DE2020186B2

DE2020186B2 - Vorrichtung zum Steuern der Brennstoffzufuhr einer Brennkammer insbesondere für ein Gasturbinen-Strahltriebwerk während des Zündvorgangs

Info

Publication number: DE2020186B2
Application number: DE2020186A
Authority: DE
Inventors: Roger Henri Paris Tissier
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1969-04-24
Filing date: 1970-04-24
Publication date: 1975-04-24
Also published as: GB1295753A; FR2040938A5; DE2020186C3; US3611717A; DE2020186A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage, insbesondere ein Gasturbinenstrahltriebwerk, mit einer Brennkammer, die mindestens zwei verschiedenartige Brennstoff-Einspritzanlagen aufweist, und zwar eine Haupteinspritzanlage, die über eine Hauptleitung von einer kontinuierlich arbeitenden Hauptpumpe gespeist wird, und eine Hilfseinspritzanlage, die während des Zündvorgangs von einer diskontinuierlich arbeitenden Hilfspumpe, einer Kolbenpumpe, gespeist wird. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Steuern der Brennstoffzufuhr der Brennkammer während des Zündvorgangs oder während einer erneuten Zündung.

Die Hilfseinspritzanlage steht mit der Brennkammer häufig nicht unmittelbar in Verbindung, sondern über wenigstens eine Vorkammer, einer Art kleiner Hilfsbrennkammer, die in der eigentlichen Brennkammer fest angeordnet ist und die dazu dient, eine

Flamme zu erzeugen, die den Brennstoffstrahl zündet, der während des Anlassens oder der erneuten Ingangsetzung der Anlage von der Haupteinspritzanlage abgegeben wird. Diese Vorkammern können jeweils von einer geschützten Umhüllung gebildet werden, die einerseits mit Kraftstoff der Hilfseinspritzanlage und andererseits mit Luft, die mittels einer kalibrierten öffnung dosiert wird, gespeist wird und mit einer Zündeinrichtung, beispielsweise einer Zündkerze, einem elektrischen Widerstand od. dgl., ausgerüstet ist. Die Vorkammer ihre Versorgung mit Luft und BrennstoCf und ihre Zündmittel werden unter dem Gesichtspunkt ausgelegt, daß die Entzündbarkeit des Kraftstoff-Luftgemisches unter Berücksichtigung des Erfordernisses, der Anlage, insbesondere im Fall eines Gasturbinenstrahltriebwerks, die größtmögliche Sicherheit während des Startens oder der Wiederingangsetzung im Flug zu verleihen, maximal begünstigt wird.

Bei einer solchen Einrichtung ergibt sich während des Zündvorgangs oder während der erneuten Zündung die Schwierigkeit, den Durchsatz des Brennstoffs, der sowohl in die Vorkammern als auch in die eigentliche Brennkammer eingespeist wird, dem Luftdurchsatz anzupassen.

Die bekannten Brennstoffregler ermöglichen lediglich eine zufriedenstellende Regelung zwischen der Leerlauf- und der Vollgasstellung, nicht jedoch unterhalb der Leerlaufstellung, d. h. während des Startens oder der Wiederingangsetzung der Anlage.

Bei den meisten bekannten Brennstoffreglern wird der Hauptdurchsatz des Brennstoffs durch ein Begrenzungssystem (zur Begrenzung der Beschleunigung oder der Verzögerung) festgelegt, das den Durchsatz im allgemeinen auf einen im wesentlichen konstanten Wert festhält. Da sich der Luftdurchsatz während dieser Zeit in beträchtlichem Ausmaß ändert, ändert sich das Gemischverhältnis des Brennstoff-Luftgemisches ebenfalls beträchtlich, und es können sich daraus beispielsweise Überhitzungen oder ein Pumpen ergeben.

Was die Vorkammern anbelangt, so gilt das gleiche: der Durchsatz der Hilfseinspritzanlage ist während des Zündvorgangs im allgemeinen konstant, und er ist überdies bei der Zündung wie auch bei einer erneuten Zündung der gleiche während der Durchsatz der durch die Vorkammern strömenden Luft stark veränderlich ist. Das Brennstoff-Luftgemisch kann somit ein zu großes oder zu geringes Gemischverhältnis aufweisen, was zu einei Fehlzündung oder zu einer Auslöschung der Vorkammern führen kann.

Durch die Erfindung sollen diese Nachteile vermieden werden, indem der Brennstoffdurchsatz der Haupteinspritzanlage und der Hilfseinspritzanlage in jedem Augenblick des Zündvorgangs in optimaler Weise an den Luftdurchsatz angepaßt wird.

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Vorrichtung zum Steuern der Brennstoffzufuhr einer Brennkammer insbesondere für ein Gasturbinen-Strahltriebwerk während des Zündvorgangs oder einer erneuten Zündung, und zwar einer Brennkammer, die mindestens zwei verschiedenartige Brennstoff-Einspritzanlagen aufweist, d. h. eine Haupteinspritzanlage, die über eine Hauptleitung von einer kontinuierlich arbeitenden Hauptpumpe gespeist wird, und eine Hilfseinspritzanlage, die während des Zündvorgangs von einer diskontinuierlich arbeitenden Hilfspumpe, einer Kolbenpumpe, gespeist wird die durch den Druck des der Haupteinspritzanlage ■nigeführten Brennstoffs betätigt wird.

Die Vorrichtung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung, die den Durchsatz des Brennstoffs, der von der Haupteinspritzanlage in die Brennkammer eingespritzt wird, in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens der Hilfspumpe relativ zum Zylinder selbsttätig regelt.

ίο In dem Fall, daß die Anlage eine Rückführungsleitung aufweist, die die Saugseiie der Hauptpumpe mit der Druckseite verbindet, wirkt die Regeleinrichtung vorzugsweise auf den Durchtrittsquerschnitt der Rückführungsleitung ein.

Auf diese Weise gelangt in jedem Augenblick des Zündvorgangs und unabhängig von der gelegentlichen Inbetriebsetzung eines herkömmlichen Brennstoffreglers nur ein Bruchteil des Brennstoffs der von der Hauptpumpe gefördert wird, bis zur Haupteinspritzvorrichtung. Der übrige Teil des Brennstoffs wird zur Saugseite der Pumpe zurückgeführt, wobei der Betrag der zurückgeführten Brennstoffmenge von der Kolbenstellung der Hilfspumpe abhängt, d. h. im Fall eines Gasturbinenstrahltriebwerks von dem augenblicklichen Betriebszustand, in dem sich das Triebwerk zwischen dem Beginn und dem Ende dieses Vorgangs befindet, anders ausgedrückt, von dem Durchsatz der Luft, die in diesem Augenblick durch die Anlage strömt. Auf diese Weise läßt sich eine in Abhängigkeit von diesem Luftdurchsatz gesteuerte Durchsatzänderung des Brennstoffs, mit dem die Haupteinspritzanlage gespeist wird, erreichen.

Außerdem ist auf Grund der Tatsache, daß die Hilfseinspritzpumpe durch den Druck des Brenn-Stoffs der Haupteinspritzanlage betätigt wird, der Druck des Brennstoffs, mit dem die Hilfseinspritzanlage gespeist wird, im wesentlichen gleich oder proportional dem erstgenannten Druck. Daraus folgt, daß jeder Durchsatzänderung des Brennstoffs der Haupteinspritzanlage eine entsprechende Änderung des Brennstoffdurchsatzes der Hilfseinspritzanlage zugeordnet ist, wobei diese Änderung auch im Fall der Vorkammern die Möglichkeit bietet, das Gemischverhältnis des Brennstoff-Luftgemisches optimal anzupassen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Mittel die zur Querschnittsregelung der Rückführungsleitung dienen, einen einen Teil der Rückführungsleitung bildenden Stutzen auf, der mit einer als Schließorgan dienenden profilierten Fläche des Kolbens der Hilfspumpe zusammenwirkt. Das Profil dieser Fläche kann vorher, beispielsweise durch experimentelle Bestimmung, in der Weise festgelegt werden, daß man die gewünschte Steuerung erhält.

Bei einem bevorzugter. Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Seitenwand des Kolbens der Hilfspumpe zwei mit axialem Abstand zueinander angeordnete Endabschnitte und einen zwischen den beiden Endabschnitten angeordneten Zwischenabschnitt auf, von denen die beiden Endabsohnitte mit der Innenwand des Zylinders dicht in Berührung stehen und der Zwischenabschnitt bezüglich der Innenwand zurückgesetzt ist, so daß der Zwischenabschnitt der Kolbenwand mit der Innenwand des Zylinders einen im wesentlichen abgedichteten Ringraum bildet, der Teil der Rückführungsleitung ist und in den der Stutzen mündet; hierbei wird die mit dem Stutzen zusammenwirkende profilierte Fläche des Kolbens

von dem Zwischenabschnitt der Kolbenwand gebil- der Nähe ihrer anderen Endstellung dargestellt ist

det. die dem Ende des Zündvorgangs entspricht,

Vorzugsweise sind die Mittel, die zur Regelung des F i g. 4 ein Diagramm das den Verlauf des Brenn-

Querschnitts der Rückführungsleitung dienen, in der Stoffdurchsatzes, der während des Zündvorgangs ir

Weise ausgelegt, daß sie den Querschnitt vollständig 5 die Brennkammer eines Turbinenstrahltriebwerks

verschließen, wenn der Kolben bezüglich des Zylin- eingespritzt wird, in Abhängigkeit vom Betriebszu-

ders die eine oder andere seiner beiden Endstellun- stand des Turbinenstrahltriebwerks zeigt,

gen einnimmt. Die erfindungsgemäß vorgesehene In den Figuren ist eine Anlage 1, beispielsweise

Rückführung des Brennstoffs ist somit auf die Dauer ein Gasturbinenstrahltriebwerk, angedeutet, das eine

des Zündvorgangs beschränkt. io erfindungsgemäße Steuervorrichtung aufweist. Die

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei Anlage 1, die mittels eines vom Piloten betätigbaren

dem der Kolben der Hilfspumpe den Zylinder dieser Steuerhebels M gesteuert wird, wird im Betrieb von

Pumpe in zwei Kammern aufteilt, und zwar in eine einem Luftstrom F veränderlichen Durchsatzes

erste Kammer, die mit der Hauptleitung in Verbin- durchströmt, der nacheinander durch einen Verdich-

dung steht, und eine zweite Kammer, die den Zünd- 15 ter 2, eine Brennkammer 3 und eine Turbine 4

brennstoff enthält, steht die zweite Kammer über ein strömt.

Rückschlagventil mit einer Zünd-Brennstoff-Quelle, In die Brennkammer 3 münden zwei verschiedene vorzugsweise der Saugseite der Hauptpumpe, in Ver- Brennstoff-Einspritzanlagen, und zwar eine Hauptbindung. Das Rückschlagventil kann somit Vorzugs- einspritzanlage 5 und eine Hilfseinspritzanlage 6. Die weise in einem Kanal angeordnet werden, der die 20 Haupteinspritzanlage S, die eine oder mehrere Einzweite Kammer der Hilfspumpe mit dem Ringraum, spritzdüsen aufweist, wird über eine Hauptleitung 7 der von einem Teil der Rückfühningsleitung gebildet mit Brennstoff versorgt, die unter Zwischenschaltung wird, verbindet. einer Pumpe (nicht gezeigt) mit einem Behältei

Nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausfüh- (nicht gezeigt) verbunden ist. Diese Leitung enthält rungsform ist die zweite Kammer der Hilfspumpe in 25 eine kontinuierlich arbeitende Hauptpumpe 8, beizwei Räume unterteilt, und zwar in einen ersten spielsweise eine Zahnradpumpe, einen Hauptregler 9 Raum, der über das Rückschlagventil mit der Zünd- und ein Filter 10. Dem Hauptregler 9 ist der Steuerbrennstoff-Quelle in Verbindung steht, und einen hebel M zugeordnet, der vom Piloten betätigt wird zweiten Raum, der mit der Hilfseinspritzanlage ver- und der mehrere Stellungen, insbesondere eine Haltbunden ist, wobei mit dem Kolben der Hilfspumpe 30 stellung/! und eine Leerlaufstellung R einnehmen fest verbundene Mittel die Möglichkeit bieten, die kann. Eine Hilfsleitung 7 α die von dem Hauptreglei Verbindung zwischen den beiden Räumen zu unter- 9 abgezweigt ist, ermöglicht in bekannter Weise, den brechen, wenn der Kolben die eine oder die andere tatsächlichen Durchsatz, der zu der Haupteinspritzseiner beiden Endstellungen einnimmt. Die Hilfs- anlage 5 gelangt, durch Zurückführen eines Teils des pumpe ist somit in der Zeit, in der nicht gezündet 35 von der Pumpe 8 geförderten Brennstoffs auf den gewird, gegenüber der Brennkammer abgedichtet. wünschten Wert zu begrenzen. Wenn sich der Steuerin dem Fall, daß in der Hauptleitung zwischen der hebel M in der Haltstellung befindet, wird der ge-Hauptpumpe und der Haupteinspritzanlage ein samte von der Pumpe 8 geförderte Brennstoff durch Hauptregler angeordnet ist, ist die Rückführungslei- die Hilfsleitung 7 α zurückgeführt. Die Hilfseinspritztung vorzugsweise zwischen der Hauptpumpe und 40 anlage 6 gibt während des Zündvorgangs einen dem Hauptregler angeschlossen. Diese Anordnung Brennstoffstrahi an eine Vorkammer 11 ab, die in hat den Vorteil, daß die erfindungsgemäße Regelung bekannter Weise in der Brennkammer 3 angeordnet bei einem größeren Gesamtdurchsatz durchgeführt ist und mit elektrischen Zündmitteln, beispielsweise und somit die Präzision bezüglich dieser Regelung einer Zündkerze 11a, ausgerüstet ist. Die Hilfseinverbessert werden kann. 45 Spritzanlage 6 ist über eine Leitung 12 mit einer dis-

Der Druck der zur Betätigung der Hilfspumpe kontinuierlich arbeitenden Pumpe 13, einer Kolbendient, wird in diesem Fall stromabwärts von dem pumpe mit Hnem Kolben 14 und einem Zylinder 15 Regler abgenommen, d.h. grundsätzlich stromab- verbunden. Die Pumpe 123 wird durch den Druck wärts von jeder Einrichtung, die einen Druckverlust des Brennstoffs, der der Haupteinspritzanlage 5 zuerzeugen kann (beispielsweise ein Filter, ein Schließ- 50 geführt wird, betätigt. Die beiden Deckel des Zylinventil od. dgl.), so daß der oben erläuterte Zustand ders sind mit den Ziffern 15 α and 15 b bezeichnet,
hergestellt wird, wonach die Hflfspumpe von dem Der Kolben 14 unterteilt den Zylinder 15 in zwd Speisedrack der Haupteinspritzanlage benötigt wird. Kammern, und zwar in eine erste Kammer/!, die den

An Hand der Zeichnungen wird eine Ausführungs- genannten Druck empfängt, und eine zweite Kamform der Erfindung näher erläutert. Es zeigt 55 merß, die den Zündbrennstoff enthält. Die Kam-

Fig. 1 einenLängssctoitt einererfindangsgemäßen mer/1 ist mit der Hauptleitung 7 über eine Leitung Vorrichtung zam Steuern der Brennstoffzufuhr einer 16 verbunden, die von einem Punkt abgezweigt ist

Brennkammer während des Zündvorgangs, wobei die der stromabwärts von dem Hauptregler 9 und dem

Vorrichtung in einer ihrer Endstellungen dargestellt Filter 10 liegt stromabwärts also von sämtlicher

ist, die dem FaQ entspricht, in dem die Brennkammer 60 Einrichtungen, die einen merklichen Druckabfall er-

nicht arbeitet, zeugen können, so daß der in der Kammer herr-

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Ansicht, in sehende Druck immer gleich dem Druck des Brenn-

der jedoch die erfindungsgemäße Vorrichtung in Stoffs ist, der in die Haupteinspritzanlage emgespeist

einer ihrer Zwiscfaensteflungen dargestellt ist, die wird.

dem Fall entspricht, in dem die Brennkammer gezön- «5 Die Kammer B steht ober das bereits erwähnte

det oder von neuem gezündet rad, Rückschlagventil 17 mit einer Zündbrennstoffquelle.

Fig.3 eräe den Fig. 1 and 2 entsprechende An- vorzugsweise der Sangseite der Hauptpumpe 8, is

siebt, in der die erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung. Ia Ennangening einer entgegenwirken-

. den
!i-itzs des
η gcjuer-

benr 15
nick

den Kraft wird der Kolben 14 von einer Feder 18 in eine seiner Endstellungen (im dargestellten Ausführungsbeispiel nach links) gedrückt.

Der Kolben 14 weist eine Seitenwand auf, die sich über eine beträchtliche axiale Länge erstreckt. Die Seitenwand des Kolbens 14 weist zwei mit axialem Abstand zueinander angeordnete Endabschnitte 14 a,

14 b und einen zwischen den beiden Endabschnitten angeordneten Zwischenabschnitt 14 c auf, von denen die beiden Endabschnitte mit der Innenwand des Zylinders dicht in Berührung stehen und der Zwischenabschnitt bezüglich der Innenwand zurückgesetzt ist, so daß der Zwischenabschnitt der Kolbenwand mit der Innenwand des Zylinders einen im wesentlichen abgedichteten Ringraum bildet.

An einem seiner Enden weist der Kolben 14 eine Vorderwand 14 d auf, die mit einer Sackbohrung 19 versehen ist. Die sich im wesentlichen axial erstrekkende Sackbohrung steht über einen Querkanal 20 mit dem Ringraum C in Verbindung. Die öffnung der Sackbohrung ist von dem bereits erwähnten Rückschlagventil 17 verschlossen. Das Rückschlagventil wird durch eine Feder 21 in seine Schließstellung gedrückt, die sich an einem Deckel 22 abstützt, der mittels Schrauben 23 an der Vorderwand 14d des Kolbens 14 befestigt ist. Ein Kanal 24, der die Seitenwand des Deckels 22 durchbricht, bietet die Möglichkeit, den Ringraum C über den Querkanal 20 und die Sac!'bohrung 19 mit der Kammer B in Verbindung zu setzen, wenn das Rückschlagventil 17 geöffnet ist.

Die Kammer B wird von einem Zwischenstück 25, das zwischen der Wand 15 und dem Zylinderboden

15 ft angeordnet ist und mit dem Zylinderboden fest verbunden ist in zwei Räume B₁ und B₀ unterteilt. Der erste Raum B₁ steht über das Rückschlagventil 17 mit dem Ringraum C in Verbindung, während der zweite Raum B₂ über die Leitung 12 mit der Hilfseinspritzanlage 6 verbunden ist. Die beiden Räume B_x und B_t sind durch eine in der Wand 25 gebildete Bohrung 26 miteinander in Reihe geschaltet. Durch die Bohrung 26 gleitet eine Stange 27, deren Querschnitt geringer als der Querschnitt der Bohrung ist. Die Stange wird von einer axialen Verlängerung des Deckels 22 gebildet und ist somit mit dem Kolben 14 fest verbunden. Ihre Nutzlänge ist im wesentlichen gleich dem Kolbenhub, und sie weist an ihren Enden eine feste Schulter 27 α bzw. eine verstellbare Schulter 27 b auf, die als Unterlage für einen Dichtungsring 28 α bzw. 28 b dienen. Die verstellbare Schulter 27 kann beispielsweise von dem Kragen einer Hülse 29 gebildet werden, die auf das freie Ende der Stange aufgeschraubt ist. Die Anordnung dieser Teile ist derart, daß die beiden Räume B₁ und B₂ durch die Bohrung 26 (F i g. 2) miteinander verbunden sind, wenn der Kolben nicht die eine (Fi g. 1) oder die andere (F i g. 3) seiner beiden Endslellungen einnimmt.

Die Leitung 12. die die Rückführleitung der Hilfspumpe 13 bildet, weist eine Drosselstelle 30 auf. Von dieser Leitung ist in bekannter Weise eine Zweigleitung 12 a abgezweigt, die über eine andere Drosselstelle 31 mit dem Inneren der Brennkammer 3 in Verbindung steht. Diese Anordnung erlaubt es, die Speiseleitung der Hilfseinspritzanlage zu reinigen, wenn keine Zündung stattfindet, und somit zu verhindern, daß eine Verkokung des in der Leitung enthaltenen Brennstoffs erfolgt.

Erfindungsgemäß ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, mit der der Durchsatz des Brennstoffs der während des Zündvorgangs in die Brennkammer 3 und die Vorkammer 11 eingespritzt wird, mit großer Genauigkeit geregelt werden kann. Diese Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einer Rückführungsleitung, die die Druckseite mit der Saugseite der Hauptpumpe verbindet, und aus Mitteln, die den Querschnitt der Rückführungsleitung in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens 14 relativ zum Zylinder 15 selbsttätig regelt. Die Rückführungsleitung weist zu diesem Zweck zwei Leitungen 32, 33 auf, von denen die eine an der Druckleitung der Hauptpumpe 8 stromaufwärts vom Hauptregler 9 und die andere an der Saugleitung der Pumpe angeschlossen

»5 ist und beide in den Ringraum C münden, der somit einen Teil der Rückführungsleitung bildet. Die Leitung 32 weist an der Stelle, an der sie in den Ringraum C mündet, einen Stutzen 34 auf, dessen freie Endfläche unmittelbar gegenüber dem Zwischenabschnitt 14 c der Seitenwand des Kolbens 14 angeordnet ist. Der Zwischenabschnitt 14 c, dessen Profil mit der Ziffer 35 bezeichnet ist, verschließt auf diese Weise die Bohrung 34 (und somit die Rückführungsleitung) in unterschiedlichem Maß, und zwar je nach der Stellung des Kolbens 14 und der Form des Profils 35. Wie die F i g. 1 und 3 zeigen, ist das Profil 35 derart ausgebildet daß der Durchtrittsquerschnitt der Rückführungsleitung vollständig verschlossen ist, wenn der Kolben 14 seine beiden Endstellungen einnimmt.

Es wird nun die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert. Zunächst sei der FaI! angenommen, daß sich der Steuerhebel M in der Halt-Stellung A befindet, wobei der gesamte Durchsatz des Brennstoffs der Hauptpumpe 8 durch die Hilfsleitung la zur Ansaugleitung der Pumpe zurückgefördert wird, wobei die Brennkammer 3 außer Betrieb ist.
Der Druck des Brennstoffs in der Kammer A isl somit nicht groß genug, um der Feder 18 und dem Druck in der Kammer B entgegenzuwirken, so daß sich der Kolben 14 in der in F i g. 1 dargestellten linken Endstellung befindet. In dieser Stellung sind dei Stutzen 34 und das Rückschlagventil 17 verschlossen. Die Räume B₁ und B₂ sind durch den Dichtungsring 28 b voneinander getrennt.

Während des Anlassens oder Wiederingangsetzeni der Anlage gelangt der Steuerhebel M von der Halt-Stellung A in die Leerlaufstellung/?. Die Hauptpumpe 8 beginnt dann durch die Hauptleitung 7 di« Einspritzdüsen der Haupteinspritzanlage 5 zu füllen Am Ende des Füllvorgangs steigt der Druck de; Brennstoffs in der Hauptleitung 7 abrupt an und bewirkt, da er durch die Leitung 16 in die Kammer/1 übertragen wird, daß sich der Kolben 14 nach recht: (in der Figur) zu bewegen beginnt. Der Dichtung* ring 28 ft, der von der Stange 27 getragen wird, ent fernt sich somit von der Bohrung 26, so daß de; Zündbrennstoff, der in der Kammer B enthalten ist durch die Drosselstelle 30 und die Leitung 12 in dii Hilfseinspritzanlage 6 zu fließen beginnt, die in di< Vorkammer 11 mündet.

Die Steuervorrichtung befindet sich nun in der ii Fig.2 dargestellten Stellung. Der Kolben 14, de sich nach rechts verschoben hat, gibt den Stutzen 3' frei, so daß ein Teii des Brennstoffs der von de Hauptpumpe 8 gefördert wird, durch die Leitung 32 den Stutzen 34, den Ringraum C und die Leitung 3;

509517/35

9 10

zur Saugleitung der Pumpe zurückgefördert wird. hältnisse mit R und R₁ und mit k_B und k_e zwei weitere

Der Durchsatz des zurückgeförderten Brennstoffs Konstanten bezeichnet erhält man:

verändert sich in Abhängigkeit von dem Abstand, D = k D

der sich zwischen der freien Fläche des Stutzens 34 ¹ ⁵

und dem Profil 35 des Zwischenabschnitts 14 c des 5 _ kS · VJ _ ^S₂]Fp₁ __ Ic₃SS(P

Kolbens 14 befindet, d. h. in Abhängigkeit von der R ^₁ — ·

Stellung des Kolbens. Die Form des Profils ist, bei- ^{υ υ}ι ^Ks^u

spielsweise experimentell, in der Weise vorher be- hieraus folgt:

stimmt, daß der Durchsatz des Brennstoffs, der in die r ^g

Haupteinspritzanlage gelangt (der Durchsatz also, io — = -η—Ζ' ^:= ^e ^{= c}"

der gleich dem Gesamtdurchsatz der Pumpe 8 minus ^Λι ^Λ»^Λι

dem zurückgeführten Durchsatz ist), sich während Die beiden Gemischverhältnisse haben somit ein

des Zündvorgangs nach einem zweckmäßigen Gesetz konstantes Verhältnis. Um die Zündung zu erleich-

ändert, anstatt im wesentlichen konstant zu bleiben, tern, kann man für die Vorkammer 11 vorteilhafter-

wie dies der Fall wäre, wenn er durch eine herkömm- 15 weise ein Gemischverhältnis/?, festlegen, das größer

liehe Begrenzungsvorrichtung festgelegt werden als das Gemischverhältnis der Brennkammer 3 ist,

würde. das jedoch trotzdem proportional bleibt. Hierzu ge-

In der gleichen Weise wird der Durchsatz der nügt es, £„<1 zu wählen.

Hilfseinspritzanlage 6 in Übereinstimmung mit dem Während der gesamten Verschiebung des Kolbens

Durchsatz der Haupteinspritzanlage verändert, an- 20 14 ist der Druck des Zündbrennstoffs in der Kammer statt während des gesamten Zündvorgangs im we- B groß genug, um das Rückschlagventil 17 auf seisentlichen konstant zu bleiben, wie das bei Anlagen nen Sitz zu drücken, was jegliche Verbindung zwimit einer herkömmlichen Einspritzpumpe der Fall sehen dieser Kammer und dem Ringraum C unterist, bricht.

Wenn man mit Q den Durchsatz des Brennstoffs 25 Am Ende des Zündvorgangs erreicht der Kolben der Haupteinspritzanlage, mit Q₁ den Durchsatz des 14 seine andere Endstellung (rechts in Fig. 3). Die Zündbrennstoffs, mit S den charakteristischen Quer- Einspritzung von Kraftstoff durch die Hilfseinspritzschnitt der Haupteinspritzanlage, mit S₁ den charakte- anlage ist dann beendet, und die Räume ß, und B₂ ristischen Querschnitt der Hilfseinspritzanlage, mit P sind wieder voneinander getrennt, aber dieses mal den Speisedruck der Haupteinspritzanlage, mit P, 30 durch den Dichtungsring 28 a. Der Stutzen 34 ist den Einspritzdruck des Zündbrennstoffs und mit k wieder vollständig durch die Fläche 35 verschlossen, und ^₁ zwei Konstante bezeichnet, ergibt sich: so daß die Rückströmung durch die Rückführungs

leitung 32, 34, C, 33 unterbrochen ist. Wenn die

O = JtS¹I/ρ O = k S l/p Brennkammer 3 gezündet ist, wird die Brennstoffre-

^ » ⁵^¹ "' ' 35 gelung von diesem Augenblick an von dem Hauptregler 9 vollständig übernommen. Während des BeWenn man die sehr geringe Wirkung der Feder 18 triebs der Anlage bleibt der Kolben 14 in seiner vernachlässigt, können der Druck P und der Druck rechten Endstellung.

P₁ im wesentlichen als gleich bzw. als proportional Wenn der Steuerhebel M in seine Halt-Stellung zuangesehen werden. Man erhält dann: 40 rückkehrt, sinkt der Druck in der Kammer A plötz

lich ab, so daß der Kolben 14 unter der Wirkung dei

ρ -UPO - k <? l/l·" Mp - kK i/p ^{Feder 18 nach links} (^{in Fi}S· 0 zurückkehrt, wobei

#Ί-ν,«, /C₁A₁VA₁ yP K₃^p er die in Fig. 2 dargestellten Zwischenstellungen

durchläuft. Die Bewegung des Kolbens erzeugt in dei

worin k.₂ und k₃ zwei weitere Konstanten sind. Hier- 45 Kammer B einen Unterdruck. Unter der Wirkung dieaus ergibt sich: ses Unterdrucks füllt Brennstoff, der stromaufwärts

von der Hauptpumpe 8 durch die Leitung 33, der Q _ kS _ Ringraum C, die Querbohrung 20, die Sackbohrung

TT ⁼ He's ^{= 19}' ^daS 8^eöffnete Rückschlagventil 17 und die Boh-

^4/131 50 rung 24 angesaugt wird, von neuem die beider

Räume B, und B₂ der Kammer B.

A₄ ist ebenfalls eine Konstante. Wenn der Kolben 14 wieder seine linke Endstel·

Da der Durchsatz Q durch die veränderliche lung (F i g. 1) erreicht hat, sind das Rückschlagventi

Rückführungseinrichtung moduliert wird, ergibt sich 17 und der Stutzen 34 von neuem verschlossen. Di«

daraus, daß der Durchsatz Q₁ ebenfalls, und zwar in 55 Räume B₁, B₁ und der Ringraum C, die mit Brenn

einem konstanten Verhältnis, moduliert wird. Durch stoff gefüllt sind, sind somit wieder voneinander ge

einen entsprechenden Verlauf des Profils der Fläche trennt. Die Steuervorrichtung ist dann wieder fü;

35 läßt sich somit erreichen, daß der Durchsatz des einen neuen Zündvorgang bereit.

Brennstoffs beständig an den Durchsatz der Luft an- F i g. 4 ist ein Diagramm eines Zündvorgangs. Ii

gepaßt bleibt, die die Brennkammer 3 bzw. die Vor- 60 diesem Diagramm sind auf der Ordinate der Durch

kammer 11 durchströmt, wobei es sich um Durch- sau Q des Hauptbrennstoffs und der Durchsatz Q

Sätze handelt, die ebenfalls zueinander ein konstantes des Zündbrennstoffs und auf der Abszisse die Ver

Verhältnis haben, so daß in der Brennkammer und Schiebung des Kolbens bzw., was im Fall eines Gas

der Vorkammer während der gesamten Dauer des turbinentriebwerks auf das gleiche hinausläuft, dii

Zündvorgangs ein optimales Gemischverhältnis 6₅ Drehzahl N des Tiebwerks aufgetragen,

sichergestellt wird. Der Punkt O entspricht dem Augenblick, in den

Wenn man die betrachteten Luftdurchsätze mit D der Steuerhebel M, der sich vorher in der Haltete!

und D₁ und die daraus resultierenden Gemischver- lung befand, in die Leerlaufstellung bewegt wurde

so daß die Hauptpumpe 8 anfängt, Brennstoff in die Leitung 7, in Richtung der Haupteinspritzanlage 5 zu fördern. Der Punkt N₁ entspricht dem Ende des Füllvorgangs der Haupteinspritzanlage 5 und dem Beginn der Einspritzung von Hauptbrennstoff und Zündbrennstoff. In diesem Augenblick erfolgt eine abrupte Verringerung des Durchsatzkoeffizienten der Einspritzdüsen der Haupteinspritzanlage 5, eine Verringerung, die sich in dem Diagramm, das den Durchsatz des Hauptbrennstoffs wiedergibt, durch einen Sägezahn wiederspiegelt.

Der Punkt N₂ entspricht dem Ende der Einspritzung von Zündbrennstoff in die Vorkammer 11 und der Punkt N₃ dem Ende des Vorgangs, in dem die Leerlaufstellung erreicht wird.

Zwischen N₁ und N₂ wird der Durchsatz Q in Abhängigkeit von der Verschiebung des Kolbens 14 nach einem Programm moduliert, das vorher durch eine geeignete Wahl der Form der profilierten Fläche 35 festgelegt wird. Der Durchsatz Q_x, der, wie bereits erläutert, vom Durchsatz Q abhängt, wird somit in entsprechender Weise moduliert.

Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung spielt somit während des Zündvorgangs eine doppelte Rolle:

Nämlich die eines Hauptreglers, der den Durchsatz des Brennstoffs Q in Abhängigkeit von der Drehzahl N regelt, und die eines Hilfsreglers, der den Beginn der Einspritzung, den Verlauf des Durchsatzes Q₁ in Abhängigkeit von der Drehzahl N, und das Ende der Einspritzung festlegt.

Auf diese Weise läßt sich während dieser Phase eine beständige Neuanpassung des Gemischverhältnisses des Luft-Brennstoffgemisches sowohl in der Brennkammer 3 wie auch in den Vorkammern 11 erzielen und somit ideal? Zündbedingungen in diesen Vorkammern und eine einwandfreie Verbrennung in der Brennkammer herstellen.

Die Vorrichtung wird einfach dadurch in Betrieb gesetzt daß der Steuerhebel von der Halt-Stellung in die Leerlaufstellung bewegt wird. Die Einspritzung von Brennstoff in die Vorkammern und die Modulation des Hauptbrennstoffs werden automatisch dadurch beendet, daß der Kolben 14 seine Endstellung erreicht. Elektroventile oder ähnliche Vorrichtungen sind also nicht erforderlich, um diesen Betriebsablauf sicherzustellen.

Die Abdichtung wird in der Leerlaufstellung dadurch erreicht, daß der Dichtungsring 28 b, der ein Ventil bildet, von der Feder 18 gegen die Bohrung 26 gedrückt wird; die Feder spielt gleichzeitig die Rolle einer Rückholfeder zur Füllung der Räume B_v B₂ und einer Ventilfeder.

Schließlich besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung auf Grund der Einfachheit der verwendeten Bauteile (Zylinder, Kolben, Feder, Rückführungsleitungen usw.) die Robustheit und Zuverlässigkeit, die insbesondere erforderlich sind, wenn es sich darum handelt, die einwandfreie Betriebsweise und die Sicherheit einer Anlage wie beispielsweise eines Gasturbinenstrahltriebwerks sicherzustellen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Steuern der Brennstoffzufuhr einer Brennkammer, insbesondere für ein Gasturbinen-Strahltriebwerk, während des Zündvorgangs oder einer erneuten Zündung, und zwar einer Brennkammer, die mindestens zwei verschiedenartige Brennstoff-Einspritzanlagen aufweist, d.h. eine Haupteinspritzanlage, die über eine Hauptleitung von einer kontinuierlich arbeilenden Hauptpumpe gespeist wird, und eine Hilfseinspritzanlage, die während des Zündvorgangs von einer diskontinuierlich arbeitenden Hilfspumpe, einer Kolbenpumpe, gespe^:st wird, die durch den Druck des der Haupteinspritzanlage zugeführten Brennstoffs betätigt wird, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung (34, 35), die den Durchsatz des Brennstoffs, der von der Haupteinspritzanlage (5) in die Brennkammer (3) eingespritzt wird, in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens (14) der Hilfspumpe (13) relativ zum Zylinder (15) selbsttätig regelt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer Rückführungsleitung, die Druckseite und Saugseite der Hauptpumpe m^:*einander verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung Mittel (34, 35) aufweist, die zur Regelung des Durchtrittsquerschnitts der Rückführungsleitung dienen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Querschnittsregelung dienenden Mittel einen einen Teil der Rückführungsleitung bildenden Stutzen (34) aufweisen der mit einer als SchlieRorgan dienenden profilierten Fläche (35) des Kolbens (14) der Hilfspumpe (13) zusammenwirkt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand des Kolbens (14) der Hilfspumpe (13) zwei mit axialem Abstand zueinander angeordnete Endabschnitte (14 a, 14 ft) und einen zwischen den beiden Endabschnitten angeordneten Zwischenabschnitt (35) aufweist, von denen die beiden Endabschnitte mit der Innenwand des Zylinders (15) dicht in Berührung stehen und der Zwischenabschnitt bezüglich der Innenwand zurückgesetzt ist, so daß der Zwischenabschnitt der Kolbenwand mit der Innenwand des Zylinders einen im wesentlichen abgedichteten Ringraum bildet, der Teil der Rückführungsleitung ist und in den der Stutzen (34) mündet, und daß die mit dem Stutzen zusammenwirkende profilierte Fläche des Kolbens von dem Zwischenabschnitt (35) der Kolbenvvand gebildet wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Querschnittsregelung dienenden Mittel (34, 35) den Querschnitt der Rückführungsleitung vollständig verschließen, wenn der Kolben (14) relativ zum Zylinder (15) die eine oder die andere seiner beiden Endstellungen einnimmt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Kolben der Hilfspumpe den Zylinder der Pumpe in zwei Kammern unterteilt, und zwar in eine erste Kammer, die mit der Speiseleitung der Haupteinspritzanlage in Verbindung steht, und eine zweite Kammer, die den Zündbrennstoff enthält, dadurch gekennzeichnet daß die zweite Kammer (B) über ein Rückschlagventil (17) mit einer Zündbrennstoff-Quelle in Verbindung steht

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der Zündbrennstoff aus der Ansaugleitung der Hauptpumpe entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (17) in einem Kanal angeordnet ist, der die zweite Kammer (B) der Hilfspumpe (13) und den Ringraum (C), der einen Teil der Rückführungsleitung bildet, miteinander verbindet.

8. Vorrichtung nach Ansprach 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kammer (B) der Hilfspumpe (13) in zwei in Reihe geschaltete Räume unterteilt ist, und zwar in einen ersten Raum (B_t), der über das Rückschlagventil (17) mit der Zündbrennstoffquelle in Verbindung steht, und einen zweiten Raum (B,), der mit der Hilfseinspritzanlage (6) in Verbindung steht, und daß mit dem Kolben (14) der Hilfspumpe (13) fest verbundene Mittel (28 a, 28 b) vorgesehen sind, die es erlauben, die Verbindung zwischen den beiden Räumen zu unterbrechen wenn der Kolben die eine oder die andere seiner beiden Endstellungen einnimmt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, mit einem Hauptregler, der in der Hauptleitung zwischen der Hauptpumpe und der Haupteinspritzanlage angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführungsleitung (32, 34, C, 33) an einer Stelle zwischen der Hauptpumpe (8) und dem Hauptregler (9) angeschlossen ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer in der Hauptleitung zwischen der Hauptpumpe und der Haupteinspritzanlage angeordneten, einen Druckverlust erzeugenden Einrichtung, wie beispielsweise einem Regler oder einem Filter, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffdruck, der die Hilfspumpe (13) betätigt, stromabwärts von dieser Einrichtung entnommen wird.