[发明专利]用于控制质量流率的力平衡式叶轮流量计

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于特征化流体的质量流率的质量流量计，尤其涉及一种用于控制燃料在燃气涡轮发动机(gas turbine engine)中的质量流率的力平衡式叶轮流量计。

背景技术

下一代燃气涡轮发动机将可能包含分布式流结构(distributed flowarchitecture)，其中，通过一个主动燃料输送控制系统选择性调节流至个别喷射器喷嘴的燃料。分布式控制结构要求单独控制各喷嘴的质量流率。这需要更小的具有更快响应时间的质量流量传感器，其能够在相对较小的流率下工作。估计流率比现有的主液流计(main flow streammeter)的流率小大约一个数量级。

美国专利号6,776,055揭示了现有技术用于准确测量燃气涡轮发动机中的燃料流率的主液流计。此装置采用角动量流量计(angularmomentum flow meter)的形式，其包含装设在可旋转鼓轮内的自旋叶轮。为了运作，该叶轮需要一定量的质量燃料流来克服轴承的磨擦效应和流体粘性。因此，该装置不适合涉及小燃料流率(例如，分布式控制应用的预期流率)的应用。

因此，有必要提供一种质量流量计，其设计和构造使其能够为小流率应用提供准确的质量流率测量。

发明内容

本申请的目的是提供一种新的有用的质量流量计，以特征化流体的质量流率，该质量流量计的设计使其能够为小流率应用，例如主动燃料输送控制系统的分布式控制结构，提供准确的质量流率测量。该质量流量计包含具有内钻孔的柱形传感器壳体以及经支撑而可在该传感器壳体的内钻孔内作轴向旋转的叶轮本体。该叶轮本体包含用于在流体相对该叶轮本体流动时把流体动量矩(fluid moment ofmomentum，本文也称作流体惯性)转换成刚体旋转或转矩(solid body rotation ortorque)的构件。

本发明的质量流量计进一步包含传感构件，其采用接近传感器(proximity sensor)的形式，用于测量该叶轮本体相对该传感器壳体的旋转角度；以及电磁构件，用于产生传感器壳体周围磁场，以防止该叶轮本体旋转。此外，该质量流量计还包含用于在流体相对该叶轮本体流动时确定来自该传感构件的电气数值的构件，以及响应该电气数值而控制供给该电磁构件的电力以产生足以防止该叶轮本体旋转的磁场的构件。

较佳地，该用于把流体惯性转换成刚体旋转或转矩的构件包含延伸穿过该叶轮本体的流体流路。该流体流路包含旋流室(spin chamber)，其与具有多个有形涡轮出口通道(shaped turbine outlet channel)的涡轮盘(turbine plate)相通。该等涡轮出口通道的设计及构造使其能够产生流量诱发转矩(flow-induced torque)。

该质量流量计进一步包含与穿过该叶轮本体的流体流路的入口端相通的长形旋流器(flow swirler)。该旋流器的构造使其能够赋予穿经该旋流器的流体围绕流动轴线的螺旋流态(helical flow pattern)，以增加该流体围绕流动轴线的角速度，从而提高施加至该叶轮本体的流量诱发转矩，并有利于输送至该叶轮本体的流体具有相对低的流率的情形。较佳地，该旋流器包含薄壁管，其具有椭圆形横截面并围绕其纵轴螺旋式扭曲。或者，该旋流器可包含管体，其中具有螺旋插件，以赋予穿经它的流体螺旋流，或一对盘绕管体。

该质量流量计的叶轮本体经支撑而可围绕长形轴杆作轴向旋转。该轴杆由轴向对置的低磨擦轴承支撑。该等轴承的形式可为宝石轴承(jewel bearing)、球轴承或类似物。无论哪种情形，该等轴向对置的轴承都由与该传感器壳体的内钻孔耦合的回弹支撑构件夹持。较佳地，该等回弹支撑物螺纹夹持(threadably retain)该等轴承并可调整该等轴承以改变轴杆的轴向负载。

根据本发明的一个较佳实施例，该传感构件或接近传感器包含电容式角位置传感器(capacitive angular position sensor)。在一实例中，该电容式角位置传感器包含设在该叶轮本体外表面上的两个沿直径对置的导电区，以及对应的两对沿直径对置的电极，其与该传感器壳体的内表面相联系。各电极对经配置而与一对应的导电区电气相互作用，以依据运作时在任何特定时间存在于两者之间的重叠或重合表面积量而产生相关电容值。