DE1963813C3 - Brennstoff-Axialkolbenpumpe für Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffxiaükolbenpumpe für Gasturbinentriebwerke mit nemi Rotor, der zwei durch Fliehkraft betätigbare entile trägt, die einen Brennstoff-Rücklauf vom Pumpenauslaß zum Pumpeneinlaß über einen Rücklaufkanal im Rotor steuern, und ein erstes Ventilglied, das mit einem ersten Ventilsitz zusammenwirkt bzw. ein zweites Ventilglied aufweisen, das mit einem zweiten Ventilsitz zusamenwirkt, wobei das erste Ventilglied bei einer höheren Rotordrehzahl öffnet als das zweite Ventilglied, und wobei ferner im Rotor ein drittes Ventilglied vorgesehen ist, das ebenfalls den Brennstoffrücklauf steuert.

ίο Beim Betrieb einer solchen Brennstoff-Axialkolbenpumpe stellt sich in Abhängigkeit von der Rotordrehzahl eine bestimmte Förderkennlinie ein, die einer mit zunehmender Drehzahl kontinuierlich zunehmenden Brennsfofiörderung entspricht, bis die obenerwähnte geringe Drehzahl erreicht ist, bei der die Fördermenge infolge des Brennstoffrücklaufs absinkt. Bei Gasturbinentriebwerken gibt es nun in der Nähe des oberen Endes der Kennlinie einen Drehzahlbereich, in dem bei Zufuhr der durch die

ao Kennlinie angegebenen Brennstoffmenge zu den Brennkammern des Triebwerks der Triebwerksverdichter in den Bereich des Pumpens gerät. Dieser Drehzahlbereich ist eng begrenzt und würde im allgemeinen verlangen, daß die Kennlinie der Pumpe ins-

»5 gesamt tiefer gelegt wird, um in diesem Bereich nur eine Brennstoffmenge zuzuführen, bei der das Verdichterpumpen noch nicht auftritt. Eine solche Verlagerung der gesamten Kennlinie der Pumpe ist aber wegen der damit verbundenen Verschlechterung des Beschleunigungsverhaltens des Triebwerks unerwünscht.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, die vorhandene Pumpenkennlinie nur in einem eng begrenzten Drehzahlbereich so abzuändern, daß der kritische Bereich des Pumpens vermieden wird.

Bei der oben erläuterten Brennstoff-Axialkolbenpumpe dient das dritte Ventilglied, mit dem ebenfalls der Brennstoffrücklauf gesteuert werden kann, dazu, das zweite Ventil von außen zu regeln. Eine solche Art der zusätzlichen Steuerung des Brennstoffrücklaufs gestattet zwar eine gewisse Beeinflussung der Kennlinie der Pumpe, jedoch ist es auf diese Weise nicht möglich, die vorhandene Kennlinie in einem eng begrenzten Drehzahlbereich abzusenken und

♦5 hierdurch das Pumpen des Verdichters zu vermeiden. Die bekannte Einrichtung zur Beeinflussung der Arbeitsweise der Pumpe ist nicht geeignet, eine automatische Betätigung in einem eng begrenzten Drehzahlbereich vorzunehmen.

Das oben geschilderte Ziel wird gemäß der Erfindung in der Weise erreicht, daß ein Tauchkolben verschiebbar innerhalb eines dritten Ventilsitzes angeordnet ist und auf einer Seite ein vierles Ventilglied trägt, welches mit einem vierten Ventilsitz in Eingriff kommen kann, der gegenüber dem dritten Ventilsitz radial weiter innen angeordnet ist, wobei das vom vierten Ventilglied entfernt liegende Ende des Tauchkolbens mit dem dritten Ventilglied in Eingriff kommen kann und derart ausgebildet ist, daß um den Tauchkolben herum und durch den dritten Ventilsitz hindurch ein Leckkanal vorhanden ist, wenn das dritte und vierte Ventilglied geöffnet sind, wobei weiterhin die axiale Länge des Tauchkolbens so bemessen ist, daß das vierte Ventilglied bei geschlossenem drittem Ventilglied offengehalten wird und während des öffnens des dritten Ventilgliedes zum Ermöglichen eines begrenzten Durchflusses von Brennstoff durch den dritten Ventilsitz geöffnet

bleibt, bis es bei voller öffnung des dritten Ventilglieds durch die Fliehkraft geschlossen wird, so daß der Durchfluß von Brennstoff durch den Rücklaufkanal unterbrochen ist, bis die Rotordrehzahl einen Wert erreicht, bei dem das zweite Ventilglied öffnet.

Bei dieser neuartigen Anordnung wird durch das Zusammenwirken des dritten und vierten Ventilgliedes die Kennlinie der Brennstoffpumpe in einem begrenzten Drehzahlbereich unterbrochen, wobei durch den in diesem Drehzahlbereich stattfindenden Brennstoffrücklauf, der sich einstellt, wenn sowohl das dritte wie auch das vierte Ventilglied die geöffnete Stellung einnehmen, die Kennlinie der Pumpe gerade in dem kritischen Bereich so weit abgesenkt wird, daß das Pumpen des Verdichters vermieden wird. Am Ende dieser Unterbrechung Lihrt die Brennstofförderung wieder auf den der ursprünglichen Kennlinie entsprechenden Wert zurück, da das vierte Ventilglied den Ruckiaufkanal wieder vollkommen absperrt.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Tauchkolben vorzugsweise als pilzförmiges Ventil ausgebildet, dessen Kopf das vierte Ventilglied bildet, das mit dem vierten Ventilsitz zum Eingriff kommen kann. Der Schaft des Tauchkolbens ist mit einer vom Kopf entfernt liegenden Endfläche versehen, die mit dem dritten Ventilglied zum Eingriff kommen kann, wobei der Tauchkolben innerhalb eines Durchlasses in einem Teil verschiebbar ist, das an beiden Enden des Durchlasses den dritten und vierten Ventilsitz bildet, und wobei der Tauchkolben mit einer Abflachung versehen ist, die zusammen mit der Wandung des Durchlasses den Leckkanal festlegt.

Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnung näher erläutert werden, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist.

F i g. 1 zeigt ein Diagramm der Brennstofförderung einer Brennstoffpumpe, aufgetragen über der Pumpenrotordrehzahl;

F i g. 2 zeigt ein entsprechendes Diagramm für die Brennstoffpumpe nach der Erfindung;

F i g. 3 ist eine Stirnansicht des Pumpenrotors nach der Erfindung;

Fig.4 ist ein Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3;

F i g. 5 ist ein Schnitt längs der Linie V-V in Fig.3;

Fig.6 ist eine größere Darstellung eines Tauchkolbens, wie er in F i g. 5 gezeigt ist;

F i g. 7 ist eine Stirnansicht des Tauchkolbens in Richtung des Pfeiles VII in F i g. 6;

Fig.8,9 und 10 zeigen drei aufeinanderfolgende verschiedene Stellungen der Ventilelemente in Fig. 5.

Die Brennstoffpumpe ist so ausgebildet, daß sie flüssigen Brennstoff an eine Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks liefert, das die Pumpe antreibt.

Nach den Fig, 3 und4 der Zeichnung besitzt die Brennstoffpumpe nach der Erfindung einen Rotor 1 mit einer Vielzahl von axial verlaufenden Bohrungen 2, die je einen (nicht gezeigten) Kolben aufnehmen, dessen eines Ende aus. der Bohrung vorsteht und durch eine Feder in Anlage an eine nicht dargestellte Nockenplatte gedrückt wird, welche gegen die Drehachse des Rotors geneigt und in der Nähe von deiisen Ende3 (s. Fig.4) angeordnet ist. Die Bohrungen 2 haben offene Durchlässe 4 an ihren der Nockenplatte abgelesenen Enden, die bei der Drehung des Rotors und einer hiermit einteilig ausgebildeten Welle 5 aufeinanderfolgend je an einem Brenn-Stoffeinlaß und einem Brennstoffauslaß vorbeitreten, die als bogenförmige Öffnungen in einem den Rotor enthaltenden, nicht dargestellten Gehäuse ausgebildet sind, wobei die bogenförmigen öffnungen koaxial zum Rotor in einer feststehenden Druckfläche im

ίο Gehäuse liegen und mit der Endfläche des die öffnungen 4 der Bohrungen enthaltenden Rotors zusammenwirken. Der Brennstoffeinlaß steht mit dem Inneren des Gehäuses in Verbindung, welches einen Brennstoffspeicher bildet; die Auslaßöffnung führt zu einer Förderleitung und steht ferner mit einem Rücklauf kanal 6 im Rotor 1 in Verbindung, der in das Gehäuseinnere über ein erstes durch Fliehkraft betätigbares Ventil führt, das einen Sitz? aufweist, der in eine Büchse 8 im Rotor 1 eingeschraubt ist und

ao mit dem Rücklaufkanal 6 in Verbindung steht. Ein von einer Blattfeder 10 getragenes Halbkugelventil 9 erstreckt sich parallel zur Rotorachse und ist auf einer vorkragenden Konsole 11 gelagert, die am Rotor mittels Schrauben 12 befestigt ist. Die Brennstoff-

2$ pumpe besitzt ein weiteres ähnliches durch Fliehkraft beiätigbares Ventil, welches so angeordnet ist, daß es bei einer niedrigeren Drehzahl öffnet. Das in F i g. 4 gezeigte Ventil für die höhere Drehzahl ist in F i g. 3 durch den Pfeil 9 bezeichnet. Auf das andere Ventil für die geringere Drehzahl ist in F i g. 3 durch den Pfeil 9' hingewiesen. Die beiden Ventile 9 und 9' sind unter einem Winkel von 120° bezüglich der Drehachse angeordnet. Bei einer bekannten Pumpe ist ein Ausgleichgewicht vorgesehen, das auf dem Rotor 1

an der in F i g. 3 mit 9" bezeichneten Stelle angeordnet ist.

Nach F i g. 1 folgt beim Beschleunigen der üblichen Brennstoffpumpen die Brennstofförderung einer Linie, wie sie durch A angedeutet ist, bis das

Ventil 9' für die geringere Drehzahl infolge der Fliehkraft gegen den Widerstand der jeweiligen Blattfeder 10 öffnet, wodurch Brennstoff durch den Sitz 7 und den Rücklaufkanal 6 in das Innere des Pumpengehäuses und von dort zurück zum Pumpen-

einlaß strömt. Dies erfolgt an der in F i g. 1 gezeigten Stelle B. Nach F i g. 1 ist eine Brennstofförderung, bei der der die Luft für die Brennkammer liefernde Verdichter in den Pumpbereich gerät, durch die gestrichelte Linie bei C angedeutet. Wenn das Triebwerk und damit die Pumpe schnell durch den Bereich C beschleunigt wird, besteht die Möglichkeit, daß der Verdichter in den Pumpbereich kommt. Der Rotor der Pumpe nach de; Erfindung ist nun an Stelle des genannten Ausgleichsgewichtes mit einem

weiteren durch Fliehkraft betätigbaren Ventil 9" versehen. Dieses Ventil ist so angeordnet, daß es durch die Fliehkraft für eine kurze Periode während des Betriebes längs der Linie A im Pumpbereich C öffnet, so daß die Beschleunigungslinie dann einer Linie

So entsprechend der in F i g. 1 strichpunktiert gezeigten Form folgt anstatt der Linie A zwischen den Punkten E und F zu beiden Seiten des Pumpbereiches C. Auf diese Weise wird die Möglichkeit, daß der Kompressor pumpt, vermieden oder reduziert.

Das durch Fliehkraft betätigbare Ventil 9" der F i g. 3 ist im Schnitt in F i g. 5 dargestellt und weist einen Sitz 17 ähnlich dem Sitz 7 auf, der in eine Büchse im Rotor 1 eingeschraubt ist. Der Sitz

steht mit dem Rücklaufkanal 6 und somit auch mit dem Gehäuseinneren in Verbindung. Der Sitz 17 ist so angeordnet, daß er durch ein Halbkugelventil 19 ähnlich dem Halbkugelventil 9 nach F i g. 4 geschlossen wird, welches in ähnlicher Weise auf einer Blattfeder 20 gelagert ist. Durch den Sitz 17 faßt frei -verschiebbar ein Tauchkolben 21 hindurch, der an seinem radial innen gelegenen Ende ein Ventilglied 22 trägt, welches mit der radial innen gelegenen, einen Ventilsitz 23 bildenden Endfläche 23 des Sitzelementes 17 in Eingriff kommen kann. Der Tauchkolben 21 ist langer als das Sitzelement 17, so daß, wenn das radial äußere Ende des Tauchkolbens 21 in Eingriff mit dem die geschlossene Stellung nach F i g. 5 einnehmenden Halbkugel ventil 19 kommt, das Ventilglied 22 in seiner offenen Stellung gehalten wird, in der es frei von der Endfläche 23 ist. Der in den F i g. 6 und 7 in größerer Darstellung gezeigte Tauchkolben besitzt an seinem radial äußeren Ende, das vom Ventilglied 22 entfernt liegt, eine einen Leckkanal bildende Abflachung 24. Der Tauchkolben ist mit einem ziemlich engen Gleitsitz in dem radial äußeren Teil des Durchlasses im Sitzelement 17 ausgebildet; der Querschnitt des Leckkanals ist durch die radiale Tiefe der Abflachung 24 bestimmt. Wenn das Ventilglied 19 die geschlossene und das Ventilglied 22, wie in F i g. 5 und 8 dargestellt, die offene Stellung einnimmt, so stellt sich kein Rückfluß durch das Ventil 9" und den Rücklaufkanal 6 ein. Wenn jedoch die Drehzahl steigt, hebt das Halbkugelventil 19 vom Sitz 17 gegen den Widerstand der Feder 20 in eine in F i g. 9 gezeigte Zwischenstellung ab, in der der Tauchkolben im Eingriff mit dem Halbkugelventil 19 bleibt, so daß sowohl dieses als auch das Ventilglied 22 die offene Stellung einnehmen. In dieser Stellung stellt sich ein gedrosselter Rückfluß durch die Abflachung 24 hindurch in den Überströmkanal 6 ein. Wenn die Drehzahl des Rotors weiter steigt, hebt das Halbkugelventil 19 sich vollständig vom Sitz 17 ab und wird von dem radial äußeren Ende des Tauchkolbens 21 getrennt. Dann nimmt dieser die in F i g. 10 gezeigte Stellung ein, in der das Ventilglied 22 an seinem Sitz 23 anliegt, so daß der Rückfluß durch das Ventil 9" aufhört.

Man kann diese Arbeitsweise in F i g. 2 verfolgen, die die Brennstofförderlinie zeigt, der die Pumpe folgt. Wenn die Drehzahl des Rotors zunimmt, folgt die Brennstofförderung der Linie A'\ die Ventile 9,9' und 9" bleiben geschlossen, bis der Punkt E' erreicht ist, in dem das Halbkugelventü 19 des Ventils 9" die in Fig. 9 gezeigte Lage einnimmt; das Halbkugelventü 19 ist so eingestellt, daß es bei einer niedrigeren Drehzahl als das; oben erwähnte Halbkugelventü 9' für die geringere Drehzahl durch die Fliehkraft öffnet. Im Punkt E' stellt sich ein gedrosselter Rückfluß ein, der durch den Leckkanal 24 des Tauchkolbens 21 festgelegt ist, bis eine Drehzahl erreicht ist, bei der das Halbkugelventü 9 so weit geöffnet hat, daß das Ventilglied 22, wie in Fig. 10 gezeigt, schließt. In dieser Stellung hört der Rückfluß auf, und der Punkt F' ist erreicht. Die Drehzahl des Rotors nimmt dann noch weiter zu, wobei die Brennstofförderung dem oberen Teil der Linie A' folgt, bis das Ventil 9' im Punkt B' öffnet und Brennstoff in das Innere des Pumpengehäuses zurückströmen läßt.

ao Das Ventil 9 ist so eingestellt, daß es bei einer Drehzahl öffnet, die höher ist als die des Ventils 9'; das Öffnen dieses Ventils ist in F i g. 2 nicht gezeigt.

Auf diese Weise wird eine zeitweise Verringerung der Brennstofförderung, während der sowohl das Halbkugelventü 19 wie das Ventilglied 22 offen sind, erreicht, wie es bei D' in Fig.2 angedeutet ist. Die Punkte E' und F' liegen bei Drehzahlen, die niedriger bzw. größer sind als die Grenzdrehzahlen, zwischen denen die Gefahr des Pumpens für den Verdichter besteht. Es kann dafür gesorgt werden, daß die Pumpenförderung einer gewünschten Bahn folgt, wobei die Schräge der seitlichen Begrenzungslinien des Bereiches D' durch die Sieifheit der Feder 20 bestimmt wird und die Schräge der unteren Begrenzungslinie

des Bereichs D' durch den Querschnitt des Leckkanals 24 längs des Tauchkolbens 21 festgelegt ist, was durch die radiale Tiefe der Abflachung des Tauchkolbens oder den Durchmesser des Durchlasses im Sitz bestimmt wird, in dem das radial äußere Ende des Tauchkolbens 21 verschiebbar ist. Eine weitere Anpassung kann mit einem Tauchkolben 21 unterschiedlicher Länge erreicht werden, vorausgesetzt, daß die Länge ausreicht, um das Ventilglied 22 am Schließen zu hindern, bevor das Halbkugelventü J 9 sich vom radial äußeren Ende des Tauchkolbens getrennt hat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Brennstoff-Axialkolbenpumpe für Gasturbinentriebwerke mit einem Rotor, der zwei durch Fliehkraft betätigbare Ventile trägt, die einen Brennstoff-Rücklauf vom Pumpenauslaß zum PumpeneJnlaß über einen Rücklaufkanal im Rotor steuern, und ein erstes Ventilglied, das mit einem ersten Ventilsitz zusammenwirkt bzw. ein zweites Ventilglied aufweisen, das mit einem zweiten Ventilsitz zusammenwirkt, wobei das erste Ventilglied bei einer höheren Rotordrehzahl öffnet als das zweite Ventilglied, und wobei ferner i:n Rotor ein drittes Ventilglied vorgesehen ist, das ebenfalls den Brennstoffrücklauf steuert, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tauchkolben (21) verschiebbar innerhalb eines dritten Ventilsitzes (17) angeordnet ist und auf einer Seite ein viertes Ventilglied (22) trägt, welches mit einem vierten Ventilsitz.(23) in Eingriff kommen kann, der gegenüber dem dritten Ventilsitz (17) radial weiter innen angeordnet ist, wobei das vom vierten Ventilglied (22) entfernt liegende Ende des Tauchkolbens (21) mit dem dritten Ventilglied (19) in Eingriff kommen kann und derart ausgebildet ist, daß um den Tauchkolben herum und durch den dritten Ventilsitz hindurch ein Leckkanal (24) vorhanden ist, wenn das dritte (19) und vierte Ventilglied (22) geöffnet sind, wobei weiterhin die axiale Länge des Tauchkolbens derart bemessen ist, daß das vierte Ventilglied (22) bei geschlossenem dritten Ventilglied (19) offengehalten wird und während des öffnens des dritten Ventilglieds (19) zum Ermöglichen eines begrenzten Durchflusses von Brennstoff durch den dritten Ventilsitz (17) geöffnet bleibt, bis es bei voller öffnung des dritten Ventilglieds (19) durch die Fliehkraft geschlossen wird, so daß der Durchfluß von Brennstoff durch den Rücklaufkanal (6) unterbrochen ist, bis die Rotordrehzahl einen Wert erreicht, bei dem das zweite Ventilglied (9') öffnet.

2. Brennstoff-Axialkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchkolben (21) als pilzförmiges Ventil ausgebildet ist, dessen Kopf das vierte Ventilglied (22) bildet, das mit dem vierten Ventilsitz (23) zum Eingriff kommen kann, und daß der Schaft des Tauchkolbens (21) eine vom Kopf entfernt liegende Endfläche aufweist, die mit dem dritten Ventilglied (19) zum Eingriff kommen kann, wobei der Tauchkolben (21) innerhalb eines Durchlasses in einem Teil verschiebbar ist, das an beiden Enden des Durchlasses den dritten (17) und vierten Ventilsitz (23) bildet, und wobei der Tauchkolben (21) mit einer Abflachung versehen ist, die zusammen mit der Wandung des Durchlasses den Leckkanal (24) festlegt.