DE2059314A1

DE2059314A1 - Integriertes Brennstoff-Steuersystem fuer einen Gasturbinenmotor

Info

Publication number: DE2059314A1
Application number: DE19702059314
Authority: DE
Inventors: Avery Paul Adrian
Original assignee: Avco Corp
Current assignee: Avco Corp
Priority date: 1969-10-31
Filing date: 1970-11-27
Publication date: 1972-06-22
Also published as: US3596467A; GB1287838A; FR2118288A5; DE2059314C3; DE2059314B2

Description

AVCO CORPORATION Suite 1800, 1014 Vine Street, Cincinnati, Ohio, 45202

U.S.A.
Integriertes Brennstoff-Steuersystem für einen Gasturbinenmotor

Zusammenfassung der Erfindung

Es wird ein integriertes Brennstoff-Steuersystem für einen Gasturbinenmotor geschaffen. Das System weist ein stufenlos schaltbares Ringgetriebe auf, das durch eine Rotoranordnung des Motors angetrieben wird. Die Ausgangsleistung des Getriebes wird einem Wechselstromerzeuger und einer Zentrifugal-Brennstoffpumpe zugeführt. Die Pumpe nimmt Brennstoff von einer geeigneten Quelle auf und setzt denselben für die Abgabe in den Motor unter Druck. Ein elektrischer Rechner erzeugt ein geplantes Brennstoff-Fließsignal, und ein Fließwandler erzeugt ein tatsächliches Brennstoff-Fließsignal. Diese Signale werden einem Komperator zugeführt, der das sich ergebende Ausgangssignal einem Motor mit konstantem Drehmoment zuführt. Dieser Motor mit konstantem Drehmoment führt zu einer Veränderung in dem Geschwindigkeitsverhältnis des schaltbaren Antriebs unter Verändern der Umdrehungszahl der Zentrifugalpumpe und dem sich somit ergebenden Brennstoff-Fluß zu dem Motor. Das elektrische Ausgangssignal des Wechselstromerzeugers wird durch den Rechner, den Komperator und den eigentlichen, den Fluß bedingenden Elementen und weiteren Steuervorrichtungen des Motors angewandt. Nach einer wahlweisen Ausführungsform werden der schaltbare Antrieb und die Zentrifugalpumpe dazu angewandt, eine konstante Druckdifferenz über ein den Brennstoff-Fluß einstellendes Ventil aufrechtzuerhalten, das vermittels einer hydromechanischen Brennstoffsteuerung angetrieben wird.

In den letzten Jahren sind wesentliche Fortschritte auf dem Gebiet der Brennstoff-Steuerung gemacht worden, um so eine Steuerung von Gasturbinen-Motoren zu ermöglichen zwecks Erzielen optimaler, verläßlicher und sicherer Arbeltsleistung derselben. Diese Fortschritte haben übermäßig verwickelte und zahlreiche Steuerfunktionen von Vorrichtungen erforderlich gemacht, die dazu ange-

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wandt werden, den Brennstoff dem Gasturbinenmotor zuzuführen. Beispiele für diese Steuererfordernisse sind die Fähigkeit nicht einwandfreie Motorenstarts zu unterbrechen, den Brennstoff so zu steuern, daß in dem Motor der Punkt, an dem das Pumpen des Kompressors beginnt, vermieden wird, um Steuersignale für veränderliche Scnaufe!mechanismen oder Kompressorausströmanordnungen vorzusehen. Während diese Anforderungen an verwickelte Steuererfordernisse zugenommen haben, sind die Umweltsbedingungen, unter denen der Gasturbinenmotor arbeitet, immer extremer geworden. Dies trifft insbesondere für Gasturbinenmotoren zu, die für den Antrieb von Hubschraubern angewandt werden, da der Motor einem breiten Ber*ich an Feuchtigkeit, Staub, Sand und weiteren Materialien ausgesetzt ist, die dazu neigen eine Brennstoffverunreinigung ein ernsthaftes Problem werden zu lassen.

Der Grund für dieses Problem besteht darin, dassherköramliche Brennstoff-Steuersysteme zwangsläufig arbeitende Verdrängungspumpen besitzen, deren Ausgangsleistung aufgrund eines Druckunterschiedes über eine Öffnung mit veränderlicher Fläche umgangen wird, wobei eine Betätigung durch eine hydromechanische Brennstoff-Steuerung erfolgt. Um die verwickelten Steuerfunktionen bei einer derartigen Steuerung zu erzielen, ist es erforderlich, eine große Anzahl genau ineinanderpassender Kolben, Diaphragmen, Tellerventile usw. vorzusehen, die allesamt durch Druckveränderungen des Brennstoffes, der durch den Motor verbraucht wird, angetrieben oder verdrängt werden. Wenn das Flugzeug den oben beschriebenen nachteiligen Umweltsbedingungen ausgesetzt wird, findet eine große Menge der verunreinigenden Komponenten ihren Weg in die Brennstoffzuführung zu dem Motor. Diese verunreinigenden Komponenten treten durch das Brennstoff-Steuersystem hindurch und neigen dazu sich an den gegeneinander reibenden Oberflächen der herkömmlichen Brennstoff-Steuersysteme zu sammeln. Es sind Versuche unternommen worden die Wirkung der verunreinigenden Komponenten dadurchhintenanzuhalten, daß extrem verwickelte und kostspielige Waschfilter in Strömungsrichtung vor der Brennstoffsteuerung und Wischanordnungen für sich bewegende Teile der Ventilanordnung vorgesehen werden. Diese Anordnungen sind jedoch in ihrer Nützlichkeit begrenzt, da die Filter gegebenenfalls schließlich aufhören zu funktionieren

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wenn sie nicht regelmäßig ersetzt werden, und die verunreinigenden Komponenten treten in die Steuerung ein und beeinflussen die normale Arbeitsweise derselben nachteilig.

Ein weiteres Problem, das sich durch die derzeitigen Brennstoff-STeuersysteme ergibt, besteht darin, daß die durch den Motor angetriebene Pumpe eine Ausgangsleistung proportional zu der derselben zugeführten Geschwindigkeit aufweist, wie sie durch den Motor geliefert wird, dieselbe für die Bedingung ausgelegt sein muß, daß der Motor eine größtmögliche Brennstoffzufuhr bei geringstmöglicher der Pumpe zugeführter Drehung erfordert. Da diese Bedingung nur kurzzeitig im Verlaufe des normalen Motorenbetriebes auftritt, muß die von der Pumpe abgegebene überschüssige Brennstoffmenge für alle anderen Motorenbedingungen nebengeleitet werden. "

Dieses Nebenleiten des Brennstoff-Flusses hat zwei unzweckmäßige Wirkungen. Die erste besteht darin, daß ein Übermaß an Energie für den Antrieb einer Pumpe mit Übermaß erforderlich ist. Der zweite besteht darin, daß das unter Drucksetzen des Brennstoffes durch die Pumpe und das Nebenleiten des Brennstoffes des in Strömungsmittel vor der Pumpe vorliegenden niedrigeren Drucks zu einem thermodynamischen Verfahren führt, das die Temperatur des Brennstoffes erhöht. Da der Brennstoff normalerweise als ein Wärmeaustauscher für viele Teile in dem Motor und einer Flugzeugumkleidung dient, benachteiligt diese Temperaturerhöhung die Fähigkeit desselben, als eine Wärmeaustauscher-Flüssigkeit zu wirken.

Ein weiteres Problem bei herkömmlichen Brennstoff-Steuerungen be- * steht darin, daß die große Pumpe mit dem Antriebssystem des Motors verbunden ist, und die hydromechanische Brennstoff-Nebenleitungs- und Einstellanordnung befindet sich an einer anderen Stelle an dem Motor, wodurch der Beitrag derselben zur Erhöhung des Gesamtgewichtes des Motors und der Größe des Motors erhöht wird.

Eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht somit darin, für einen Gasturbinenmotor ein Brennstoff-Steuersystem zu schaffen, das gegenüber Verunreinigung widerstandsfähig, sehr kompakt, leicht und in der Funktionsweise wirksam ist. Diese der Erfindung zugrun-

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liegende Aufgabe wird erfindungsgemäß allgemein dadurch gelöst, daß ein Brennstoff-Steuersystem für einen Gasturbinenmotor geschaffen wird, der eine Rotoranordnung aufweist, welche innerhalb eines stark veränderlichen Drehverhältnisses drehbar ist. Das Brennstoff-Steuersystem weist eine Anordnung für das Ausbilden eines Brennstoff-Fließweges von einem Vorrat zu dem Motor auf. Es ist eine Brennstoffpumpe mit einer drehbaren Antriebswelle in der Fließweganordnung vorgesehen für das Unterdrucksetzen des Brennstoffs auf einen Wert, der von der Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle der Pumpe abhängt. Ein stufenlos veränderliches Getriebe verbindet die Pumpenantriebswelle mit der Rotoranordnung des Motors. Für das Steuern des Gschwindigkeitsverhältnisses des veränderlichen Antriebs ist eine Anordnung für das Befriedigen der Brennstofferfordernisse des Motors unabhängig von der Drehgeschwindigkeit der Motorenrotoranordnung vorgesehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine diagrammförmige Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoff-Steuersystems zusammen mit einem Gasturbinenmotor, an dem dasselbe Anwendung findet;

Fig. 2 eine diagrammförmige Darstellung, die eine wahlweise Ausführungsform des Brennstoff-Steuersystems nach der Fig. 1 wiedergibt;

Fig. 3 einen längsseitigen Schnitt durch eine integrierte Brennstoff-Steueranordnung mit den Steuergrundsätzen des Systems nach der Fig. 1;

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 nach der Fig. 3.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 ist dort ein Gasturbinenmotor IO gezeigt, an dem der Erfindungsgegenstand Anwendung findet. Der Motor IO weist einen Kompressor 12 auf, der Luft aus einem Einlaß 14 für das Unterdruck Fetzen und Abgabe an eint; Verbrennungseinheit 16 aufnimmt. Der Brennstoff wird einer Reihe Düsen, nicht gezeigt, vermittels einer Düsenzuführungsleitung 18 für das Eindrücken in die Verbrennungseinheit lfc zugeführt. Der Brennstoff und die unter Druck stehende Luft werden vermischt und fitzündet unter Ausbilden eines antreibenden Gasstroms, der über eine Tur-

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bine, nicht gezeigt/ geführt wird, um so einen Teil der zur Verfügung stehenden Energie für den Antrieb der Kompressoreinheit abzunehmen. Der Gasstrom wird entweder über eine Kraftturbine, die, wie hier gezeigt, eine drehbare Kraftabgabewelle 20 antreibt oder direkt an die Außenluft unter Ausbilden eines Reaktionsantriebes abgegeben.

Die Zuführung des Brennstoffs zu dem Motor 10 über die Düsenzuführungsleitung 18 wird durch ein Brennstoff-Steuersystem gesteuert, das ein stufenlos veränderliches Getriebe, siehe das Bezugszeichen 22 aufweist. Dieses Getriebe 22, stellt, wie gezeigt, ein Ringgetriebe der allgemeinen Art dar, wie es in den US-Patentschriften 2 959 972, 2 959 973 und 2 962 909 gezeigt ist. Die Einzelheiten des mit verän- | derlicher Geschwindigkeit arbeitenden Getriebes werden im Zusammenhang mit der Erläuterung einer speziellen erfindungsgemäßen Ausführungsform weiter unten beschrieben. Zur allgemeinen Erläuterung des Erfindungsgegenstandes wird jedoch im folgenden ledglich eine schematische Beschreibung des Getriebes gegeben.

Eine Eingangsantriebswelle 23 und eine Eingangsringscheibe 24 werden durch eine Rotoranordnung des Motors 10, zu beachten ist die mechanische Verbindung, angetrieben, üblicherweise würde die das Getriebe antreibende Rotoranordnung der Rotor des Gasgeneratorkompressors sein. Für einige Anordnungen kann jedoch Kraft von der Kraftabgabewelle 20 abgenommen werden. Es ist eine drehbare Kraftabgabewelle und eine Kraftabgaberingscheibe 26 im Abstandsverhältnis zu der Ein- | gangsringscheibe 24 angeordnet. Eine Mehrzahl an Steuer-baren Antriebsrädern 28 liegt gelagert in einem ortsfesten Käfig, nicht gezeigt, so vor, daß eine Seite des Rades durch die lingangsringscheibe 24 angetrieben wird, und die gegenüberliegende Seite des Rades treibt die Kraftabgaberingscheibe 26 an. Der Winkel der Räder mit den Ringscheiben 24 und 26 wird durch eine Betätigungsvorrichtung, wie einen Motor 30 mit konstantem Drehmoment gesteuert. Hierdurch werden die relativen Berührungsstellen mit den Scheiben und somit das sich ergebende Geschwindigkeitsverhältnis des Getriebes ausgebildet. Somit können die antreibenden Räder 28 aus der in der Fig. 1 gezeigten Lage bei der die Kraftabgabewelle mit einer geringeren Geschwindigkeit als die Eingangswelle umläuft, in eine andere Lage gesteuert werden, in der die Kraftabgabewelle mit einer höheren Geschwindigkeit als

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die Eingangswelle umläuft.

Die Kraftabgabewelle 25 des Getriebes 22 ist mit einer Brennstoffpumpe 32 verbunden, die Brennstoff aus einer Zuführungsleitung 34 aufnimmt und den Brennstoff für die Abgabe in die Zuführungsleitung 18 auf einen Wert unter Druck setzt, der von der Drehgeschwindigkeit der Eingangswelle 26 abhängt. Die Pumpe 32 ist eine Zentrifugalpumpe, die den Brennstoff aus der Einlaßleitung 34 aufnimmt und denselben vermittels eines Rotorelementes 36 auf einen höheren Druckwert beschleunigt.

Ein in der Leitung 18 angeordneter Fließwandler 38 erzeugt in der Leitung 40 ein Steuersignal, das den tatsächlichen Brenstoff-Fluß durch die Zuführungsleitung 18 wiederspiegelt. Ein geeigneter Fließwandler für diesen Zweck ist ein Oszillatorwandler auf der Grundlage der "Vonnegut Pfeife", wie von R.C. Chanaud, A.E. Rodley und D.F. White in der A.S.M.E. Veröffentlichung "A Digital Flowmeter without moving Parts" beschrieben. Der Fließwandler bildet eine Schwingung aus, die direkt proportional dem volumetrischen Brennstoff-Fluß durch die Düsenzuführungsleitung 18 ist, und diese Schwingung wird elektrisch festgestellt für eine übertragung vermittels der Leitung 40 zu einem Komperator 42. Ein zweiter Einlaß des Komperators 42 ergibt sich von einem Rechner 44 über die Leitung 46. Der Rechner kann vielerlei Formen annehmen, ist jedoch hier zur Erläuterung kurz als elektronische Planvorrichtung bezeichnet, die ein elektrisches Ausgangssignal ausbildet, welches einen geplanten volumetrischen Brennstoffraittelfluß für spezielle Arbeitsbedingungen des Motors wiederspiegelt. Dieser geplante Brennstoff-Fluß hängt teilweise von den Stellungen eines durch eine Bedienungsperson gesteuerten Gashebels 48, der durch weitere Steuerparameter, nicht gezeigt, modifiziert wird, ab, die den durch den Gashebel 48 geplanten Fluß begrenzen, um so den Punkt, an dem das Pumpen des Kompressors beginnt oder andere nachteilige Arbeitsbedingungen zu verhindern. Rechner dieser Art sind allgemein bekannt, so daß es nicht erforderlich ist, die diesbezüglichen Einzelheiten hier zu erläutern. Der Fachmann kann für das Anwenden im Zusammenhang mit dem Steuersystem nach der Fig. 1 ohne

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weiteres einen entsprechenden Rechner auswählen.

Der Komperator 42 erzeugt ein elektrisches Fehlersignal, das direkt proportional der Differenz zwischen dem geplanten Brennstoff-Fluß und dem tatsächlichen Brennstoff-Fluß ist. Dieses Fehlersignal wird dem Motor 30 über die Leitung 31 zugeführt unter Verändern des Geschwindigkeitsverhältnisses des Ringgetriebes 22 und Aufrechterhalten des von der Pumpe 32 abgegebenen Drucks bei einem Wert, der dazu führt, daß der tatsächliche Strömungsmittelfluß gleich dem geplanten Strömungsmittelfluß ist.

Es ist hier wichtig festzuhalten, daß der Strömungsmittelfluß lediglich einer einer Anzahl an Betriebsparametern des Motors ist, die für das Planen der Brennstoffzufuhr zu dem Motor IO angewandt werden können. Beispiele für weitere Parameter, die hier angewndt werden | können für das Planen des Brennstoffmittelflusses sind die Turbineneinlaß temperatur oder der am Auslaß des Kompressors vorliegende Drucke. Nenn diese Parameter angewandt werden, erzeugt der Rechner den geplanten Wert des Parameters, und eine Fühlvorrichtung für die Einlaßtemperatur der Turbine oder des Auslaßdrucks des Kompressors erzeugt den tatsächlichen Wert des Parameters.

Bei dem Betrieb wird der Rotor des Kompressors 12 durch einen geeigneten Startermotor bis zu einer niedrigen Motorengeschwindigkeit angetrieben. Während dieses Zustandes wird durch den Rechner 44 ein STart-Brennstoff-Fluß angefordert. Da die Drehgeschwindigkeit des Kompressors sich bei einem relativ niedrigen Wert befindet, führt das von dem Motor 30 abgegebene resultierende Fehlersignal dazu, | daß das Ringgetriebe 22 ein größtes übersetzungs-Geschwindigkeits- Verhältnis erreicht. Sobald die Verbrennung in dem Motor läuft, würde sich die Geschwindigkeit des Kompressorrotors auf einen Leerlaufwert erhöhen, wodurch die dem Anrieb 22 zugeführte Geschwindigkeit erhöht wird. Die sich ergebende Erhöhung des Flusses von der 32 .ms wird durch den Fließmesser festgestellt. Ein du- ι Komperator 42 erzeugtes Fehlersignal betätigt den Motor 50 Verringern des Übersetzungsverhältnisses dee J.nti^cher /2. SoIiI' dei not er auf normale Arbeitswerte beschleunigt ιΐ·^%*5 ζιϊπ« /mtri z.U. eiiiec riugzeuges während des Anlaufs und St--^ tr üblicher Ϊ '-. ibedingungen, Abstieg und Landen angewandt wird, wird da< hntr « ' :i-

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Verhältnis des Antriebes stufenlos so verändert, daß stets die Pumpe 32 einen Druck abgibt, der den geplanten Brennstoff-Fluß erreichen läßt, der durch den Rechner 44 angefordert wird.

In der Fig. 2 ist eine wahlweise Ausführungsform des Brennstoff-Steuersystems nach der Fig. 1 wiedergegeben. Bei diesem System nimmt ein Ringgetriebe 22' die von einem Rotor eines Gasturbinenraotor-Kompressors, ähnlich der Vorrichtung nach der Fig. 1, gelieferte Energie auf und treibt eine Zentrifugalpumpe 32' an, die den Brennstoff an eine Düsenzuführungsleitung 18* abgibt. Das Meßventil weist eine Öffnung veränderlicher Fläche auf, wobei die Fläche mechanisch aufgrund der von einem Rechner 52 zugeführten Energiewerte ausgewählt wird. Der Rechner 52 kann ein beliebiger geeigneter bekannter hydromechanischer oder elektrischer Rechner sein, der ein Verdrängungsausgangs-Signal für die Öffnung mit veränderlicher Fläche aufgrund der zugeführten Werte ergibt, die durch den vermittels der Bedienungsperson gesteuerten Gashebel 54 bedingt werden, die noch durch weitere Steuereinführungen eine Modifizierung erfahren.

Der an dem Abmeßventil 50 vorliegende Druckunterschied wird duch die Leitungen 56 und 58 festgestellt, die mit dem gegenüberliegenden Ende eines Zylinders 60 verbunden sind. In dem Zylinder liegt verschiebbar ein Kolben 62 vor und weist eine Betätigungsstange 64 auf, die über ein geeignetes Gestänge 66 mit dem Antrieb so verbunden ist, daß ein Verschieben der Kolbenstange 64 nach rechts, siehe die Zeichnung, zu einem Erhöhen des Ubersetzungs-Geschwindigkeitsverhältnisses des Betriebes 22* führt. Das Ende des Zylinders 60, das dem Druck in Strömungsrichtung hinter dem Abmeßventil 50 über die Leitung 58 ausgesetzt ist, weist eine Feder 68 auf, die den Kolben 62 in eine Lage drückt, bei der sich ein Erhöhen des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes 22' ergibt.

Bei dem Betrieb dieser Vortichtung wird der an dem Abmeßventil vorliegende Druckunterschied auf die gegenüberliegenden Enden des Zylinders 60 beaufschlagt und führt dazu, daß der Kolben 62 verschoben wird und so das Geschwindigkeitsverhältnis des Getriebes 22' verändert. Dies nun führt andererseits zu einer Veränderung des

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von der Plampe 32* abgegebenenen Drucks, wodurch der Druck in Strömungsrichtung vor dem Abmeßventil aufrechterhalten wird, der einen vorherbestimmten konstanten Wert über dem Druck inStrömungsrichtung hinter dem Abraeßventil 50 darstellt. Als Ergebnis hiervon führt der konstante Druckunterschied über das Abmeßventil zu einem Fluß durch das Ventil direkt proportional zu dessen Fläche, wodurch die Erfordernisse des Zuführens entsprechender Informationen zu dem Rechner 52 vereinfacht werden.

Unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 wird eine spezielle Ausführungsform des in der Figur 1 gezeigten Steuersystems erläutert. Die Elemente des Steuersystems nach der Figur 1 weisen in den Fig. 3 und 4 die gleichen allgemeinen Bezugszeichen auf, um so * zu zeigen, wie die allgemeinen Steuerideen nach der Figur 1 bei einer speziellen Bauart Anwendung finden. In diesen Figuren befindet sich der Antrieb 22 in einem allgemein zylinderförmigen Gehäuse 70, das einen Befestigungsflansch 72 aufweist, so daß das Gehäuse 70 an einem Getriebegehäuse für den Motor 10 angeordnet werden kann. Die lingangsringscheibe 24 ist in einer Lageranordnung 74 gelagert, und weist eine innere Kerbverzahnung auf, die die kerbverzahnte Antriebswelle 23 aufnimmt, welche mit einem Bauelement in dem Getriebegehäuse (nicht gezeigt) in Eingriff kommen kann. Die Ausgangsringscheibe 26 ist in einer Lageranordnung 78 gelagert.

Die Antriebsräder 28 werden an einem Rahmen 80 getragen, der zwischen den Eingangs- und Ausgangsringscheiben 24 und 26 vermittels f Schrauben 82 angeordnet ist, wodurch der Rahmen 80 gegen die Schultern 84 gehalten wird, die in dem Inneren des zylinderförmigen Gehäuses 70 ausgebildet sind. Die Antriebsräder 28 sind jeweils vermittels Lagern 84 an zentralen Spindeln 86 aufgenommen in Jochs 88 gelagert. Die Enden der Jochs 88 sind in Lagern 90 gelagert, die in dem Rahmen 80 vorgesehen sind. Die Enden der Jochs 88 schwenken gemeinsam aufgrund der Schwenkbewegung einer Eingangswelle 94. Ein geeignetes Schmiersystem, nicht gezeigt, stellt eine Quelle für Schmiermittelflüssigkeit zu den verschiedenen Lageranordnungen in dem Getriebe 22 dar. Eine Abzugsöffnung 95 ermöglicht einen Rückführungsweg für die Schmiermittelflüssigkeit von dem Gehäuse 70 zu einer ölwanne, nicht gezeigt. Die Eingangswelle 94

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erstreckt sich in einen Motor 96 mit konstantem Drehmoment, der in geeigneter Weise an einem in dem Gehäuse 70 vorgesehenen Flansch angeordnet ist. Der Motor 96 kann ein Standardmotor mit konstantem Drehmoment sein, der ein Drehmoment aufgrund eines zugeführten elektrischen Stromsignals abgibt. Dieses Drehmoment wird über die Welle 94 angewandt, um die Antriebsräder 28 in neue Lagen zu steuern, um so das Geschwindigkeitsverhältnis des Antriebes 22, wie weiter oben beschrieben, zu verändern.

Die Ausgangsringscheibe 26 nimmt die Kerb-verzahnte Ausgangswelle 25, die hiermit vermittels Bolzen befestigt ist, auf, welche an einer Zwischenstelle in einer Lageranordnung 120 gelagert i3t. Die letztere ist in einem allgemein zylinderförmigen Gehäuse 104 angeordnet, das an dem Gehäuse 70 vermittels Schrauben 106 befestigt ist. Die Lageranordnung 78 benachbart zu der Ausgangsringscheibe 26 wird in einem Lagerträger 106 getragen, der an einer Statoranordnung 108 eines Wechselstromerzeugers 110 vermittels Schrauben 112, jeweils lediglich eine gezeigt, befestigt ist. Es ist eine Rotoranordnung 114 an der Ausgangswelle 100 befestigt und hiermit drehbar, und Spulenanordnungen 116 sind in verschiedenen Lagen um die Statoranordnung 108 herum angeordnet und geben einen elektrischen Strom aufgrnnd der Drehung der Rotoranordnung 114 ab.

Die Zentrifugalbrennstoff-Pumpe 32 ist eine umkleidetete Flügelrad-Art, wobei das Flügelrad 36 einstückig mit der Ausgangswelle 25 ausgeführt ist. Das Flügelrad 36 weist einen axial gerichteten Einlaß 120 auf, der Schaufeln 122 besitzt, die zu einem wirksameren Eintritt des Flusses von einem Einlaßkanal 124 führen. Ein radial gerichteter ringförmiger Kanal 126 nimmt den Fluß von dem Kanal 120 auf und führt zu einer radialen Verteilung und Beschleunigung desselben unter Erhöen des Drucks und Abgabe in eine ringförmige Kammer 128. Die Kammer 1828 ist um ihren äußeren Umfang herum durch ein Gehäuse 130 mit einem Flanch 132 ausgebildet, durch den sich Schrauben 106 erstrecken. Eine Gewindeauslaßöffnung 134 führt zu einer Verbindung mit der Düsenzuführungsleitung 18. Ringförmige Kohlenstoff-Dichtungselemente 136 und 138 ergeben Abdichtungen für die hintere und vordere Seite des Flügelrades 36.

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Der Einlaßkanal 124 ist in einem röhrenförmigen, verengten länglichen Teil 140 ausgebildet, das sich längs des Gehäuses 130 erstreckt. Das äußere Ende des Rohrs 140 ist mit Gewinde versehen für die Aufnahme eines geeigneten Verbindungsteils für die Zuführungsleitung 34. Das Einlaßrohr 140 ergibt ebenfalls eine Befestigung für ein äußeres Gehäuse 142, das die Rechner- und Komperatoreinheiten 44 und 42 einschließt, siehe die gestrichelt gezeigte Anordnung Das äußere Gehäuse 142 wird auf dem röhrenförmigen Einlaß 140 vermittels einer Verriegelungsmutter 144 gehalten. Eine elektrische Mehrfach-Steckerverbindung 146 führt zu einer Verbindung zwischen dem Rechner 44 in dem Gehäuse 142 und den verschiedenen weiteren Vorrichtungen an dem Motor und dem Flugzeug. Eine weitere Steckerverbindung 148 ergibt eine Verbindung zwischen dem Koraperator 42 " und dem weiter entfernt angeordneten Fließmesser 38. Wenn auch keine Verbindung gezeigt ist, wird doch der vermittels des Getriebes angetriebenem Wechselstromerzeuger 112 erzeugte Strom für die Zuführung elektrischer Energie zu dem Rechner 52 und den Komperatoren 42 und 44 und dem Fließmesser 38 angewandt.

Der Bettieb des Brennstoff-Steuersystems nach den Fig. 3 und 4 erfolgt im wesentlichen gleich wie der Betrieb des Systems nach der Fig. 1. Weiterhin wird die Zusatzanordnung 110 des Wechselstromerzeugers vermittels des Getriebes 22 angetrieben. Während des Motorenstarts wird somit der Wechselstromerzeuger mit einem größtmöglichen Obersetzungsverhältnis angetrieben, und das gleiche gilt für die Zentrifugalpumpe 32. Nachdem das Geschwindigkeitsverhält- f nis in Übereinstimmung mit den Anforderungen des Brenastoff-Steuersystems sodann verringert wird, bleibt die Umdrehungszahl des Wechselstromerzeugers bei einer relativ hohen Geschwindigkeit zwecks Bilden ausreichender elektrischer Energie.

Die oben beschriebene Ausfuhrungsform führt zu einem integrierten Brennstoff-Steuersystem, das leicht an dem Motor angeordnet wird und läßt sich leicht von dem Motor für eine Wartung und Auseinanderlegen entfernen, wie weiter unten beschrieben. Das Rechnergehäuse 142 wird von dem Einlaßrohr 140 dadurch entfernt, daß einfach die Verriegelungsmutter 144 entfernt und die Umkleidung 142 gleitend weg von dem Gehäuse 130 geführt wird. Nachdem dies ausgeführt ist, werden die Schrauben 106 entfernt, so daß das Gehäuse 130 weggezogen werden kann unter Freilegen des Flügelrades 36 und der zugeord-

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neten Dichtungen 138. Das Entfernen der Schrauben 106 ermöglicht ebenfalls das Entfernen des Gehäuses 104 von dem Gehäuse 70, wodurch die Ausgangsringscheibe, die Weehselstromerzeugeranordnung 110 und das Pumpenflügelrad als eine Einheit entfernt werden. Hierdurch wird eine Inspektion der Antriebsräder 28 und der Oberflächen der Ringscheiben 24 und 26 erleichtert. Ein weiteres Auseinandernehmen der Ausgangsringscheiben wird ermöglicht vermittels Lösen der Scheibe 26 von der Ausgangswelle 100 und Abschrauben der Lagertraganordnung 102 von dem Gehäuse 104. Dies ermöglicht eine Inspektion der Lageranordnung 78 und ermöglicht eine Inspektion der Wechselstromerzeugeranordnung der Lageranordnung 102. Das erneute Zusammensetzen der integrierten Brennstoffversorgungsanordnung wird in allgemein umgekehrter Weise erzielt.

Bei allen hier beschriebenen erfindungsgemäßen Brennstoffabgabesystemen ist zu beachten, daß eine Nebenleitung des Brennstoffs um eine Brennstoffdruckpumpe herum vollständig ausgeschaltet wird. Somit wird ein Erhöhen der Brennstoff-Temperaturen bedingt durch die Nebenleitung ausgeschaltet, wodurch die Fähigkeit des Brennstoffs als Wärmeaustauschermedium zu dienen, verbessert wird. Dieses Merkmal wird dadurch möglich gemacht, daß der stufenlos steuerbare Antrieb 22 die Umdrehungszahl des Pumpenflügelrades 36 bei einem Wert hält, der den durch den Motor erforderlichen Brennstoff-Fluß aufrechterhält, und zwar unabhängig von der stark schwankenden Umdrehung der Rotoranordnung. Ein Beispiel für eine derartig extreme Veränderung ist im folgenden angegeben: Es wird ein geeigneter mit veränderlicher Geschwindigkeit arbeitender Antrieb angewandt, der ein Übersetzungs- oder Untersetzungsverhältnis von 3,1:1 besitzt. Bei einem Motor, der mit einer Geshwindigkeit von 7,500 U/min, startet, würde das Geschwindigkeitsverhältnis des Getriebes 22 ein größtes übersetzungsverhältnis besitzen, um eine Pumpengeschwindigkeit von 23,700 U/min, zu ergeben. Bei 100% Motorengeschwindigkeit von 75,000 U/min, könnte die kleinste Purapengeschwindigkeit 23,700 U/min, sein, indem ein größtes Untersetzungsverhättnis aufrechterhalten wird unter Ausbilden eines Ausgangsdrucks der Pumpe, der ausreichend niedrig ist, um den Erfordernissen eines verlangsamten Brennstoff-Flusses gerecht zu

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werden. Um den größtmöglich erforderlichen Ausgangsfluß des Brennstoffs bei 100% Motorengeschwindigkeit zu erzielen, ist es lediglich erforderlich, das üntersetzungsverhältnis des Ringantriebsgetriebes so zu verringern, daß eine Umdrehungszahl der Pumpe von 47,400 erhalten wird. Es ergibt sich somit, daß der Ringantrieb zu einer größtmöglichen Pumpenleistung relativ zu einer zugeführten Geschwindigkeit für den schlechtest-möglichen Zustand, der der Startvorgang ist, führt. Weiterhin liegt eine Anpassungsfähigkeit dergestalt vor, daß das Geschwindigkeitsverhältnis ausreichend verringert wird unter Ausbilden der geringstmöglichen Energieerfordernisse für den normalen Motorenbetrieb. Da die Pumpengeschwindigkeit bei dem Start sich bei einem relativ hohen Wert befindet, wo die Erfordernisse am Auslaß am größten sind relativ zu der zugeführten Geschwindigkeit, kann die Größe entsprechend Verringertwerden unter Ersparnis an Gewicht und Abmessungen. Das gleiche gilt auch für den Wechselstromerzeuger 110. Dessen zur Verfügung stehende Energie steht in Beziehung zu der demselben zugeführten Geschwindigkeit und Größe. Die dem WEchselstromerzeuger zugeführte Geschwindigkeit ist im Leerlauf ausreichend groß, um eine relativ kleine Größe und leichtes Gewicht zu ermöglichen.

Anhand des wiedergegebenen Beispiels ergibt sich, daß die Veränderung der Umdrehungszahl der Pumpe und des Wechselstromerzeugers relativ klein ist im Vergleich zu der Geschwindigkeitsveränderung der dem Brennstoff-Steuersystem zugeführten Geschwindigkeit. Dieses Merkmal ist insbesondere vorteilhaft, wenn es erforderlich ist Zubeöhrteile von Gasturbinenmotoren anzutreiben, die einen schmalen Bereich der Zuführbaren Umdrehungszahl aufweisen. Beispiele für diese Art an Zubehörteilen sind der oben beschriebene Wechselstromerzeuger und eine vermittels eines hydraulischen Betätigungssystems betätigte Pumpe. Es versteht sich, daß weitere Zubehörteile, die begrenzte Verhältnisse der zugeführten Geschwindigkeit erforderlich machen,in dem oben beschriebenen integrierten Brennstoff-Steuersystem angewandt werden können.

Das Anwenden des stufenlos veränderlichen Ringgetriebes unter Verändern der Geschwindigkeit der Zentrifugalpumpe führt zu wesentlichen Vorteilen vom Standpunkt der Brennstoff-Verunreinigung aus. Erstens

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liegen keine verwickelten Nebenleitungsventile vor, die aufgrund des Vorhandenseins von Fremdstoffen verklemmt werden können. Zweitens ist die Zentrifugalpumpe in der Lage einen stark verunreinigten Brennstoff anzunehmen und abzugeben, ohne daß ein Verklemmen erfolgt, wie dies bei Getriebe- oder Taumelscheibenpumpen eintreten könnte. Drittens liegt nur eine geringe Anzahl an Bauelementen freiliegend gegenüber dem Hauptbrennstoff-Fließweg vor, wodurch die durch verunreinigten Brennstoff bedingten Gefahren weiterhin verringert werden.

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Claims

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Patentansprüche

ί l.l Brennstoff-Steuersystem für einen Gasturbinenmotor mit einer Rohranordnung, die mit stark unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten drehbar ist, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) eine Anordnung für das Ausbilden eines Fließweges für den Brennstoff von einem Vorrat zu dem Motor;

b) eine Brennstoffpumpe, die eine drehbare Antriebswelle in der Fließweganordnung aufweist, um den Brennstoff auf einen Wert unter Druck zu setzen, der von der Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle der Pumpe abhängt;

c) ein stufenlos veränderliches Getriebe, das den drehbaren Einlaß der Pumpe mit der Rotoranordnung des Motors verbindet; I

d) eine Anordnung für das Steuern des Geschwindigkeitsverhältnisses des Getriebes, um den Erfordernissen der Brennstoffzuführung zu dem Motor zu entsprechen unabhängig von der Drehgeschwindigkeit der Rotoranordnung;
2. Brennstoff-Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebeanordnung die folgenden Merkmale aufweist:

a) eine Anordnung für das Erzeugen eines Steuersignals, das einem geplanten Betriebsparameter des Motors entspricht;

b) eine Anordnung für das Erzeugen eines Steuersignals aufgrund des tatsächlichen Arbeitsparameters des Motors;

c) eine Anordnung für die Aufnahme der geplanten und tatsächlichen Signale und für das Erzeugen eines Ausgangssignals, das a proportional der Differenz zwischen den Signalen ist, und

d) eine Anordnung für das Betätigen des Getriebes unter Verändern des Geschwindigkeitsverhältnisses aufgrund des Fehlersignals.
3. Brennstoff-Steuersystem nach Anspruch 2, bei dem der Betriebsparameter des Motors der Brennstoff-Fluß zu dem Motor ist, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) die Anordnung für das Erzeugen eines Steuersignals, das den geplanten Motorenparameter wiedergibt, einen Rechner aufweist, der ein geplantes Signal für den Brennstoff-Fluß erzeugt aufgrund der durch die Bedienungsperson gegebenenen Erfordernisse und weiterer Steuereingaben;

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b) die Anordnung für das Erzeugen eines den tatsächlichen Wert des Parameters wiedergebenden Signals einen Fließmesser für den Brennstoff aufweist, der in dem Fließweg des Brennstoffs angeordnet ist für das ERzeugen eines Signals, das den tatsächlichen Brennstoff-Fluß zu dem Motor wiedergibt.
4. Brennstoff-Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranordnung für das Getriebe die folgenden Merkmale aufweist:

a) eine Öffnung mit veränderlicher Fläche, die in dem Fließweg des Brennstoffs angeordnet ist;

b) eine Anordnung für das Steuern der Fläche dieser Öffnung bei einem gegebenen Wert aufgrund der durch die Bedienungsperson gegebenen Erfordernisse und weitere Steuereingaben;

c) eine Anordnung für das Betätigen des Getriebes aufgrund des Druckunterschiedes, der über der Öffnung mit veränderlicher Fläche vorliegt, um so über derselben eine konstante Druckdifferenz aufrechtzuerhalten, wodurch der Brennstoff-Fluß zu dem Motor direkt proportional der Fläche der Öffnung gehalten wird.
5. Brennstoff-Steuersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung für das Betätigen des Getriebes die folgenden Merkmale aufweist:

a) einen Zylinder und darin beweglichen Kolben, wobei der Kolben eine Betätigungsstange aufweist, die sich von hier aus erstreckt für ein Betätigen des veränderlichen Antriebs aufgrund einer Bewegung des Kolbens in dem Zylinder;

b) eine Leitungsanordnung für das Verbinden des in Strömungsrichtung vor und hinter der Öffnung mit veränderlicher Fläche vorliegenden Drucks mit den gegenüberliegenden Enden des Zylinders;

c) eine Anordnung, die sich in dem Ende des Zylinders befindet und in Strömungsrichtung hinter der Öffnung mit veränderlicher Fläche angeordnet ist oder nachgebend den Kolben zu dem gegenüberliegenden Ende des Zylinders mit einer vorgegebenen Kraft drückt, wodurch der Kolben unter Betätigen des Getriebes verschoben wird und über die Öffnung mit veränderlicher Fläche eine vorherbestimmte Druckdifferenz aufrechterhalten wird.

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6. Brennstoff-Steuersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß das stufenlos veränderliche Getriebe ein Ringgetriebe darstellt, das Einlaß- und Auslaßringe und Steuer-bare Antriebs räder besitzt, die zwischen den Ringen angeordnet sind, wobei die Ebene, in der die Antriebsräder umlaufen, veränderlich sind unter Verändern des Geschwindigkeitsverhältnisses zwischen den Eingangs-* und Ausgangsringen.
7. Brennstoff-Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stufenlos veränderliche Getriebe ein Ringgetriebe darstellt, das Einlaß- und Auslaßringe und Steuer-bare Antriebs räder besitzt, die zwischen den Ringen angeordnet sind, wobei die Ebene, in der die Antriebsräder umlaufen, veränderlich ist λ unter Verändern des Geschwindigkeitsverhältnisses zwischen den Eingangs- und Ausgangsringen.
8. Brennstoff-Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Anordnung für das Steuern des Geschwindigkeitsverhältnisses des linggetriebes die folgenden Merkmale aufweist:

a) eine Anordnung für das Erzeugen eines Steuersignals, das einen geplanten Brennstoff-Fluß zu dem Motor aufgrund der durch die Bedienungsperson gegebenen Erfordernisse und weitere Steuereingaben wiedergibt;

b) eine Anordnung vorliegend in dem Fließweg des Brennstoffes für das Erzeugen eines Steuersignals, das den tatsächlichen Fluß

des Brennstoffes zu dem Motor wiedergibt; i

c) eine Anordnung, die die Signale von der Fließmeßvorrichtung für den Brennstoff und die Anordnung für den vorgesehenen Brennstoff-Fluß empfängt für das Erzeugen eines Fehlersignals;

d) eine Anordnung für das Steuern der ■teuerbaren Antriebsräder des Ringgetriebes aufgrund des Fehlersignals.
9. Brennstoff-Steuersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Fließwandler für den Brennstoff und die Anordnung für den geplanten Brennstoff-Flußp und die das Fehlersignal erzeugende Anordnung in der Lage sind elektrische Signale abzugeben, sowie die Anordnung der steuerbaren Antriebsräder des

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Ringantreibes einen Motor mit konstantem Drehmoment aufweist, der aufgrund zugeführter elektrischer Signale ein Drehmoment erzeugt.
10. Brennstoff-Steuersystem nach Anspruch 1, daurch gekennzeichnet, dafl die Geschwindigkeitsveränderung der Motorenrotoranordnung relativ groß und die Veränderung des Geschwindigkeitsverhältnisses der Antriebswelle für die Brennstoffpumpe relativ klein ist, sowie de* Brennstoff-Steuersystem weiterhin ein MotorenZubehörteil aufweist, das angenähert die gleichen Erfordernisse bezüglich des Geschwindigkeitsverhältnisses wie bei der Brennstoffpumpe besitzt und durch die Eingangswelle der Brennstoffpumpe angetrieben wird.
11. Brennstoff-Steuersystern nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung für das Steuern des Geschwindigkeitsverhältnisses des veränderlichen Antriebs eine elektrische Energiequelle für den Betrieb aufweist, sowie dieses Zubehörteil einen elektrischen Generator darstellt, der durch die Einlaßwelle der Pumpe angetrieben wird zwecks Ausbilden einer elektrischen Energiequelle für die das Geschwindigkeitsverhältnis steuernden Anordnung.
12. Vollständig abgeschlossene, veränderliche Brennstoff-Abgabeanordnung für eien Gasturbinenmotor, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) ein allgemein zylinderförmiges Gehäuse;

b) ein stufenlos veränderliches Ringgetriebe, das in einem Ende des Gehäuses gelagert ist und eine Eingangswelle aufweist, die sich von einem Ende des Gehäuses aus für eine Antriebsverbindung erstreckt;

c) eine Brennstoffpumpe, die in dem Gehäuse gelagert ist und eine drehbare Antriebswelle aufweist, die sich zu der Ausgangswelle des Ringgetriebes hin erstreckt und hiermit einstückig ausgeführt ist;

d) ein Zubehörteil, das durch die Antriebswelle angetrieben wird, die sich zwischen dem Ausgang des Ringgetriebes und der Brennstoffpumpe erstreckt und ist in dem Gehäuse zwischen der Brennstoffpumpe und dem Ringantrieb angeordnet.
13. Brennstoff-Abgabeanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffpumpe eine Zentrifugalpumpe mit einem allgemein axial gerichteten Einlaß und einem radial gerichteten

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Auslaß ist, sowie

a) das Gehäuse eine ringförmige Kammer ausgebildet um den Umfang der Zentrifugal-Brennstoffpumpe und eine radiale öffnung aufweist, die sich von der ringförmigen Kamer aus für die Abgabe des Brennstoffes aus der Vorrichtung erstreckt, das Gehäuse einen verjüngten länglichen Einlaß besitzt, der sich axial von dem Einlaß zu der Zentrifugalpumpe erstreckt,

b) die das veränderliche Geschwindigkeitsverhältnis steuernde Anordnung eine Signal erzeugende Anordnung aufweist, die eine allgemein zylinderförraige Anordnung darstellt, welche teleskopartig über das längliche Teil des Gehäuses geführt ist, sowie eine Anordnung, die auf die Steuersignale der zylinderförmigen Anordnung für

das Betätigen des Ringantriebes anspricht. I
14. Brennstoff-Abgabeanordnung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) die Signale erzeugende Anordnung für das Erzeugen elektrischer Ausgangssignale angepaßt ist;

b) die Betätigungsanordnung für das veränderliche Getriebe einen Motor mit konstantem Drehmoment aufweist, der aufgrund elektrischer Steuersignale von der Signal erzeugenden Anordnung ein Drehmoment abgibt,

c) das Zubehörteil einen Wechselstrommotor darstellt, dessen Rotoranordnung an den Antriebswellen zwischen dem Ringgetriebe und der Zentrifugalbrennstoff-Pumpe befestigt ist, sowie eine Statoranordnung radial außerhalb der Rotoranordnung vorliegt und Drahtspulen f daran aufweist für die Verbindung der signalerzeugenden Anordnung als eine Quelle der elektrischen Energie für dieselbe.

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