DE1807120A1 - Stroemungsmittel-Nebenstrom-Steuereinrichtung - Google Patents

Description

Strömungsmittel-Nebenstrom-Steuereinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmittel-Nebenstrom-Steuereinrichtung, die den überschüssigen, unter verhältnismäßig hohem Druck stehenden Anteil des von einer Strömungsmittelpumpe geförderten Strömungsmittelstromes vom Pumpenauslaß zum Pumpeneinlaß zurückführt, wobei der Pumpeneinlaß an eine unter verhältnismäßig niedrigem Druck stehende Strömungsmittelquelle angeschlossen ist.

Insbesondere bei Brennstoffstrom-Steuereinrichtungen für Gasturbinentriebwerke wird üblicherweise der dem Triebwerk zugeführte Strömungsmittelstrom durch ein Brennstoff-Dosierventil veränderlichen Durchflußquerschnitts gesteuert, das mittels einer auf verschiedene Triebwerks-Betriebskenngrößen ansprechenden Stellvorrichtung eingestellt wird. Die Brennstoff-Druckdifferenz am Brennstoff-Dosierventil kann konstant gehalten werden, wobei sich in diesem Fall der Brennstoffstrom lediglich in Abhängigkeit vom Durchflußquerschnitt des Dosierventils ändert, oder die Brenn-

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stoff-Druckdifferenz kann auf bekannte Weise in vorgegebener Abhängigkeit von ausgewählten zusätzlichen Triebwerks-Betriebskenngrößen verändert werden. In jedem Fall wird die Brennstoff-Druckdifferenz normalerweise dadurch gesteuert, daß zwischen dem Auslaß und dem Einlaß einer Brennstoff-Verdrängerpumpe mit konstanter Förderleistung, beispielsweise einer vom Triebwerk angetriebenen Zahnradpumpe₃ eine Brennstoff-Nebenstrumleitung angeordnet und ein auf geeignete Weise gesteuertes Brennstoff-Nebenstromventil vorgesehen ist, das den durch die Nebenstromleitung fließenden Brennstoff-Rückstrom reguliert, wodurch der oberhalb des Brennstoff-Dosierventils herrschende Brennstoffdruck und somii auch die Brennstoff-Druckdifferenz am Dosierventil auf die gewünschte Weise gesteuert werden. Um für sämtliche Triebwerks-Betriebszustände genügend Brennstoff bei ausreichendem Druck zur Verfügung zu haben, ist normalerweise eine Brennstoffpumpe vorgesehen, deren Förderleistung den Brennstoffbedarf des Triebwerks übersteigt, so daß eine bestimmte Menge des von der Pumpe geförderten Brennstoffs ständig entnommen und zum Pumpeneinlaß zurückgeleitet werden muß, so daß der Brennstoffdruck oberhalb des Dosierventils und somit die Brennstoff-Druckdifferenz am Dosierventil bei jedem gegebenen Wert gehalten wird. Die Brennstoffpumpe ist derart ausgelegt, daß sie während des normalen Betriebs bereiches des Gasturbinentriebwerks Brennstoff unter einem verhältnismäßig hohen Druck, beispielsweise zwischen 4o und 85 kp/cm^£ liefert. Somit erleidet der zurückgeführte Brennstoff auf seinem Weg vom Pumpenauslaß über das. Nebenstromventil zum Pumpeneinlaß einen beträchtlichen Druckverlust. Die Brennstoffpumpe benötigt daher Energie, um den zurückgeführten Brennstoffstrom, der sich mit zusätzlichem, dem Pumpeneinlaß von einer Brennstoffquelle

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zugeführten Brennstoff vereinigt, wieder unter Druck zu setzen. Die von der Pumpe aufzubringende Leistung zum Unterdrucksetzen des zurückgeführten Brennstoffstromes führt zu einer entsprechenden, unerwünschten Temperaturerhöhung des Pumpenstroms und zu einem Energieverlust, der seinerseits sowohl den Wirkungsgrad der Einrichtung herabsetzt als auch zu einem entsprechenden Verschleiß der Pumpe und der zugeordneten Bauteile führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsmittel-Nebenstrom -Steuereinrichtung zu schaffen, bei der sich der für einen gegebenen Pumpenausgangsdruck von der Pumpe zu erzeugende Strömungsmittel-Druckanstieg verringern läßt. Insbesondere soll sich die erfindungsgemäße Strömungsmittel-Nebenstrom-Steuereinrichtung dadurch auszeichnen, daß sie aus dem zurückgeführten Strömungsmittel Strömungsenergie nach Art eines Strömungsmitte1-Druckladers zurückzugewinnen vermag.

Zu diesem Zweck schafft die Erfindung eine Strömungsmittel-Nebenstrom-Steuereinrichtung mit einer Nebenstromleitung, die zwischen dem Auslaß einer Verdrängerpumpe und einer zum Pumpeneinlaß führenden, an eine unter verhältnismäßig niedrigem Druck stehende Strömungsmittelquelle angeschlossenen Versorgungskanal verläuft, wobei in der Nebenstromleitung ein unter verhältnismäßig hohem Druck stehender, in Abhängigkeit von einem Steuersignal dosierter Strömungsmittelstrom zurückfließt und das Steuersignal ein den wirksamen Durchflußquerschnitt der Nebenstromleitung regulierendes Nebenstromventil betätigt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Auslaßöffnung des Nebenstromventils in den Versorgungskanal 'mündet und stromaufwärts mit Abstand vor dem konvergenten

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Eintrittsabschnitt einer konvergent-divergenten Düse angeordnet ist, wobei der divergente Austrittsabschnitt der Düse an den Einlaß der Pumpe angeschlossen und der konvergente Düseneintrittsabschnitt in Reihe mit der Ausgangsöffnung des Nebenstromventils mit dem Versorgungskanal verbunden ist.

Erflndungsgemäß fließen der zurückgeführte Strömungsmitteistrom sowie das durch diesen Strömungsmittelstrom aus dem Versorgungs-

mitgenommene

kanal s Strömungsmittel gemeinsam zu der konvergentdivergenten Düse, wo der gesamte Strömungsmittelstrom eine Geschwindigkeitsverzögerung und somit eine entsprechende statische Druckerhöhung erfährt, wodurch ein beträchtlicher Anteil der Strömungsenergie des zurückgeführten Strömungsmittels zurückgewonnen wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Es geigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene, schematische Darstellung einer Brennstoff-Steuereinrichtung für eine Verbrennungsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Strömungsmittel-Nebenstrom-Steuereinrichtung, und

Pign. 2 und 3 Schnitte längs der Linien 2-2 bzw. 3-3 der Fig. 1.

Die Brennstoff-Steuereinrichtung 2o für das Gasturbinentriebwerk enthält üblicherweise eine Brennstoffleitung 22, die unter Druck stehenden Brennstoff vom Auslaß einer Zahnrad-Brennstoffpumpe 24,

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die durch das (nicht gezeigte) Triebwerk angetrieben wird, aufnimmt und eine dosierte Brennstoffmenge einer Brennstoff-Verteilerleitung 26 zuführt, mit der eine oder mehrere Brennstoffeinspritzdüsen 28 verbunden sind, die den dosierten Brennstoffstrom in die Brennstoffkammer oder -Brennstoffkammern (nicht gezeigt) des Triebwerks einspritzen. Der wirksame Durchflußquerschnitt der Brennstoffleitung 22 und somit der diese Leitung durchfließende, dosierte Brennstoffstrom werden durch ein Brennstoff-Dosierventil 3o veränderlichen Durchflußquerschnittes gesteuert, das durch eine geeignete Stellvorrichtung betätigt wird, beispielsweise einen Kolben 32, der auf eine Strömungsmittel-Steuerdruckdifferenz anspricht, wobei die Steuerdruckdifferenz durch eine übliche, nicht gezeigte Steuereinrichtung erzeugt wird, die auf ausgewählte Triebwerks-Betriebskenngrößen anspricht.

Für jeden betrachteten wirksamen Durchflußquerschnitt des Dosierventils 3o ändert sich die Brennstoff-Druckdifferenz P₁-P₂ ^am Dosierventil 30 in Abhängigkeit von dem Druck P₁, der seinerseits von derjenigen Menge des unter dem Pumpenausgangsdruck stehenden Brennstoffs abhängt, -die von der Brennstoffleitung 22 stromaufwärts des Dosierventils 3o entnommen und über eine Nebenstromleitung 3¹I zum Einlaß der Pumpe 24 zurückgeführt wird. Die Nebenstromleitung 34 ist an den Einlaß 38 eines Gehäuses 36 angeschlossen, das über seinen Auslaß 4o mit dem Einlaß der Brennstoff leitung 22 verbunden ist. Im Gehäuse 36 ist zwischen und in Reih;e mit dem Eirflaß 38 und dem Auslaß 4o eine konvergent-divergente Düse angeordnet, die einen konvergenten Eintrittsabschnitt 42, einen Düsenhais 44 und einen divergenten Austritts- oder Diffusorabschnitt 46 aufweist. Stromaufwärts des Düseneintrittsabschnittes

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42 ist eine Brennstoff-Nebenstrom-Auslaßöffnung 48 veränderlichen Durchflußquerschnitts durch einen Ringspalt 5o auf Abstand gehalten, der den Eintrittsabschnitt 42 mit einer diesen umgebenden Ringkammer 52 verbindet. Die Ringkammer 52 ist durch einen Versorgungskanal 56 an eine Strömungsmittelquelle 54 angeschlossen. Wie gezeigt, kann die Nebenstrom-Auslaßöffnung 48 konvergent ausge bildet sein, um den in die Auslaßöffnung 48 eintretenden Rückstrom günstig zu führen, so daß dieser als Brennstoffstrom mit verhältnismäßig großer Geschwindigkeit dem Düseneintrittsabschnitt 42 zugeführt wird.

Der von der Auslaßöffnung 48 zum Düseneintrittsquerschnitt 42 fließende, hochgeschwindige Brennstoffstrom nimmt aus dem Ringspalt 5o Brennstoff mit, wobei der Ringspalt 5o in Strömungsrichtung zum Düseneintrittsabschnitt 42 hin geneigt ist, .um das Mitnehmen des Brennstoffes zu unterstützen, indem eine Störung der Strömung beim Vermischen des angesaugten Brennstoffes mit dem zurückgeführten Brennstoff weitgehend vermieden wird. Der aus dem zurückgeführten und dem mitgenommenen Brennstoff bestehende Strömungsmittelstrom fließt durch den Düseneintrittsabschnitt 42 über den Düsenhals 44 in den divergenten Düsenabschnitt 46, wo die Brennstoffströmung verzögert und infolgedessen der statische Druck erhöht wird, so daß sich am Einlaß der Pumpe 24 ein Brennstoffdruck einstellt, der beträchtlich über dem Druck des der Ringkammer 5o über die Versorgungsleitung 56 zugeführten Brennstoffes liegt.

üblicherweise wird bei einem NebenstrcTi-Brennstoffsystem eine Pumpe verwendet, deren Gesamtförderstrom beispielsweise 2 bis 5

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Mal so groß wie· der Brennstoff bedarf des Triebwerks ist, so daß der durch die Nebenstromleitung 34 zurückgeführte Brennstoffstrom den Hauptanteil des der Brennstoffpumpe 24 zugeführten Brennstoff Stroms ausmacht. Der zusätzliche, von dem Brennstoff-Rückstrom aus dem Ringspalt 5o mitgenommene Brennstoff bildet den Restanteil, der dem an das Triebwerk abgegebenen dosierten Brennstoffstrom entspricht, und dieser zusätzliche Brennstoff erhält gemeinsam mit dem zurückgeführten Brennstoff eine ausreichende Versorgung der Pumpe 24 aufrecht. Um sicherzustellen, daß die mit den Ringspalt 5o verbundene Ringkammer 52 mit Brennstoff gefüllt bleibt, kann die Brennstoffquelle 54 oder die Versorgungsleitung 56 an eine übliche (nicht gezeigte) Druckversorgungseinrichtung angeschlossen sein, die den zulaufenden Brennstoff mit einem verhältnismäßig niedrigen Druck belegt, beispielsweise o,15 - o,3o atü. Die üblichen Brennstoffpumpen, wie die Zahnradpumpe 24,sind Jedoch derart ausgelegt, daß die Pumpe im nicht gefüllten Zustand am Pumpeneinlaß ein Vakuum zu erzeugen vermag, das ausreicht, Brennstoff durch den Ringspalt 5o über die Versorgungsleitung 56 und die Brennstoffquelle 54 anzusaugen, so daß ein Drucklader für den Zulaufbrennstoff nicht erforderlich ist. Bei Verwendungszwecken, die sich nicht auf ein Flugzeug beziehen, beispielsweise bei Verwendung der Pumpe für eine stationäre Verbrennungsmaschine oder dgl., kann die Brennstoffquelle oder der Tank 54 außerdem auf einem höheren Niveau als die Brennstoff-Nebenstrom-Steuereinrichtung einschließlich des Ring'spalts 5o und der Pumpe 24 angeordnet sein, wobei in diesem Pail der Brennstoffdruck am Ringspalt 5o mehr als ausreichend ist, bei allen Betriebszuständen einen Brennstoffstrom durch den Ringspalt 5o zum Einlaß der Pumpe 24 sicherzustellen.

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Der wirksame Durchflußquerschnitt der Auslaßöffnung 48 und somit auch der Durchflußquerschnitt der Nebenstromleitung 34, der die Menge nicht dosierten, von der Brennstoffleitung 22 abgezapften Brennstoffes und somit auch den Brennstoffdruck P₁ bestimmt, wird durch einen mit Konturen versehenen Ventilkörper 58 gesteuert, der gleitend im Gehäuse 36 angeordnet und gegenüber der Auslaßöffnung 48 verschiebbar ist. Eine Membran 6o ist an ihrem radial äußeren Abschnitt zwischen dem Gehäuse 36 und einem am Gehäuse durch Schrauben 64 befestigten Deckel 62 festgespannt. Die durch die Membran 6o voneinander getrennten Kammern 66 und 68 sind über Kanäle 7o bzw. 72 mit der Brennstoffleitung 22 stromaufwärts bzw. stromabwärts des Dosierventils 3o verbunden, wobei die Leitungen 7o bzw. 72 unter dem Brennstoffdruck P₁ bzw." Pp stehen. Das Nebenstromventil 58 wird in Schließrichtung zur Auslaßöffnung 48 hin durch eine Druckfeder 74 beaufschlagt, die zwischen der Membran und einem in den Deckel 62 eingeschraubten, verstellbaren Federhalter 76 angeordnet ist.

Die Brennstoff-Druckdifferenz P₁-P₂ ^am Dosierventil 3o, die durch ias Nebenstromventil 58 eingestellt wird, ist von der Kraft der eder 74 abhängig, der eine gleich große Kraft entgegenwirkt, die sich aus der an der Membran 60 herrschenden Brennstoff-Druckdiffersnz P₁-P₂ ergibt. Eine Änderung des Druckes P₁ oder P₂ führt zu einer Verringerung oder Vergrößerung - in Abhängigkeit von der ielativänderung der Drücke - der vorgegebenen Druckdifferenz P₁-Pp wodurch das Kräftegleichgewicht am Nebenstromventil 58 gestört

, so daß sich das Nebenstromventil verstellt und der Brennstoff Rückstrom verändert wird, bis der Brennstoffdruck P. die erforlerliche Korrektur erfährt, wodurch sich die vorgegebene Druck»

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differenz P₁-P₂ einstellt, in Abhängigkeit von welcher das Neben Stromventil 58 stabilisiert ist.

Die beschriebene Strömungsmittel-Nebenstrom-Steuereinrichtung läßt sich auf einfache Weise bei jeder Strömungsmittel-Versorgungseinrichtung verwenden, die mit einer Verdrängerpumpe arbeitet und eine Steuereinrichtung aufweist, die die Verdrängerpumpe überbrückt, um denjenigen Anteil des unter verhältnismäßig hohem Druck stehenden Strömungsmittels, der die von der Pumpe geforderte Fördermenge übersteigt, vom Pumpenauslaß zum Pumpeneinlaß zurückzuführen.

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Claims (3)

Patentansprüche

1. Strömungsmittel-Webenstrom-Steuereinrichtung mit einer Nebenstromleitung, die zwischen dem Auslaß einer Verdrängerpumpe und einer zum Pumpeneinlaß führenden, an eine unter verhältnismäßig niedrigem Druck stehende Strömungsmittelquelle angeschlossenen Versorgungskanal verläuft, wobei in der Nebenstromleitung ein unter verhältnismäßig hohem Druck stehender, in Abhängigkeit von einem Steuersignal dosierter Strömungsmittelst rom zurückfließt und das Steuersignal ein den wirksamen Durch flußquerschnitt der Nebenstromleitung regulierendes Nebenstromventil betätigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (48) des Nebenstromventils (48, 58) in den Versorgungskanal (56, 52, 5o) mündet und stromaufwärts mit Abstand vor dem konvergenten Eintrittsquerschnitt (42) einer konvergent divergenten Düse (42, 44, 46) angeordnet ist, wobei der diver-

ab
gente Aust ritts e chnitt (46) der Düse an den Einlaß der Pumpe (24) angeschlossen und der konvergente Düseneintrittsabschnitt (42) in Reihe mit der Auslaßöffnung des Nebenstrom -

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ventils mit dem Versorgungskanal verbunden ist.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nebenstroraventil (48, 58) einen Ventilkörper (58) enthält, der in Abhängigkeit von der Betätigung einer auf das Steuersignal ansprechenden Stellvorrichtung (6o) auf die Auslaßöffnung (48) zu oder von ihr fort verschiebbar ist.

3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Versorgungskanal (56, 52, 5o) eine im wesentlichen koaxial zur Ventilauslaßöffnung (48) und zum konvergenten Düseneintrittsabschnitt (42) angeordnete Ringkammer (52) enthält, die mit dem Düseneintrittsabschnitt über einen zwischen diesem und der Auslaßöffnung (48) gebildeten Ringspalt (5o) in Verbindung steht.

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