в направлении оси А от одного конца корпуса поршня. Конец кожуха, который продолжается внутри корпуса поршня, имеет опорную поверхность 174, которая сформирована одним или больше радиальными выступами, которые выполнены с возможностью взаимодействия с выступами 172 корпуса поршня во время осевого движения поршня.
На Фиг.6 можно видеть, что когда сила, генерируемая разностью давлений на дозирующем клапане, становится больше, чем сила, прикладываемая второй пружиной 164, поршень движется вдоль оси в направлении третьей камеры. Во время этого движения выступы 172 корпуса поршня входят в осевой контакт с опорной поверхностью 174, после чего поршень 150 увлекает за собой кожух и элемент клапана в направлении третьей камеры. Элемент клапана затем переводится в его открытое положение, открывая, таким образом, обратный контур 122.
Таким образом, поршень 150 и пружины 120 и 164, во взаимодействии с элементом 124 клапана, обеспечивают возможность регулирования разности разности давлений топлива несмотря на повреждение диафрагмы.
Это исключает неконтролируемое повышение скорости, при которой топливо подают в инжекторы и неконтролируемую модификацию взаимосвязи между измеряемой скоростью потока и степенью, в которой открывается клапан 114, как это обычно происходит в случае повреждения диафрагмы расходомера предшествующего уровня техники.
Кроме того, в данном примере, движение поршня сопровождается тем, что второй конец 154b канала 154 закрывается. Это используется для устранения другой причины повышения скорости потока, подаваемого в двигатель, благодаря закрыванию части канала передачи топлива между насосом 112 и инжекторами.
Не выходя за пределы сущности изобретения, канал может быть выполнен таким образом, что он никогда не закрывается поршнем, при условии, что определенная скорость утечки через канал остается приемлемой.
В варианте, показанном на Фиг.7 и 8, канал 154' имеет первое сечение S1 и второе сечение S2, большее, чем первое сечение S1.
Как можно видеть на Фиг.7, первое сечение S1 определено между головкой 156a регулирующего штока и кромкой отверстия 150с, сформированного в поршне.
Следовательно, когда поршень не соединен с кожухом 160, топливо протекает через канал 154', через первое сечение S1.
Как можно видеть на Фиг.8, второе сечение S2 определено между нижней частью плоской поверхности 156b, сформированной в корпусе штока 156.
Можно ясно видеть, что присутствие плоской поверхности 156b обеспечивает возможность получения второго сечения S2, которое больше, чем первое сечение S1.
Когда поршень находится в соединенном положении на Фиг.8, кромка отверстия 150с в поршне обращена к плоской поверхности 156b, что обеспечивает возможность протекания топлива через сечение S2.
Это генерирует калиброванную избыточную скорость Q' потока, которая добавляется к скорости Q потока, выходящего из измерительного клапана 114.
Такая избыточная скорость потока может, например, составлять 15 литров в час (л/ч), если скорость потока, выходящего из дозирующего клапана, составляет приблизительно 300 л/ч. Такая избыточная скорость потока калибрована, поэтому она исключает возникновение каких-либо проблем при регулировании, выполняемом дозирующим клапаном, но тем не менее является детектируемой.
Такая избыточная скорость Q' потока детектируется тем фактом, что система регулирования дозирующего клапана имеет модифицированную взаимосвязь регулирования.
Присутствие скорости Q" потока на входе инжекторов, которая больше, чем скорость Q потока, которая обеспечивается исключительно дозирующим клапаном, требует, чтобы система регулирования уменьшила скорость потока, подаваемого в дозирующий клапан для возврата к скорости Q потока подачи, в то время как диафрагма работает нормально. Такое различие является немедленно детектируемым, в результате чего пилот может быть проинформирован о том, что поверхность детектирования разности давлений повреждена.