泵致动装置及相关的泵送系统、飞行器和燃料供应方法与流程

1.本发明涉及一种致动装置，该致动装置旨在朝向发动机的燃料喷射装置驱动燃料回路的燃料泵送系统的至少一个泵。
2.本发明还涉及一种泵送系统、承载这种泵送系统的飞行器以及用于这种飞行器的燃料供应方法。
3.本发明适用于航空领域，特别地涉及飞行器发动机的燃料供应。


背景技术：

4.已知在飞行器上使用至少一个泵以将燃料从飞行器的燃料罐输送到飞行器的发动机的燃料喷射装置。这种泵(通常是容积泵)通常通过飞行器的液压回路来致动。
5.在包括燃料输送管线的一些飞行器致动器的电气化的背景下，已经提出通过旋转电机来驱动之前描述的泵。更具体地，已经提出提供被称为“发电机”的第一旋转电机以及被称为“马达”的第二旋转电机，第一旋转电机和第二旋转电机彼此电连接。在这种情况下，马达的输出轴被联接到泵以驱动泵，发电机的轴被联接到飞行器的发动机的轴。发电机和马达通常是三相电机，特别是用于马达的异步电机以及用于发电机的异步电机或同步电机。以这种方式，在飞行器的发动机的运行期间，发电机输送电流，电流的频率与飞行器发动机的旋转速度(也被称为“速度”)成比例。由此可见，马达输出部处的转速与发动机的速度成比例(在一些滑动余量内)，使得泵以与发动机速度成比例的流速输送燃料。
6.尽管如此，这种泵致动装置并不完全令人满意。
7.实际上，为了使得不管发动机的速度如何，发动机都被适当地供应有燃料，由这种致动装置驱动的泵的尺寸被确定成使得对于任何给定的速度，由泵供应的流量至少等于发动机对于所述速度所需要的流量。通常，这种尺寸确定包括选择具有适当排量的泵。
8.如图1所示，表示作为发动机的速度的函数的、发动机所需要的燃料流量的曲线2通常是凹形递增曲线。在这种情况下，在由点4示出的最低速度运行点(对应于发动机的风扇的自转阶段，或“风车状”)和由点6示出的最高速度运行点(对应于起飞阶段，或“起飞”)之间，通过在所需要的燃料流量与发动机的速度之间具有最高比率的运行点来施加排量。
9.在通过最低速度运行点4来施加排量的情况下，由泵供应的燃料流量(由穿过最低速度运行点4的线8表示)总是高于发动机所需要的燃料流量。例如，在最高速度运行点6处，多余的燃料流量由箭头10表示。在这种情况下，安装燃料再循环装置是必要的。
10.在再循环装置的运行期间，通常连接在发动机的齿轮箱的输出部处的这种再循环装置在所述齿轮箱的输出部处获取机械能，并以热量的形式耗散一部分所获取的机械能。然而，由于燃料回路(燃料回路包括喷射装置)被用作油回路的冷源，因此这种耗散是有害的。任何热量耗散都会对交换器的尺寸产生负面影响。
11.因此，本发明旨在提供一种泵致动装置，对于发动机的任何给定运行点，该泵致动装置导致在所述运行点所需要的燃料流量与由泵供应的燃料流量之间的较小差异，即减少了对燃料再循环的需要。


技术实现要素：

12.为此，本发明的目的是提出一种前述类型的燃料致动装置，该燃料致动装置包括马达旋转电机、发电机旋转电机、电能逆变器、切换构件以及控制构件，
13.马达旋转电机包括第一转子和第一定子，第一转子旨在机械地联接到至少一个泵以对至少一个泵进行致动，第一定子包括至少一个输入定子绕组，
14.发电机旋转电机包括第二转子和第二定子，第二转子旨在机械地联接到发动机的形成驱动轴的轴，第二定子包括至少一个输出定子绕组，每个输出定子绕组与马达旋转电机的相应输入定子绕组相关联，
15.逆变器包括至少一个输出部，逆变器的每个输出部与马达旋转电机的相应输入定子绕组相关联，
16.控制构件被配置成接收与发动机的速度相关的速度信息、并且控制切换构件以：
[0017]-如果发动机的速度高于或等于预定速度，则将马达旋转电机的每个输入定子绕组选择性地连接到对应的输出定子绕组；
[0018]-否则，则将马达旋转电机的每个输入定子绕组选择性地连接到逆变器的对应输出部。
[0019]
实际上，这种致动装置使得即使当所需要的燃料流量与发动机的速度之间的最高比率对应于最低速度运行点时，能够对于泵的尺寸确定(特别是对于泵的排量的选择)选择最高速度运行点。在这种情况下，根据其对切换构件的作用，控制构件允许两种不同的运行模式：
[0020]-对于比预定运行点(被称为“切换”运行点)相关联的速度更高或与预定运行点相等的速度，马达旋转电机被连接到发电机旋转电机，使得以与发动机的速度成比例的旋转速度被驱动；以及
[0021]-对于比与切换点相关联的速度更低的速度，马达旋转电机被连接到转换器，能够根据适合于使马达旋转电机旋转的控制规则来被控制，使得以足以向发动机供应燃料的旋转速度来被驱动，其中，对于低于切换点的每个运行点，燃料流量至少等于所述运行点所需要的燃料流量。
[0022]
特别地，切换点对应于作为发动机的速度的函数的、发动机所需要的燃料流量的曲线与表示关于由尺寸调整导致的由泵输送的燃料流与发动机的速度的线性函数的线之间的相交点。
[0023]
由前文可知，由于根据本发明的致动装置，对于飞行器的发动机的任意给定运行点所需要的燃料流量与由泵供应的燃料流量之间的差异相比于通过已知致动装置获得的、对于飞行器的发动机的任意给定运行点所需要的燃料流量与由泵供应的燃料流量之间的差异小得多。因此，燃料再循环需求显著降低。
[0024]
根据本发明的其他有利方面，该致动装置包括以下特征中的一个或多个特征，以下特征可以被单独地考虑或以所有技术上可能的方式组合地进行考虑：
[0025]-马达旋转电机是异步电机，和/或发电机旋转电机是永磁同步电机或异步电机；
[0026]-控制构件被配置成根据预定控制规则来控制逆变器的运行，预定控制规则取决于发动机的速度；
[0027]-控制构件被配置成接收与每个泵被驱动的当前驱动速度相关的速度信息，控制
构件还被配置成当发动机的速度低于预定速度时：
[0028]
·
将当前驱动速度与预定目标驱动速度进行比较；
[0029]
·
控制逆变器以为每个对应的输入定子绕组输送如下的电压，该电压的频率和幅值各自取决于当前驱动速度与目标驱动速度之间的差；
[0030]-目标驱动速度遵循预定时间曲线或为预定恒量；
[0031]-控制构件被配置成根据所谓的“v至f”控制规则来控制逆变器；
[0032]-控制构件被配置成控制逆变器使得马达旋转电机的由逆变器输送的电源电压的频率随时间具有预定的演变。
[0033]
此外，本发明的目的是提供一种燃料泵送系统，该燃料泵送系统包括至少一个泵以及如上限定的致动装置，马达旋转电机的第一转子机械地联接到每个泵以对每个泵进行致动。
[0034]
此外，本发明的目的是提供一种飞行器，该飞行器承载如上限定的燃料泵送系统，每个泵被设置在飞行器的燃料回路与飞行器的发动机的燃料喷射构件之间，发电机旋转电机的第二转子机械地联接到发动机的轴。
[0035]
本发明的另一个目的是提供一种向如上限定的飞行器的发动机供应燃料的方法，该供应方法包括：
[0036]-如果发动机的速度高于或等于预定速度，则将马达旋转电机的每个输入定子绕组选择性地连接到对应的输出定子绕组；
[0037]-否则，则将马达旋转电机的每个输入定子绕组选择性地连接到逆变器的对应输出部。
附图说明
[0038]
利用仅作为非限制性示例给出并参照附图作出的以下描述将更好地理解本发明，在附图中：
[0039]
图1是表示作为发动机的高压轴的旋转速度的函数的、发动机的燃料需求。
[0040]
图2是根据本发明的泵送系统的示意图。
[0041]
图3与图1类似，还示出了由图2的泵送系统供应的燃料流量的演变。
具体实施方式
[0042]
图2示出了根据本发明的燃料泵送系统12，特别是用于飞行器发动机的燃料泵送系统。
[0043]
泵送系统12旨在将燃料从飞行器(未示出)的燃料罐14输送到飞行器的发动机18的燃料喷射装置16。
[0044]
更具体地，泵送系统12包括至少一个泵20和致动装置22，泵旨在被布置在燃料罐14与喷射装置16之间，致动装置用于驱动该泵20或每个泵。
[0045]
致动装置22包括马达旋转电机24(被称为“马达”)、发电机旋转电机26(被称为“发电机”)、逆变器28、切换构件30以及控制构件31。
[0046]
马达24被配置成从发电机26或逆变器28接收电能，并将接收的电能转换成旨在对泵20或每个泵进行致动的机械能。
[0047]
马达24包括转子32(被称为“第一转子”)以及定子34(被称为“第一定子”)。
[0048]
第一转子32机械地联接到至少一个泵20以对至少一个泵进行致动。
[0049]
第一定子34包括至少一个被称为“输入定子绕组”的绕组36，例如三个输入定子绕组36。
[0050]
如稍后将描述的，马达24的每个输入定子绕组36与发电机26的输出定子绕组42和逆变器28的输出部44两者相关联。
[0051]
发电机26被构造成从发动机18的轴37(所谓的“驱动轴”)获取机械能，并将获取的机械能转换成电能。例如，驱动轴37是发动机18的低压轴。
[0052]
发电机26包括转子38(被称为“第二转子”)以及定子40(被称为“第二定子”)。
[0053]
第二转子38通过任何合适的传动机械构件(例如减速齿轮)机械地联接到马达的驱动轴。
[0054]
第二定子40包括至少一个被称为“输出定子绕组”的绕组42，例如三个输出定子绕组42。每个输出定子绕组42与相应的输入定子绕组36相关联。
[0055]
马达24是异步电机。此外，优选地，发电机26是永磁同步电机或异步电机。
[0056]
逆变器28包括多个输出部44，每个输出部与马达24的相应输入定子绕组36相关联。此外，逆变器28在输入部处连接到机载电能源46。
[0057]
逆变器28被配置成从机载电源46获取电能，并且在逆变器的每个输出部44处从获取的电能供应具有预定特征的电流。
[0058]
具体地，机载电源44是飞行器的dc电压总线，或者飞行器的联接到整流器的ac网。然后增加三相电压逆变器，该三相电压逆变器的电源切换器被控制成启动机器然后以预定的固定速度驱动机器。
[0059]
逆变器28的运行(特别是逆变器的控制规则)稍后将更具体地详细说明。
[0060]
切换构件30在输入部处连接到发电机26的每个输出定子绕组42和逆变器28的每个输出部44。此外，切换构件30在输出部处连接到马达24的每个输入定子绕组36。
[0061]
切换单元30被配置成根据接收到的源自控制单元31的控制信号来选择性地将马达24的每个输入定子绕组36连接到对应的输出定子绕组42或逆变器28的对应输出部44。
[0062]
例如，切换构件30由继电器、接触器或电子切换器形成。
[0063]
如上所述，控制构件31被配置成控制切换构件30的切换。
[0064]
更具体地，控制构件31被配置成接收与发动机18的速度相关的速度信息，并根据该速度信息发送控制信号。例如，这种速度信息是发动机18的轴(特别是驱动轴37)的旋转速度。根据另一示例，发动机的速度信息是表示飞行器的飞行阶段或者飞行器的驾驶指令的信息。
[0065]
控制构件31还被配置成控制切换构件30使得当通过速度信息得出发动机18处于超过预定切换速度的速度时，将马达24的每个输入定子绕组36连接到发电机26的对应输出定子绕组42。
[0066]
此外，控制单元31被配置成控制切换单元30使得当通过速度信息得出发动机18处于低于预定切换速度的速度时，将马达24的每个输入定子绕组36连接到逆变器28的对应输出部44。
[0067]
现在将参照图3描述切换方法。
[0068]
在该图3中，曲线52表示作为发动机的速度的函数的、发动机18所需要的燃料流量的演变。曲线52从点54延伸到点56，点54是发动机18的最低速度运行点，点56是最高速度运行点。
[0069]
点54与如下的运行点相关联，对于该运行点，所需要的燃料流量与发动机18的速度之比高于与点56相关联的、所需要的燃料流量与发动机的速度之比。
[0070]
如前所述，这种曲线通常随着速度而递增，并且是大致凹形的。
[0071]
穿过最低速度运行点54的线58表示在以下情况下泵20的燃料流量：
[0072]-当马达24的每个输入定子绕组36被连接到发电机26的对应输出定子绕组42；以及
[0073]-当泵20的排量被选择成使得在点54处由泵20供应的燃料流量至少等于发动机所需要的燃料流量。
[0074]
此外，穿过最高速度运行点56的线60表示在以下情况下泵20的燃料流量：
[0075]-当马达24的每个输入定子绕组36被连接到发电机26的对应输出定子绕组42；以及
[0076]-当泵20的排量被选择成使得在点56处由泵20供应的燃料流量至少等于发动机18所需要的燃料流量。
[0077]
如图3所示，对于比与直线60和曲线52的相交点62相关联的速度更高的任何速度，泵20能够以比发动机所需要的流量更高或相等的流量向发动机18供应燃料。所述相交点形成切换点，相关联的速度被称为“切换速度”。
[0078]
从该图可以看出，除了切换速度之外，当泵20被驱动以按照线60的流量向喷射装置16供应燃料时对燃料再循环的需求(箭头64)与在泵20被驱动以按照线58的流量向喷射装置16供应燃料的情况下对燃料再循环的需求(箭头66)相比显著降低。
[0079]
替代地，切换速度是与对应于之前描述的运行点62的速度不同的预定速度。
[0080]
有利地，控制构件31被配置成控制逆变器28的运行。具体地，控制构件31被配置成当发动机18的速度低于切换速度时(即，在控制构件31控制切换构件30使得马达24的每个输入定子绕组36被连接到逆变器28的对应输出部44的情况下)，根据预定控制规则来控制逆变器28的运行。
[0081]
更具体地，在这种情况下，控制构件31被配置成控制逆变器28的运行，以使逆变器28在逆变器的输出部44处输送旨在以目标旋转速度驱动马达24的电流。
[0082]
目标旋转速度使得泵20通过马达24以与发动机18所需要的流量(对于所考虑的速度)至少相等的流量向发动机18输送燃料。
[0083]
为此，根据第一变型，控制构件31被配置成根据所谓的“速度调节”模式来控制逆变器28的运行。
[0084]
更具体地，在速度调节模式的情况下，控制构件31被配置成通过适当的传感器(未示出)接收与泵20或每个泵被驱动的速度相关的速度信息，例如，与马达24的第一转子32的旋转速度相关的信息。
[0085]
此外，控制构件31被配置成将测量的驱动速度(即当前驱动速度)与泵20的目标驱动速度进行比较。例如，这种目标驱动速度遵循预定时间曲线或为预定恒量。
[0086]
预定时间曲线和/或预定恒量取决于发动机18的当前速度。
[0087]
控制器31还被配置成基于测量的驱动速度与泵20的目标驱动速度之间的差来控制逆变器28，以减小所述差。因此，这种控制由闭环调节构成。
[0088]
具体地，控制单元31被配置成根据测量的驱动速度与泵20的目标驱动速度之间的差通过控制逆变器28来作用于马达24的电源电压的频率。此外，控制单元31被配置成控制逆变器28以根据已知的所谓的“v至f”控制规则来作用于马达24的电源电压的幅值，并且这样是为了确保在马达24的空气间隙处的恒定磁通量。
[0089]
有利地，控制构件31还被配置成控制逆变器28以在输入定子绕组36的低速下补偿定子电阻效应，从而改善马达24的性能。
[0090]
根据第二变型，在没有第一转子32的旋转速度传感器的情况下，控制构件31被配置成根据所谓的“固定速度”模式来控制逆变器28。
[0091]
更具体地，在固定速度模式下，控制构件31被配置成控制逆变器28以向马达24输送预定频率的电源电压。此外，控制单元31被配置成控制逆变器28以根据已知的所谓的“v至f”控制规则来作用于马达24的电源电压的幅值，并且这样是为了确保在马达24的空气间隙处的恒定磁通量。
[0092]
例如，控制构件31被配置成使得马达24的电源电压的预定频率随时间具有预定的演变。
[0093]
有利地，控制构件31还被配置成控制逆变器28以在输入定子绕组36的低速下补偿定子电阻效应，从而改善马达24的性能。
[0094]
因此，由全文可知，在之前描述的模式中的每一个模式中，控制构件31被配置成使用预定控制规则来控制逆变器28，预定控制规则取决于发动机18的当前速度。
[0095]
现在将描述泵送系统12的运行。
[0096]
在发动机18的运行期间，控制构件31接收与发动机18的速度相关的速度信息。
[0097]
如果根据速度信息得出发动机18处于超过预定切换速度的速度时，则控制构件31控制切换构件30以将马达24的每个输入定子绕组36连接到发电机26的对应输出定子绕组42。
[0098]
在这种情况下，通过调整泵的尺寸，以与发动机的速度成正比的速度来驱动的泵20以与发动机所需要的燃料流量至少相等的流量向发动机18输送燃料。
[0099]
此外，如果根据速度信息得出发动机18处于低于预定切换速度的速度时，则控制构件31控制切换构件30以将马达24的每个输入定子绕组36连接到逆变器28的对应输出部44。
[0100]
在后一种情况下，控制构件31还控制逆变器28使得马达24以与发动机的速度对应的目标旋转速度来驱动泵20，使得泵20以与所述发动机18所需要的燃料流量至少相等的流量向发动机18输送燃料。

技术特征：
1.一种致动装置(22)，所述致动装置旨在驱动系统(12)的至少一个泵(20)，所述系统用于从燃料回路(14)朝向发动机(18)的燃料喷射装置(16)泵送燃料，所述致动装置(22)包括马达旋转电机(24)、发电机旋转电机(26)、电能逆变器(28)、切换构件(30)以及控制构件(31)，所述马达旋转电机(24)包括第一转子(32)和第一定子(34)，所述第一转子旨在机械地联接到所述至少一个泵(20)以对所述至少一个泵进行致动，所述第一定子包括至少一个输入定子绕组(36)，所述发电机旋转电机(26)包括第二转子(38)和第二定子(40)，所述第二转子旨在机械地联接到所述发动机(18)的形成驱动轴的轴(37)，所述第二定子包括至少一个输出定子绕组(42)，每个输出定子绕组(42)与所述马达旋转电机(24)的相应输入定子绕组(36)相关联，所述逆变器(28)包括至少一个输出部(44)，所述逆变器(28)的每个输出部与所述马达旋转电机(24)的相应输入定子绕组(36)相关联，所述控制构件(31)被配置成接收与所述发动机(18)的速度相关的速度信息、并且控制所述切换构件(30)以：-如果所述发动机(18)的速度高于或等于预定速度，则将所述马达旋转电机(24)的每个输入定子绕组(36)选择性地连接到对应的输出定子绕组(42)；-否则，则将所述马达旋转电机的每个输入定子绕组选择性地连接到所述逆变器(28)的对应输出部(44)。2.根据权利要求1所述的致动装置(22)，其中，所述马达旋转电机(24)是异步电机，和/或所述发电机旋转电机(26)是永磁同步电机或异步电机。3.根据权利要求1或2所述的致动装置(22)，其中，所述控制构件(31)被配置成根据预定控制规则来控制所述逆变器(28)的运行，所述预定控制规则取决于所述发动机(18)的速度。4.根据权利要求3所述的致动装置(22)，其中，所述控制构件(31)被配置成接收与每个泵(20)被驱动的当前驱动速度相关的速度信息，所述控制构件(31)还被配置成当所述发动机(18)的速度低于所述预定速度时：-将所述当前驱动速度与预定目标驱动速度进行比较；-控制所述逆变器(28)以为每个对应的输入定子绕组(36)输送如下的电压，该电压的频率和幅值各自取决于所述当前驱动速度与所述目标驱动速度之间的差。5.根据权利要求4所述的致动装置(22)，其中，所述目标驱动速度遵循预定时间曲线或为预定恒量。6.根据权利要求4或5所述的致动装置(22)，其中，所述控制构件(31)被配置成根据所谓的“v至f”控制规则来控制所述逆变器(28)。7.根据权利要求3至5中任一项所述的致动装置(22)，其中，所述控制构件(31)被配置成控制所述逆变器(28)使得所述马达旋转电机(24)的由所述逆变器(28)输送的电源电压的频率随时间具有预定的演变。8.一种燃料泵送系统(12)，所述燃料泵送系统包括至少一个泵(20)以及根据权利要求1至7中任一项所述的致动装置，所述马达旋转电机(24)的第一转子(32)机械地联接到每个
泵(20)以对每个泵进行致动。9.一种飞行器，所述飞行器承载根据权利要求8所述的燃料泵送系统(12)，每个泵(20)被设置在所述飞行器的燃料回路(14)与所述飞行器的发动机(18)的燃料喷射构件(16)之间，所述发电机旋转电机(26)的第二转子(38)机械地联接到所述发动机(18)的轴(37)。10.一种向根据权利要求9所述的飞行器的发动机(18)供应燃料的方法，所述供应方法包括：-如果所述发动机(18)的速度高于或等于预定速度，则将所述马达旋转电机(24)的每个输入定子绕组(36)选择性地连接到对应的输出定子绕组(42)；-否则，则将所述马达旋转电机的每个输入定子绕组选择性地连接到所述逆变器(28)的对应输出部(44)。

技术总结
本发明涉及一种发动机(18)的燃料泵送系统(12)的泵(20)的致动装置(22)，该致动装置包括马达(24)、发电机(26)、逆变器(28)、切换构件(30)以及控制构件(31)，马达(24)包括第一转子(32)和第一定子(34)，第一转子联接到泵(20)，第一定子包括至少一个输入定子绕组(36)，发电机(26)包括第二转子(38)和第二定子(40)，第二转子联接到发动机(18)的驱动轴(37)，第二定子包括至少一个输出定子绕组(42)，控制构件(31)被配置成控制切换构件以：-如果发动机的速度高于或等于预定速度，则将每个输入定子绕组(36)选择性地连接到对应的输出定子绕组(42)；-否则，则将每个输入定子绕组选择性地连接到逆变器的对应输出部(44)。接到逆变器的对应输出部(44)。接到逆变器的对应输出部(44)。


技术研发人员：于盖特
受保护的技术使用者：赛峰飞机发动机公司
技术研发日：2021.09.28
技术公布日：2023/6/28