DE2020186C3

DE2020186C3 - Vorrichtung zum Steuern der Brennstoffzufuhr einer Brennkammer insbesondere für ein Gasturbinen-Strahltriebwerk während des Zündvorgangs

Info

Publication number: DE2020186C3
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: 1975-12-11
Also published as: DE2020186A1; FR2040938A5; US3611717A; GB1295753A; DE2020186B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage, insbesondere ein Gasturbinenstrahltriebwerk, mit einer Brennkammer, die mindestens zwei verschiedenartige Brcnnstoff-Einspritzanlagen aufweist, und zwar eine Hauplcinspritzanlage, 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 Hilfseinspiilzanlage steht mit der Brennkammer häufig nicht unmittelbar in Verbindung, sondern über wenigstens eine Vorkammer, einer Art kleiner Hilfsbrennkammer, de in der eigentlichen Brennkammer fest angeordnet ist und die dazu dient, eine

Flamme zu erzeugen, die den Brennstoffstrahl zündet, der während des Anlassens oc-er 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 miUels ei.xr 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 Brennstoff und ihre Zündmittel werden unter dem Gesichtspunkt ausgelegt, daß die Entzündbarkeit des Kraftstoff-Luftgemisches unter Berücksichtigung des Erfordernisses, der Anlage, insbesondere im Fall eines Gasturbinenstrahltiiebverks, 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 Leerlaufsiellung, d. h. während des Startens oder der Wiederingangsetzung der Anlage.

Bei den meisten bekannten Brennstoffrcglern wird der Hauptdurchsalz des Brennstoffs durch ein Begrenzungssystem (zur Begrenzung der Beschleunigung oder der Verzögerung) festgelegt, das den Durchsalz in allgemeinen auf einen im wesentlichen konstanten Wert festhält. Da sich der Luftdurchsatz während dieser Zeit in beträchtlichem Ausmaß ändert, ändert sich das Genlischverhältnis 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 Hilfseinspritzanlagc 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 einer Fehlzündung oder zu einer Auslöschung der Vorkammern führen kann.

Durch die Erfindung sollen diese Nachteile vermieden werden, indem der Brennstjffdurchsatz der Haupteinspritzanlagc und der Hilfscinsprit/.anlage 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 Gasturbinenstrahltriebwerk während des /.ündvorgangs oder einer erneuten Zündung, und /war einer Brennkammer, die mindestens zwei verschiedenartige B rennstoff-Einsprit/anlagcn aufweist, d.h. eine Hauplcinspritzanlage, die über eine Hauptleitung von einer kontinuierlich arbeitenden llaiiptpumpc gespeist wird, und eine Hilfseinspritzanlagc, die während des Zündvorgangs von einer diskontinuierlich arbeitenden Hilfspumpe, einer Kolbenpumpe, gespeist wird, die durch den Druck des der Haupteinspritzanlage zugeführten 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 Hilfspurnpe relativ zum Zylinder selbsttätig regelt.

ίο In dem Fall, daß die Anlage eine Rückführungsleitung aufweist, die die Saugseite 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 Hauptcinspritzanlage 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 Haupteinspritzanlagc eine entsprechende Änderung des Brennstoffdurchsatzes der Hilfseinsprilzanlage 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 Qucrschnittsregelung der Rückführungsleitung dienen, einen einen Teil der Rü:kführungslcitung bildenden Stutzen auf, der mit cinei als Schlicßorgan dienenden profilierten Fläche des Kolbens der Hilfspumpe zusammenwirkt. Das Profil dieser Fläche kann vorher, beispielsweise durch experimentelle Bestimmung, in der Weise festgelegl werden, daß man die gewünschte Steuerung erhält.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dei Erfindung weist die Seitenwand des Kolbens dci Hilfspumpe zwei mit axialem Abstand zueinandei angeordnete Endabschniltc und einen zwischen der beiden Endabschnitten angeordneten Zwischenabschnitt auf, von denen die beiden Endabschniltc mil der Innenwand des Zylinders dicht in Berührung stehen und der Zwischcnabschnitt bezüglich der Innenwand zurückgesetzt ist, so daß tier Zwischenabschnitt der Kolbenwand mit der Innenwand des Zylinders einen im wesentlichen abgedichteten Ringraum bildet, der Teil der Rückfiihrungsleilung ist und in den der Stutzen mündet; hierbei wird die mit dem Stutzen zusammenwirkende profilierte Fläche des Kolbens

von dem Zwischcnabschnitt der Kolbenwand gebildet.

Vorzugsweise sind die Mittel, die zur Regelung des Querschnitts der Rückführungsleitung dienen, in der Weise ausgelegt, daß sie den Querschnitt vollständig verschließen, wenn der Kolben bezüglich des Zylinders die eine oder andere seiner beiden Endstellungen einnimmt. Die erfindungsgemäß vorgesehene Rückführung des Brennstoffs ist somit auf die Dauer des Zündvorgangs beschränkt.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Kolben der Hilfspumpe den Zylinder dieser Pumpe in zwei Kammern aufteilt, und zwar in eine erste Kammer, die mit der Hauptleitung in Verbindung steht, und eine zweite Kammer, die den Zündbrennstoff enthält, steht die zweite Kammer über ein Rückschlagventil mit einer Zünd-Brennstoff-Quelle, vorzugsweise der Saugseite der Hauptpumpe, in Verbindung. Das Rückschlagventil kann somit vorzugsweise in einem Kanal angeordnet werden, der die zweite Kammer der Hilfspumpe mit dem Ringraum, der von einem Teil der Rückführungsleilung gebildet wird, verbindet.

Nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die zweite Kammer der Hilfspumpe in zwei Räume unterteilt, und zwar in einen ersten Raum, der über das Rückschlagventil mit der Zündbrennstoff-Quelle in Verbindung steht, und einen zweiten Raum, der mit der Hilfseinspritzanlage verbunden ist, wobei mit dem Kolben der Hilfspumpe fest verbundene Mittel die Möglichkeit bieten, die Verbindung zwischen den beiden Räumen zu unterbrechen, wenn der Kolben die eine oder die andere seiner beiden Endstellungen einnimmt. Die Hilfspumpe ist somit in der Zeit, in der nicht gezündet wird, gegenüber der Brennkammer abgedichtet.

In dem Fall, daß in der Hauptleitung zwischen der Hauplpumpe und der Haupteinspritzanlage ein Hauptregler angeordnet ist, ist die Rückführungsleitung vorzugsweise zwischen der Hauptpumpe und dem Hauptregler angeschlossen. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die erfindungsgemäße Regelung bei einem größeren Gesamtdurchsatz durchgeführt und somit die Präzision bezüglich dieser Regelung verbessert werden kann.

Der Druck der zur Betätigung der Hilfspumpe dient, wird in diesem Fall stromabwärts von dem Regler abgenommen, d. h. grundsätzlich stromabwärts von jeder Einrichtung, die einen Druckverlust erzeugen kann (beispielsweise ein Filter, ein Schließventil od. dgl.), so daß der oben erläuterte Zustand hergestellt wird, wonach die Hilfspumpe von dem Speisedruck der Haupteinspritzanlage benötigt wird.

An Hand der Zeichnungen wird eine Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern der Brennstoffzufuhr einer Brennkammer während des Zündvorgangs, wobei die Vorrichtung in einer ihrer Endstellungen dargestellt ist, die dem Fall entspricht, in dem die Brennkammer nicht arbeitet,

F i g. 2 eine der F i g. 1 entsprechende Ansicht, in der jedoch die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ihrer Zwischenstellungen dargestellt ist, die dem Fall entspricht, in dem die Brennkammer gezündet oder von neuem gezündet wird,

F i g. 3 eine den F i g. 1 und 2 entsprechende Ansicht, in der die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Nähe ihrer anderen Endstellung dargestellt ist, die dem Ende des Zündvorgangs entspricht,

F i g. 4 ein Diagramm das den Verlauf des Brennstoffdurchsatzes, der während des Zündvorgangs in die Brennkammer eines Turbinenstrahltriebwerks eingespritzt wird, in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Turbinenstrahltriebwerks zeigt.

In den Figuren ist eine Anlage 1, beispielsweise ein Gasturbinenstrahltriebwerk, angedeutet, das eine

ίο erfindungsgemäße Steuervorrichtung aufweist. Die Anlage 1, die mittels eines vom Piloten betätigbaren Steuerhebels M gesteuert wird, wird im Betrieb von einem Luftstrom F veränderlichen Durchsatzes durchströmt, der nacheinander durch einen Verdichter2, eine Brennkammer 3 und eine Turbine 4 strömt.

In die Brennkammer 3 münden zwei verschiedene Brennstoff-Einspritzanlagen, und zwar eine Haupteinspritzanlage 5 und eine Hilfseinspritzanlage 6. Die Haupteinspritzanlage 5, die eine oder mehrere Einspritzdüsen aufweist, wird über eine Hauptleitung 7 mit Brennstoff versorgt, die unter Zwischenschaltung einer Pumpe (nicht gezeigt) mit einem Behälter (nicht gezeigt) verbunden ist. Diese Leitung enthält eine kontinuierlich arbeitende Hauptpumpe 8, beispielsweise eine Zahnradpumpe, einen Hauptregler 9 und ein Filter 10. Dem Hauptregler 9 ist der Steuerhebel M zugeordnet, der vom Piloten betätigt wird und der mehrere Stellungen, insbesondere eine HaItstellung A und eine Leerlaufstellung R einnehmen kann. Eine Hilfsleitung 7 α die von dem Hauptregler 9 abgezweigt ist, ermöglicht in bekannter Weise, den tatsächlichen Durchsatz, der zu der Haupteinspritzanlage 5 gelangt, durch Zurückführen eines Teils des von der Pumpe 8 geförderten Brennstoffs auf den gewünschten Wert zu begrenzen. Wenn sich der Steuerhebel M in der Haltstellung befindet, wird der gesamte von der Pumpe 8 geförderte Brennstoff durch die Hilfsleitung 7 α zurückgeführt. Die Hilfseinspritz-

anlage 6 gibt während des Zündvorgangs einen Brennstoffstrahl an eine Vorkammer 11 ab, die in bekannter Weise in der Brennkammer 3 angeordnet ist und mit elektrischen Zündmitteln, beispielsweise einer Zündkerze 11a, ausgerüstet ist. Die Hilfsein-Spritzanlage 6 ist über eine Leitung 12 mit einer diskontinuierlich arbeitenden Pumpe 13, einer Kolbenpumpe mit einem Kolben 14 und einem Zylinder 15 verbunden. Die Pumpe 123 wird durch den Druck des Brennstoffs, der der Haupteinspritzanlage 5 zu-

geführt wird, betätigt. Die beiden Deckel des Zylinders sind mit den Ziffern 15 a und 15 b bezeichnet.

Der Kolben 14 unterteilt den Zylinder 15 in zwei Kammern, und zwar in eine erste Kammer^, die der genannten Druck empfängt, und eine zweite KammerB, die den Zündbrennstoff enthält. Die Kammer/l ist mit der Hauptleitung 7 über eine Leitung 16 verbunden, die von einem Punkt abgezweigt ist. der stromabwärts von dem Hauptregler 9 und dem Filter 10 liegt stromabwärts also von sämtlicher Einrichtungen, die einen merklichen Druckabfall erzeugen können, so daß der in der Kammer herrschende Druck immer gleich dem Druck des Brennstoffs ist, der in die Haupteinspritzanlage eingespeisl wird.

Die Kammer B steht über das bereits erwähnte Rückschlagventil 17 mit einer Zündbrennstoffquelle, vorzugsweise der Saugseite der Hauptpumpe 8, ir Verbindung. In Ermangelung einer entgegenwirken-

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

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/) und einen zwischen den beiden Endabschnitten angeordneten Zwischenabschnitt 14c 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 verschen ist. Die sich im wesentlichen axial crstrekkendc 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 14 d 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 Sackbohrung 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 15ft angeordnet ist und mit dem Zylinderboden fest verbunden ist in zwei RäumeB_x und B₂ unterteilt. Der erste Raum B₁ steht über das Rückschlagventil 17 mit dem Ringraum Γ in Verbindung, während der zweite Raum B, über die Leitung 12 mit der Hilfseinspritzanlage 6 verbunden ist. Die beiden Räume B₁ und ß„ 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 a 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 (F 1 g. 1) oder die andere (Fig. 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 de: während des Zündvorgangs in die Brennkammer '. und die Vorkammer 11 eingespritzt wird, mit großei Genauigkeit geregelt werden kann. Diese Vorrich tung besteht im wesentlichen aus einer Rückführungsleitung, die die Druckseite mit der Saugseite dei Hauptpumpe verbindet, und aus Mitteln, die der Querschnitt der Rückführungsleitung in Abhängigkeil von der Stellung des Kolbens 14 relativ zum Zylinder 15 selbsttätig regelt. Die Rückführungsleitunj 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 angeschlosser ist und beide in den Ringraum C münden, der somii 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 mil 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 dei 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 Fall angenommen, daß sich der Steuerhebel M in der Halt-Stellung A befindet, wobei der gesamte Durchsatz des Brennstoffs der Hauptpumpe 8 durch die Hilfsleitung Ta zur Ansaugleitung der Pumpe zurückgefördert wird, wobei die Brennkammer 3 außer Betrieb ist.

Der Druck des Brennstoffs in der Kammer A ist 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 Fig. 1 dargestellten linken Endstellung befindet. In dieser Stellung sind der Stutzen 34 und das Rückschlagventil 17 verschlossen. Die Räume B₁ und B₂ sind durch den Dichtungsring 28 b voneinander getrennt.

Während des Anlassens oder Wiederingangsetzens der Anlage gelangt der Steuerhebel M von der Halt-Stellung A in die Leerlaufstellung/?. Die Hauptpumpe 8 beginnt dann durch die Hauptleitung 7 die Einspritzdüsen der Haupteinspritzanlage 5 zu füllen. Am Ende des Füllvorgangs steigt der Druck des Brennstoffs in der Hauptleitung 7 abrupt an und bewirkt, da er durch die Leitung 16 in die Kammern! übertragen wird, daß sich der Kolben 14 nach rechts (in der Figur) zu bewegen beginnt. Der Dichtungsring 28 b, der von der Stange 27 getragen wird, entfernt sich somit von der Bohrung 26, so daß der Zündbrennstoff, der in der Kammer B enthalten ist, durch die Drosselstelle 30 und die Leitung 12 in die Hilfseinspritzanlage 6 zu fließen beginnt, die in die Vorkammer 11 mündet.

Die Steuervorrichtung befindet sich nun in der in Fig.2 dargestellten Stellung. Der Kolben 14, der sich nach rechts verschoben hat, gibt den Stutzen 34 frei, so daß ein Teil des Brennstoffs der von der Hauptpumpe 8 gefördert wird, durch die Leitung 32, den Stutzen 34, den Ringraum C und die Leitung 33

zur Saugleitung der Pumpe zurückgefordert wird. Der Durchsatz des zurückgeforderten Brennstoffs verändert sich in Abhängigkeit von dem Abstand, der sich zwischen der freien Fläche des Stutzens 34 und dem Profil 35 des Zwischenabschnitts 14 c des Kolbens 14 befindet, d.h. in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens. Die Form des Profils ist, beispielsweise experimentell, in der Weise vorher bestimmt, daß der Durchsatz des Brennstoffs, der in die Haupteinspritzanlage gelangt (der Durchsatz also, der gleich dem Gesamtdurchsatz der Pumpe 8 minus dem zurückgeführten Durchsatz ist), sich während des Zündvorgangs nach einem zweckmäßigen Gesetz ändert, anstatt im wesentlichen konstant zu bleiben, wie dies der Fall wäre, wenn er durch eine herkömmliche Begrenzungsvorrichtung festgelegt werden würde.

In der gleichen Weise wird der Durchsatz der Hilfseinspritzanlage 6 in Übereinstimmung mit dem Durchsatz der Haupteinspritzanlage verändert, anstatt während des gesamten Zündvorgangs im wesentlichen konstant zu bleiben, wie das bei Anlagen mit einer herkömmlichen Einspritzpumpe der Fall ist.

Wenn man mil Q den Durchsatz des Brennstoffs der Haupteinspritzanlage, mit Q₁ den Durchsatz des Zündbrennstoffs, mit S den charakteristischen Querschnitt der Haupteinspritzanlage, mit S₁ den charakteristischen Querschnitt der Hilfseinspritzanlage, mit P den Speisedruck der Haupteinspritzanlage, mit P₁ den Einspritzdruck des Zündbrennstoffs und mit k und k_t zwei Konstante bezeichnet, ergibt sich:

hältnisse mit R und R₁ und mit &₅ und k₀ zwei weitere Konstanten bezeichnet erhält man:

hieraus folgt:

Ar₅D

D₁

k,D

Q =

Q₁

Wenn man die sehr geringe Wirkung der Feder 18 vernachlässigt, können der Druck P und der Druck P₁ im wesentlichen als gleich bzw. als proportional angesehen werden. Man erhält dann:

P₁ = kf; Q₁ = *,S,y*; ]fp = kj

k₂ und k.
aus ergibt sich:

worin k₂ und k₃ zwei weitere Konstanten sind. Hier-

Q_ ₌ JcS_, ₌ _k

Q₁ k₃S,

k_i ist ebenfalls eine Konstante.

Da der Durchsatz Q durch die veränderliche Rückführungseinrichtung moduliert wird, ergibt sich daraus, daß der Durchsatz Q₁ ebenfalls, und zwar in einem konstanten Verhältnis, moduliert wird. Durch einen entsprechenden Verlauf des Profils der Fläche 35 läßt sich somit erreichen, daß der Durchsatz des Brennstoffs beständig an den Durchsatz der Luft angepaßt bleibt, die die Brennkammer 3 bzw. die Vorkammer 11 durchströmt, wobei es sich um Durchsätze handelt, die ebenfalls zueinander ein konstantes Verhältnis haben, so daß in der Brennkammer und der Vorkammer während der gesamten Dauer des Zündvorgangs ein optimales Gemischverhältnis sichergestellt wird.

Wenn man die betrachteten Luftdurchsätze mit D und D und die daraus resultierenden Gemischver-Dic beiden Gemischverhältnisse haben somit ein konstantes Verhältnis. Um die Zündung zu erleichtern, kann man für die Vorkammer 11 vorteilhafterweise ein Gemischverhältnis A₁ festlegen, das größer als das Gemischverhältnis der Brennkammer 3 ist, das jedoch trotzdem proportional bleibt. Hierzu genügt es, &_fl<l zu wählen.

Während der gesamten Verschiebung des Kolbens 14 ist der Druck des Zündbrennstoffs in der Kammer B groß genug, um das Rückschlagventil 17 auf seinen Sitz zu drücken, was jegliche Verbindung zwischen dieser Kammer und dem Ringraum C unterbricht.

Am Ende des Zündvorgangs erreicht der Kolben 14 seine andere Endstellung (rechts in Fig. 3). Die Einspritzung von Kraftstoff durch die Hilfseinspritzanlage ist dann beendet, und die Räume B₁ und B₂ sind wieder voneinander getrennt, aber dieses mal durch den Dichtungsring 28 a. Der Stutzen 34 ist wieder vollständig durch die Fläche 35 verschlossen, so daß die Rückströmung durch die Rückführungsleitung 32, 34, C, 33 unterbrochen ist. Wenn die Brennkammer 3 gezündet ist, wird die Brennstoffregelung von diesem Augenblick an von dem Hauptregler 9 vollständig übernommen. Während des Betriebs der Anlage bleibt der Kolben 14 in seiner rechten Endstellung.
Wenn der Steuerhebel M in seine Halt-Stellung zurückkehrt, sinkt der Druck in der Kammer A plötzlich ab, so daß der Kolben 14 unter der Wirkung der Feder 18 nach links (in Fig. 1) zurückkehrt, wobei er die in F i g. 2 dargestellten Zwischenstellungen durchläuft. Die Bewegung des Kolbens erzeugt in der

Kammer B einen Unterdruck. Unter der Wirkung dieses Unterdrucks füllt Brennstoff, der stromaufwärts von der Hauptpumpe 8 durch die Leitung 33, den Ringraum C, die Querbohrung 20, die Sackbohrung 19, das geöffnete Rückschlagventil 17 und die Boh-

rung 24 angesaugt wird, von neuem die beiden Räume B₁ und B., der Kammer B.

Wenn der Kolben 14 wieder seine linke Endstellung (Fig. 1) erreicht hat, sind das Rückschlagventil 17 und dtr Stutzen 34 von neuem verschlossen. Die Räume B₁, A₄ und der Ringraum C, die mit Brennstoff gefüllt sind, sind somit wieder voneinander getrennt. Die Steuervorrichtung ist dann wieder für einen neuen Zündvorgang bereit.

Fig.4 ist ein Diagramm eines Zündvorgangs. In

diesem Diagramm sind auf der Ordinate der Durchsatz Q des Hauptbrennstoffs und der Durchsatz Q₁ des Zündbrennstoffs und auf der Abszisse die Verschiebung des Kolbens bzw., was im Fall eines Gasturbinentriebwerks auf das gleiche hinausläuft, die Drehzahl N des Tiebwerks aufgetragen.

Der Punkt O entspricht dem Augenblick, in dem der Steuerhebel M, der sich vorher in der Haltstellung 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 wiederspicgelt.

Der Punkt N„ entspricht dem Ende der Einspritzung von Zündbrennstoff in die Vorkammer 11 und der Punkt /V, dem Ende des Vorgangs, in dem die Lecrlaufstellung erreicht wird.

Zwischen /V₁ 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 Q₁, 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 /V regelt, und die eines Hilfsreglers, der den Beginn der Einspritzung, den Verlauf des Durchsatzes Oi in Abhängigkeit von der Drehzahl N, und das Ende der Einspritzung festlegt. 3"

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 ideale 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 Betriebsabiauf 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 gedruckt 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 arbeitenden Hauptpumpe gespeist wird, und eine Hilfseinspritzanlage, die während des Zündvorgangs von einer diskontinuierlich arbeitenden Hilfspumpe, ehier Kolbenpumpe, gespeist wird, die durch den Druck des der Haupteinspritzanlage zugeführten Brennstoffs betätigt wird, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung (34, 35), die den Durchsalz des Brennstoffs, der von der Haupteinspritzanlage (5) in die Brennkammer (3) eingespritzt wird, in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens (I⁴) der Hilfspumpe (13) relativ zum Zylinder (15) selbsttätig regelt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer Rückführungsleitung, die Druckseite und Saugseite der Hauptpumpe miteinander 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 Querschnittsrcgelung dienenden Mittel einen einen Teil der Rückführungsleilung bildenden Stutzen (34) aufweisen der mit einer als Schließorgan 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 b) 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 abgcdichteten 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 Kolbenwand gebildet wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Querschniltsregelung dienenden Mittel (34, 35) den Querschnitt der Rückführungsleiuing 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 (ß) der Hilfspumpe (13) und den Ringraum (C), der einen Teil der Rückführungsleitung bildet, miteinander verbindet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 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 (B₁), der über das Rückschlagventil (17) mit der Zündbrennstoffquelle in Verbindung steht, und einen zweiten Raum (B₂), 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.