具有包括离心式空气/燃料分离器的液环泵的燃料系统 |
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申请号 | CN201480044660.8 | 申请日 | 2014-08-07 | 公开(公告)号 | CN105531483A | 公开(公告)日 | 2016-04-27 |
申请人 | 伍德沃德公司; | 发明人 | A·W·米勒; D·巴雷什尼科夫; | ||||
摘要 | 增压 泵 单元(110)包括 液环泵 (116)和空气/ 燃料 分离器(118),所述空气/燃料分离器具有进口(124)以及第一出口端(126)和第二出口端(130)。分离器的进口(124)被可操作地 流体 联接到液环泵(116)的出口。空气/燃料分离器(118)具有弧形流动路径(132),第一出口端(126)与弧形流动路径(132)的径向外部流体连通,以及第二出口端(130)与弧形流动路径(132)的径向内部流体连通。被连接到第一出口端(126)的返回管线(120)被配置以使燃料返回到液环泵(116)。本 发明 还公开了一种燃料系统和一种泵送燃料的方法。 | ||||||
权利要求 | 1.一种用于飞行器燃料系统的增压泵单元,包括: |
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说明书全文 | 具有包括离心式空气/燃料分离器的液环泵的燃料系统技术领域背景技术[0002] 在旋翼飞行器中,发动机通常被安装在飞行器的顶部中,而燃料罐通常被定位在底部中。在操作期间,发动机主燃料泵必须将燃料从罐中提升。作用在燃料上的重力和惯性力将被安装在发动机上的燃料泵的进口处的压力显著地降低到低于罐中的燃料压力,导致对于泵抽吸而言的不利状况。当飞行器在一定海拔飞行并且外界空气和罐的压力下降时,燃料压力进一步降低。发动机燃料增压泵必须具有优秀的抽吸能力以能够将燃料以非常低的进口压力从进口管线引入。除了这个效果以外,燃料压力的迅速降低,通常溶解在燃料中的空气发生变化并且以气泡的形式向泵行进。因此,燃料泵除了其将燃料以非常低的压力引入的能力之外,必须还能够将具有高空气含量的空气燃料混合物引入。 [0003] 对于一些旋翼飞行器应用而言,进口管线几何尺寸和操作状况起作用以将气泡从燃料流中分离,形成空气和燃料的非均质混合物,所述非均质混合物能够呈现间断的气泡或相对较大气泡的形式。增压泵若要满足这些空气处理要求,增压泵必须能够将空气压缩。此外,增压泵必须被结合到燃料系统中,所述燃料系统能够存储被压缩的气泡并且能够防止所述气泡到达通向主燃料泵的进口。 [0004] 对于旋翼飞行器中的被安装在发动机上的燃料泵而言的另一个挑战是在最初发动机启动期间的抽吸。存在多个因素能够使得进口燃料管线在发动机启动之前没有燃料,诸如最初(全新)发动机启动,在任何发动机燃料系统部件替换之后的启动,或进口燃料管线中的轻微泄漏。许多旋翼飞行器不包括任何特殊设备以将管线填充燃料并且协助泵抽吸。因此,被安装在发动机上的燃料泵必须能够在发动机启动期间、包括当进口燃料管线为空的情况下自行抽吸。 [0005] 先前的系统已在增压泵中应用离心式和再生式推进器。这两种推进器样式均已限制为不能将在进口处的气泡压缩到下游的腔室中并且从而不能泵送空气和燃料的非均质混合物并且是非自吸式的。 [0007] 当在液环泵中泵送空气时,离心力将燃料和空气(或在低抽吸压力的情况下为蒸气)分离。较重的燃料颗粒被甩到外径处,而气泡被收集在靠近推进器轮毂处。由于在外径处的渠道中的压力大于在内部轮毂处的压力而形成压力梯度。排放端口被定位在靠近轮毂处,远离液体环。 [0008] 空气和燃料的分离是不完美的,以及一些燃料与被泵送空气一起逸出排放端口。如此,燃料源必须补充液环泵以具有稳定的性能。否则,随着燃料从推进器腔室耗尽,空气压缩在这种抽吸操作期间将会恶化。侧渠式液环泵通常与进口引射器联接以在抽吸状况下提供协助以及当在抽吸期间泵送空气时提供管道以补充液体环。 [0009] 在工业应用中,为满足这种要求,液环泵采用在泵的排放部处的大型燃料储罐。来自排放端口的空气和燃料混合物通过重力在储罐中被分离。空气被从储罐的顶部中拉出,以及燃料被从底部中拉出并且接下来返回到泵的进口以维持液体环。不幸的是,这种类型的系统对于航天应用而言不实用,因为空气/燃料分离器需要大量空间。 [0010] 本发明的实施方式涉及对当前的现有技术进行改进。 发明内容[0011] 在此提供用于飞行器、并且具体是用于旋翼飞行器的全新并且改进的燃料系统的实施方式。在一个实施方式中,所述燃料系统是自吸式的并且能够摄取所述燃料系统与燃料罐之间的供给管线内的空气。 [0012] 在一个实施方式中,提供了一种用于飞行器燃料系统的增压泵单元,其包括液环泵和空气/燃料分离器。液环泵具有进口和出口,流体能够在所述进口与出口之间被泵送。空气/燃料分离器具有进口以及第一和第二出口端。进口被可操作地流体联接到液环泵的出口。空气/燃料分离器具有从进口延伸到第一和第二出口端的弧形流动路径。第一出口端与弧形流动路径的径向外部流体连通,以及第二出口端与弧形流动路径的径向内部流体连通。被连接到第一出口端的返回管线被配置以使燃料返回到液环泵。 [0013] 在一个实施方式中,增压泵单元还包括用于在液环泵上游提供抽吸的进口引射器。 [0014] 在一个实施方式中,返回管线与进口引射器流体连通,从而使得通过返回管线的燃料流为进口引射器提供动力流以在泵进口处提供抽吸。 [0015] 在一个实施方式中,液环泵是侧渠式液环泵。 [0016] 在一个实施方式中,增压泵单元是自吸式的并且被配置以泵送空气。 [0017] 在另一个实施方式中,提供了一种用于具有燃料罐的飞行器的被安装在发动机上的燃料系统。被安装在发动机上的燃料系统包括主燃料泵和增压泵单元。增压泵单元能够采取如上文概述的任何形式。增压泵单元从燃料罐抽取燃料并且将所述燃料可操作地供给(例如直接地或间接地供给)到主燃料泵。 [0018] 在一个实施方式中,所述燃料系统包括处于空气/燃料分离器的第二出口端下游并且与第二出口端流体连通的燃料存储体积。在一个特定的实施例中,燃料存储体积由中间级燃料滤清器提供。 [0019] 在一个实施方式中,所述燃料系统包括排气阀,所述排气阀与燃料存储体积连通,用于在空气已经过空气/燃料分离器的第二出口端之后将空气从所述燃料系统排出。 [0021] 在此提供一种将燃料供给到具有燃料罐的飞行器的燃烧室的方法。所述方法包括利用来自增压泵单元的抽吸从燃料罐抽取流体。增压泵单元能够采取如上文概述的任何形式。所述方法还包括使来自空气/燃料分离器的燃料通过第一出口端返回到液环泵。通过使燃料返回,能够维持液体环。 [0022] 在另一个方法中,增压泵单元包括进口引射器。所述方法还包括利用进口引射器以改进在泵进口处的抽吸以从罐中抽取流体。在一个方法中,使来自空气/燃料分离器的燃料返回到液环泵的步骤为进口引射器提供动力流以提供抽吸。 [0023] 一个方法还包括将空气/燃料混合物从液环泵供给到空气/燃料分离器;利用空气/燃料分离器将空气/燃料混合物分离为具有第一燃料空气比的第一部分和具有第二燃料空气比的第二部分;将第一部分通过第一出口端配给;以及将第二部分通过第二出口端配给。第一燃料空气比大于第二燃料空气比。 [0024] 在一个方法中,将空气/燃料混合物分离包括使空气/燃料混合物经过弧形流动路径,从而使得具有较高的燃料空气比的第一部分相对于具有较低燃料空气比的第二部分被径向向外推动。在一些情况下,第一部分即使不完全是燃料也主要是燃料,而第二部分即使不完全是空气也主要是空气。 [0025] 在一个方法中,从燃料罐抽取流体在不利用被安装在空气框架上的泵的情况下进行。 附图说明[0028] 图1是根据本发明的实施方式的燃料系统的示意图; [0029] 图2是图1的燃料系统的空气/燃料分离器当在燃料空气混合状态下操作时的简化示意图;以及 [0030] 图3是图1的燃料系统的空气/燃料分离器当在正常状态下(例如完全燃料流)操作时的简化示意图。 [0031] 尽管本发明将会结合特定优选实施方式进行描述,但是本发明无意于将其自身限定到那些实施方式。相反的是,本发明旨在覆盖由所附权利要求限定的被包括在本发明的精神和范围内的所有替代例、改型和等同方案。 具体实施方式[0032] 根据本发明的实施方式的被安装在发动机上的燃料系统100(下文中简称“燃料系统100”)在图1中以示意图的形式被展示。燃料系统100与燃料罐102配合并且在抽吸下从燃料罐抽取流体。优选但非必要的是,燃料系统100被配置从而使得不需要被安装在空气框架(即罐)上的增压泵。燃料系统100被配置以成为自吸式的。 [0033] 燃料系统包括自吸式增压泵单元110,所述自吸式增压泵单元提供抽吸以从燃料罐102经由燃料进口管线112抽取燃料。自吸式增压泵单元110将低压燃料供给到主燃料泵104。 [0034] 主燃料泵104将加压的燃料供给到飞行器的燃烧室(未示出)。为调节从主燃料泵104到燃烧室的燃料,燃料系统100包括燃料计量单元106。燃料计量单元106允许燃料流动到燃烧室或将燃料再循环回到主燃料泵104的进口。例如,主燃料泵104可以是正排量泵。 [0035] 燃料滤清器114被置于主燃料泵104的进口侧与自吸式增压泵单元110的出口之间。 [0036] 在一个实施方式中,自吸式增压泵单元110包括能够泵送燃料、空气或燃料和空气的组合的泵。在优选实施方式中,泵是侧渠式液环泵116。侧渠式液环泵116提供空气压缩能力。这允许燃料系统100从燃料进口管线112摄取大量的空气并且将所述空气压缩为较小体积。这允许所述燃料系统成为自吸式的以能够抽成真空并且从燃料罐102抽取燃料。然而,在正常操作状况下,即当通过燃料进口管线112的流是固体燃料时,侧渠式液环泵116就像再生式泵,将增压压力供给到主燃料泵104。 [0037] 侧渠式液环泵通过使被定位在泵壳体的中心的叶片式推进器旋转而将气体压缩。燃料被馈送到泵中,并且通过离心式加速而形成抵靠壳体内部的移动的筒形环。这种液体环形成在推进器叶片之间的空间中的一系列密封,所述空间形成压缩腔。侧渠被设置,从而使得面积从进口端的起点到进口端的终点径向增大,使得压缩腔随着其旋转而体积增大。 侧渠还被设置,从而使得面积从排放端口的起点到排放端口的终点减小,使得压缩腔随着压缩腔室旋转通过排放端口而体积减小。 [0038] 在空气泵送期间,诸如在抽吸期间,空气经由在壳体中的进口端而被抽取到泵中。气体被困在由推进器叶片和液体环形成的压缩腔中。由推进器旋转引起的体积减小将气体压缩,这对于壳体端部中的排放端口产生影响。 [0039] 空气/燃料分离器118处于侧渠式液环泵116下游。在优选实施方式中,空气/燃料分离器118is采取离心式空气燃料分离器的形式。当混合的燃料和空气流从液环泵116被供给到空气/燃料分离器118时,空气/燃料分离器将液体燃料与空气分离并且使液体燃料的在侧渠式液环泵116上游的部分通过返回管线120返回,以便将燃料的液体环维持在液环泵116内。被分离的空气被允许通过供给管线122向下游流动到燃料滤清器114。 [0040] 图2和3是空气/燃料分离器118在二相流下(例如在抽吸期间)(图2)和在正常操作状况下(即完全燃料流)(图3)的示意图。 [0041] 空气/燃料分离器118包括进口124,所述进口接收来自侧渠式液环泵116的流体。空气/燃料分离器118包括第一出口端126,所述空气/燃料分离器通过所述第一出口端被流体联接到返回管线120以流体连通侧渠式液环泵116上游。在所展示的实施方式中(参见图 1),第一出口端126通过返回管线120被连接到进口引射器128。空气/燃料分离器118包括第二出口端130,所述第二出口端通过燃料供给管线122被流体联接到燃料滤清器114。 [0042] 流体流动渠道132被置于进口124与第一和第二出口端126、130之间。流体流动渠道132形成弧形路径。 [0043] 参照图2,混合的燃料和空气从侧渠式液环泵116在进口124处流动到空气/燃料分离器118中。在混合流流动通过弧形流体流动渠道132时,混合流在半径上加速,这导致作用在混合物上的压力梯度。液体燃料被推动到弯曲的流体流动渠道132的外部直径,而空气收集在弯曲的流动渠道132的内部直径处,形成通过由假想分离线140分离的空气流136和燃料流138而展示出的两股分离的离散流。如此,空气/燃料分离器118将混合流分离为具有第一燃料空气比的第一部分和具有第二燃料空气比的第二部分。第一燃料空气比大于第二燃料空气比。 [0044] 离散流接下来在连接点142处被分割,其中燃料流138(例如具有较高的燃料空气比的部分)流动到第一出口端126并且通过返回管线120和进口引射器128流回到侧渠式液环泵116。空气(例如具有较低燃料空气比的部分)通过第二出口端130退出并且经由供给管线122向下游行进到燃料滤清器113。 [0045] 参照图3,固体燃料被供给到进口124。固体燃料流的一部分从第一和第二出口端126、130中的每个流出。退出第一出口端126的流被再次利用以返回到进口引射器128。退出第二出口端130的流流动到燃料滤清器114并且接下来继续向下游通过主燃料泵104并且最终流动到燃烧室。 [0046] 进口引射器128改进自吸式增压泵单元110的抽吸能力。所述进口引射器还通过在空气泵送事件期间将燃料供给到侧渠式液环泵116的进口而改进空气泵送能力以在泵116内维持液体环。如上所述,用于进口引射器128的动力流由侧渠式液环泵经由空气/燃料分离器118并且经由第一出口端126和返回管线120被供给。如果不需要抽吸能力,则进口引射器能够以孔代替以在泵116内维持液体环。 [0047] 燃料滤清器114还起作用以提供燃料存储体积,以便在空气处理事件期间提供临时燃料储备。在燃料存储体积内的燃料储备能力设定出在不干扰燃烧室流的情况下能够被存储在所述燃料系统中的空气体积的极限。 [0048] 系统100可以包括可选的排气阀150,所述排气阀提供排泄能力以将空气从所述燃料系统去除,这增加能够被存储或由所述燃料系统处理的空气的总质量。 [0049] 尽管侧渠式液环泵是用于燃料系统100的优选泵,但是其他液环泵也能够被结合。 [0050] 在一个实施方式中,空气/燃料分离器118形成在液环泵的罩中。 [0052] 术语“一”、“一个”、“这个”和类似指代在描述本发明的上下文中的使用(特别是在以下权利要求的上下文中)应被解释为覆盖单数与复数,除非在此以其他方式指示出或与上下文存在明显矛盾。术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”应被解释为开放式术语(即,意为“包括但不限于”),除非以其他方式注明。数值范围的叙述在此仅旨在作为独立地指代落入该范围内的每个单独数值的简化方法,除非在此以其他方式指示出,以及每个单独数值在此作为独立引用而被结合到说明书中。在此描述的所有方法能够以任何适当顺序执行,除非在此以其他方式指示出或与上下文存在明显矛盾。对于在此提供的任何和所有实施例或示例性语言(例如,“诸如”)的使用仅旨在更好地展示本发明并且无意于限制本发明的保护范围,除非以其他方式寻求保护。说明书中的语言不应当被解释为指示出任何对于本发明的做法而言至关重要的不寻求保护的元素。 [0053] 本发明的优选实施方式在此被描述,包括发明者所知晓的用于执行本发明的最佳模式。各种优选实施方式对于本领域的技术人员而言可以在阅读前述说明书的情况下变得显然。发明者期望熟练的技术人员采取适当的变型,以及发明人旨在使得本发明以不同于在此特定描述的方式实施。因此,本发明包括在适用的法律允许的所附权利要求中引用的主题的所有改型和等同方案。此外,如上所述的元素以任何可能方式的任何组合由本发明涵盖,除非以其他方式指示出或与上下文存在明显矛盾。 |