DE2315423C2

DE2315423C2 - Brennstoffsteuervorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE2315423C2
Application number: DE2315423A
Authority: DE
Inventors: Kail Lester Bloomfield Conn. Linebrink; Charles Frederick East Longmeadow Mass. Stearns
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1972-04-14
Filing date: 1973-03-28
Publication date: 1982-06-09
Also published as: US3782109A; FR2180128B1; GB1417449A; IT983907B; FR2180128A1; DE2315423A1; SE386711B

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffsteuervorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art.

Eine solche bekannte Brennstoffsteuervorrichtung (GB-PS 8 00 394) wird in Verbindung mit Gasturbinentriebwerken von Kraftfahrzeugen verwendet und ist so ausgelegt, daß sie auch von Fahrern mit durchschnittlichen fahrerischen Qualitäten bedient werden kann. Mit Hilfe des auf den Leistungswählhebel einwirkenden Gaspedals wird der Brennstoffdurchfluß gesteuert. Damit die Brennstoffsteuervorrichtung auf die Stellung des Leistungswählhebels anspricht, ist zwischen diesem und dem Brennstoffzumeßventil eine Verbindungsvorrichtung vorgesehen.

Bei der bekannten Brennstoffsteuervorrichtung wird somit durch den Leistungswählhebel direkt auf die dem Gasturbinentriebwerk zugeführte Brennstoffmenge eingewirkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffsteuervorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk eines Fahrzeugs weiter zu verbessern, um sie in der Herstellung und im Betrieb noch einfacher und wirtschaftlicher zu machen.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Dadurch, daß erfindungsgemäß über den Leistungswählhebel an dem Durchflußventil ein bestimmtes II/

Verhältnis — ^L vorgegeben wird, erhält die Brennstoffn

steuervorrichtung einen einfacheren Aufbau, denn das dem Durchflußventil überlagerte Verhältnis wird einfach mit dem Istwert des Verdichterenddruckes P3 multipliziert, woraus sich direkt der richtige Brennstoffdurchfluß Wf für das Gasturbinentriebwerk ergibl.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher t>o beschrieben.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Schema der Brennstoffsteuervorrichtung nach der Erfindung für ein Gasturbinentriebwerk eines Fahrzeuges.

Bei den Fahrzeugen, für deren Gasturbinentriebwerk die Brennstoffsteuervorrichtung vorgesehen ist, kann es sich um Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Omnibusse, Erdbewegungsmaschinen od. dgl. handeln, und das Gasturbinentriebwerk ist ein einwelliges rekuperatives oder regeneratives Einstromtriebwerk.

Die hier beschriebene Brennstoffsieuervorrichtung steuert das Verhältnis von Brennstoffdurchfluß Wf zu Verdichterenddruck P3 in Abhängigkeit von der Stellung eines Leistungswählhebels mit oder ohne Abgastemperaturbegrenzung.

In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Brennstoffsteuervorrichtung zwar für gewisse Arten von Gasturbinentriebwerken, insbesondere Vollwellentriebwerken, benutzt und beinhaltet keine Drehzahlsteuerung, da das Drehmoment auf die Antriebsräder über ein stufenloses Getriebe übertragen wird, die Brennstoffsteuervorrichtung kann jedoch auch bei anderen Arten von Triebwerken benutzt werden und bietet die Möglichkeiten der Drehzahlsteuerung und weiterer Funktionen, wie sie typische Flugzeugbrennstoffregler aufweisen, durch im folgenden beschriebene gewisse Modifizierungen.

Die Betriebskennlinie des Fahrzeuges ist ein Ergebnis des stufenlosen Getriebes, das die Triebwerksdrehzahl in Abhängigkeit von der Stellung des Leistungswählhebels durch Verändern des Übersetzungsverhältnisses steuert, um die Triebwerksdrehzahl konstant zu halten, wenn der Leistungswählhebel in einer festen Stellung ist. Die hier beschriebene und in der Zeichnung schematisch dargestellte Brennstoffsteuervorrichtung braucht deshalb nicht zur Triebwerksdrehzahlregelung, wie bei der Verwendung in Flugzeugen, beizutragen, und zwar wegen der Kombination aus dem Vollwellentriebwerk und dem stufenlosen Getriebe. Bei der hier beschriebenen Brennstoffsteuervorrichtung wird deshalb der Wert W/P3 zwischen einem minimalen und einem maximalen Grenzwert in Abhängigkeit von der Stellung des Leistungswählhebels festgelegt. Solange die vorgewählte Abgastemperatur nicht überschritten wird, ist der Brennstoffdurchfluß des Triebwerks nur proportional zu der Stellung des Leistungswählhebels und dem Wert des Verdichterenddruckes, weil gilt

W₁

XP₃.

Wenn jedoch der Abgastemperaturgrenzwert überschritten wird, wird der durch einen Abgastemperaturfühler abgefüllte Wert von P₃ durch die Brennstoffsteuervorrichtung verringert, indem

X (Α' x P,)

gebildet wird, wobei K eine Funktion des Abgastemperaturfehlers ist. Der Mindestwert von —L wird bei der

Leerlaufstellung des Leistungswählhebels festgelegt, woraus sich

W₁ (Verlangsamung) =

W₁

Py

(Verlangsamung) x

ergibt, da das Triebwerk bei einer Temperatur unterhalb des Abgastemperaturgrenzwertes verlangsamt wird. Es ist jedoch zu beachten, daß es aufgrund der Verwendung von — ^L als Steuerparameter möglich ist, die Steuerung

"3

bei gewissen Triebwerkstypen zu vereinfachen, insbesondere bei den nichtrekuparativen und nichtregenerativen Triebwerken, indem der Abgastemperaturfühler

durch eine geeignete Wahl des maximalen Grenzwertes

von—'- eliminiert wird. Darüber hinaus ergibt sich durch P}

W
die Verwendung des Parameters -r- eine automatische

η ~>

Höhenkompensation.

In der Figur ist die Brennstof/steuervorrichtung insgesamt mit der Bezugszahl 10 bezeichnet und enthält eine als Wirbelstrompumpe ausgebildete Brennstoffpumpe 12, ein Brennstoffzumeßventil 14, einen Druckregler 16, einen fVFühler 18, einen über ein Fußpedal betätigten Leistungswählhebel 20 und einen entfernt angeordneten Abgastemperaturfühler 22 als Hauptbestandteile. Die Brennstoffpumpe 12 ist mit dem Triebwerk entweder direkt oder über ein Untersetzungsgetriebe gekuppelt und beaufschlagt einen zu dem Brennstoffzumeßventil 14 führenden Brennstoffdurchflußkanal 26 mit Druck. Die Verwendung einer Wirbelstrompumpe als Brennstoffpumpe hat den Vorteil, daß bei einer konstanten Drehzahl der Druck über einem großen Durchflußbereich konstant bleibt und daß, wenn das Triebwerk Einlaßleitschaufeln aufweist, der Druck als Anzeige der Triebwerksdrehzahl (in Umdrehungen pro Minute) leicht verfügbar ist. Wenn eine Einlaßleitschaufelsteuerung nicht benötigt wird, oder aufgrund anderer Entwurfsüberlegungen, kann jede andere Art von Pumpe benutzt werden.

Eine Klappe 28 ist in der Nähe der Auslaßöffnung des Brennstoffzumeßventils 14 angeordnet und dient zum Einstellen von dessen Öffnungsquerschnitt in Abhängig- m keit von dem Verdichterenddruck, der in einer Kammer 30 abgefühlt wird. Dieser Druck wird durch einen evakuierten Federbalg 32, der über ein Gestänge 34,36 und eine Welle 38 mit der Klappe 28 verbunden ist, auf einen Absolutwert bezogen. Da sich Luft auf einer Seite der Welle 38 und Hydrauliköl auf der anderen Seite derselben befindet, ist eine Dichtung 40 an der Welle vorgesehen, um eine Leckage von einer Seite zur anderen zu verhindern.

Wenn angenommen wird, daß das durch einen Kasten 44 dargestellte Gasturbinentriebwerk unter dem Abgastemperaturgrenzwert arbeitet, wird der Verdichterenddruck des Triebwerks durch den Federbalg 32 über eine Leitung 46, den Abgastemperaturfühler 22, einen Kanal 48, einen Ringkanal 50, einen Kanal 52 und eine Leitung 54 abgefühlt. Ein Schieberkolben 56, der in einer Richtung durch eine Feder 58 und in der anderen Richtung durch einen Bimaterialfühler 60 vorgespannt ist, hat die dargestellte Stellung, und ein Kanal 62, der mit der Umgebung in Verbindung steht, wird durch ϊο einen Bund 64 blockiert, während der Kanal 48, der dem Druck P₃ ausgesetzt ist, gesteuert durch einen Bund 65 in der vollständig offenen Stellung (kein Druckabfall) ist. Der Bimaterialfühler 60, der Teile mit einem großen und mit einem kleinen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, dient zur Abgastemperaturvorspannung des Brennstoffdurchflusses für die Beschleunigung. Diese Teile, die den Abgasen des Gasturbinentriebwerks ausgesetzt sind, können in dem Fall eines einwelligen Einstromtriebwerks in dem Abgasrohr angebracht sein oder sich in dem Fall eines rekuperativen oder regenerativen Triebwerks in unmittelbarer Nähe des Auslaßendes der Turbine befinden. Das ist in der Zeichnung schematisch dargestellt, und die gestrichelte Linie 66 veranschaulicht lediglich die Tatsache, daß der Bimaterialfühler 60 die Turbinenauslaßlufttemperatur abtastet, ungeachtet dessen, wo er angeordnet ist. Der einen großen Ausdehnungskoeffizienten aufweisende Teil des Bimaterialfühlers kann aus einer Nickellegierung und der einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten aufweisende Teil aus Lithiumaluminiumsilikat bestehen.

Die Differenz in der Wärmeausdehnung der beiden Teile des Bimaterialfühlers 60 dient zum Positionieren des Schieberkolbens 56, der seinerseits das /VSignal vorspannt Immer dann, wenn eine Annäherung an den Abgastemperaturgrenzwert erfolgt, bewirken diese unterschiedlichen Wärmeausdehnungen, daß sich die Feder 58 bewegt, so daß der Bund 64 den Kanal 62 freigibt und der Druck P₃ zur Atmosphäre hin abgesteuert wird. Außerdem wird der Bund 65 beginnen, den Kanal 48 zu schließen. Die Kombination aus dem Öffnen durch den Bund 64 und dem Schließen durch den Bund 65 führt zur Verringerung des Druckes in dem Kanal 52. Das hat zur Folge, daß der Druck in der Kammer 30 verringert wird, wodurch auf den Federbalg 32 ein Druck ausgeübt wird, der niedriger ist als der durch das Triebwerk tatsächlich erzeugte Druck P₃. Dieser pneumatische Teiler und die Vorrichtung zum Erzielen der Herunterteilung des Druckes P₃ wird am besten an Hand der im folgenden angegebenen Formeln verständlich.

Die Brennstoffsteuervorrichtung arbeitet, wie oben angegeben, ohne Rückführung. Sie legt den Wert

-^-fest und multipliziert diesen Wert mit dem Istwert

von P₃, um den richtigen Brennstoffdurchfluß Wfzu dem Triebwerk zu gewinnen. Da die Stellung der Klappe 28 in bezug auf das Brennstoffzumeßventil 14 durch den Federbalg 32 gesteuert wird, gibt deshalb die Abdekkung des Öffnungsquerschnittes des Brennstoffzumeßventils durch die Klappe den tatsächlichen Wert des abgefühlten Druckes an. Brennstoff wird von dem Brennstoffzumeßventil 14 dem Triebwerk 44 über ein Durchflußventil 72 und gesteuert durch einen Verschlußkörper 74 über eine Leitung 70 zugeführt. Der Verschlußkörper 74 ist mit dem Leistungswählhebel 20 über eine Torsionsfeder 76 verbunden, welche eine Vorspannung an einer Federplatte 78 des Druckreglers 16 einstellt, die die Leistungswählhebelstellung und

damit den Wert von -L angibt. Da die Federplatte 78

dem Druck stromaufwärts und stromabwärts des Brennstoffzumeßventils 14 ausgesetzt ist, bewegt sich der Verschlußkörper 74 relativ zu dem Ventil 72, um einen konstanten Wert AP an dem Brennstoffzumeßventil 14 für eine bestimmte Stellung des Leistungswählhebels 20 aufrechtzuerhalten. Durch Verändern der Stellung des Leistungswählhebels 20 ändert sich die auf die auf die Federplatte 78 einwirkende Torsionsfeder 76 ausgeübte Vorspannung und damit ändert sich die 4P-Einstellungdes Druckreglers 16.

Der Druckabfall an dem Brennstoffzumeßventil 14 ist eine Funktion der auf die Federplatte 78 ausgeübten Vorspannung, die durch die Stellung des Leistungswählhebels 20 eingestellt wird, und gibt deshalb den Wert

— ^r- an. Es ist bekannt, daß der Durchfluß durch eine

Drosselbohrung mathematisch durch folgende Formel ausgedrückt werden kann:

Wr = KAx ][AT

wobei gilt:

A = Öffnungsquerschnitt des Brennstoffzumeßventils 14,

AP = Druckabfall an dem Brennstoffzumeßventil 14,

Konstante.

W₁

j/2TJPist proportional zu -^-, und A ist proportional zu

Pi, wobei sich dann durch Einsetzen in die ursprüngliche Formel

W₁ .. „

ergibt. Die pneumatische Division erfolgt durch die i< > Tatsache, daß der abgefühlte Druck gleich Kx χ P₃ ist, wobei Kx eine Funktion der Abgastemperatur ist. Da Kx als ein gewisser Prozentsatz von Pi ausgedrückt werden kann, ist dann, wenn Pi gleich dem tatsächlichen Wert von Pi ist, der Prozentsatz 100%, und, wenn der i^r> abgefühlte Druck A kleiner als der tatsächliche Wert von Pi ist, nämlich durch Verringern von Pi kleiner als der Kammer 30 in Abhängigkeit von der Abgastemperatur, Kx ein gewisser Prozentsatz, der unter 100% liegt.

Da der Druck Pi in der Kammer 30 modifiziert werden kann, kann die Brennstoffsteuervorrichtung ohne weiteres so ausgelegt werden, daß sie mit anderen Triebwerksparametern neben oder zusätzlich zu der Vorspannung mit der Abgastemperatur arbeitet. Beispielsweise könnte der Druck P₃ durch die Drehzahl vorgespannt werden, indem ein herkömmlicher Drehzahlregler vorgesehen wird, um eine Dauerdrehzahlsteuerung zu erzielen.

Die maximale Beschleunigung und die maximale Verlangsamung können in die Brennstoffsteuervorrich- Jo tung 10 mittels verstellbarer Anschläge 75 bzw. 77 eingebaut werden. Die Anschläge 75, 77 dienen zum Begrenzen der Bewegung des Leistungswählhebels 20 und begrenzen damit die Beeinflussung des Druckreglers 16 zum Einstellen des Maximal- und des

w
Minimalwertes von —>-.

Ein insgesamt mit der Bezugszahl 80 versehenes Start- und Absperrmagnetventil ist an der in der Zeichnung dargestellten Stelle vorgesehen. Zum Ab- to sperren des Brennstoffdurchflusses, um das Triebwerk zu stoppen, wird die Spule 82 entregt, so daß ein federvorgespannter Kolben 84 eine Kugel 86 an der öffnung des Ventils 72 in Anlage bringt und so dieses Ventil geschlossen hält Während des Startens wird der Kolben 84 des Magnetventils 80 von der Kugel 86 zurückgezogen, wenn die Zündung oder der Triebwerksanlasser eingeschaltet wird, wobei die auf die Kugel 86 einwirkende Feder 88 das Ventil 72 geschlossen halten wird, bis der von der Triebwerksdrehzahl abhängige Brennstoffpumpendruck auf einem Wert ist, der gewährleistet, daß der dem Triebwerk zugeführte Brennstoff bei der richtigen Drehzahl gezündet wird.

Manche Triebwerke haben, wie oben erwähnt, einstellbare Einlaßleitschaufeln, die insgesamt in Abhängigkeit von der Drehzahl des Triebwerks positioniert werden. Die hier beschriebene Ausführungsform der Brennstoffsteuervorrichtung 10 eignet sich ohne weiteres zur Berücksichtigung dieser Forderung, da der Pumpenauslaßdruck die Pumpendrehzahl angibt, die ihrerseits eine bestimmte Funktion der tatsächlichen Triebwerksdrehzahl ist. Ein Stellantrieb 87, der auf diesen Druck über eine Leitung 90 anspricht, ist, wie schematisch dargestellt, mit den Einlaßleitschaufeln verbunden.

Im Betrieb wird beim Wiedererregen der Spule 82 des Magnetventils 80 und nachdem aufgrund der Drehzahl des Triebwerks der Brennstoff ausreichend stark unter Druck gesetzt worden ist, um die Kugel 86 von ihrem Sitz an der öffnung des Ventils 72 abzuheben, Brennstoff aus dem Tank (nicht dargestellt) über die Brennstoffpumpe 12 und über die Leitung 70 und die Ventile 72 und 14 der Verbrennungseinrichtung (nicht dargestellt) des Triebwerks 44 zugeführt. Die Brennstoffmenge für eine bestimmte Stellung des Leistungswählhebels 20 wird zwischen einem hohen und einem niedrigen Wert eingestellt, indem die folgende Gleichung erfüllt wird:

W₁ ., „

wobei:-^- proportional zu der Quadratwurzel der

Leistungswählhebelstellung aufgrund der Einstellung der Federvorspannung an der Federplatte 78 ist, die ihrerseits den Wert von Δ P an der öffnung des Brennstoffzumeßventils 14 steuert, und
P₃ durch Abfühlen des tatsächlichen Verdichterenddruckes, bezogen auf einen Absolutwert, eingestellt wird.

Die maximale Turbineneinlaßtemperatur wird innerhalb des für das Triebwerk zulässigen Bereiches gehalten, indem das /^-Signal mit einem Signal vorgespannt wird, das die Turbinenauslaß- oder Abgastemperatur angibt Die Turbineneinlaßtemperatur wird zwar nicht direkt gemessen, es ist jedoch möglich, die Turbinenauslaßgastemperatur irgendwo auf dem Gasweg (in Abhängigkeit von dem besonderen Triebwerk) zu messen, wobei dieser Wert innerhalb eines zulässigen Bereiches ist der die tatsächliche Turbineneinlaßtemperatur angibt

Die vorstehend beschriebene Brennstoffsteuervorrichtung 10 bietet somit folgende Möglichkeiten:

1) Steuern des Brennstoffdurchflusses beim Starten, Beschleunigen und Verlangsamen;

2) automatische Startfolgesteuerung in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennstoffpumpe (und des Triebwerks);

3) Abgastemperaturbegrenzung;

4) automatische Einiaßieitschaufeibetätigung in Abhängigkeit von der Drehzahl der Pumpe (und des Triebwerks);

5) Leistungswählhebelvorspannung des Brennstoffdurchflusses;

6) elektrische Absperrung, und

7) automatische Höhenkompensation.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Brennstoffsteuervorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk eines Fahrzeugs, bei der in einer Leitung (70) zwischen der Brennstoffpumpe (12) und der Verbrennungseinrichtung des Gasturbinentriebwerks (44) ein Brennstoffzumeßventil (14), dessen Öffnungsquerschnitt proportional zum Verdichterenddruck verstellbar ist, vorgesehen ist, dem ein auf den Druckabfall am Brennstoffzumeßventil (14) ansprechendes und unter einer Vorspannung stehendes Durchflußventil (72,74) nachgeschaltet ist, wobei die Brennstoffsteuervorrichtung (10) zusätzlich auf die Stellung eines Leistungswählhebels (20) anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungswählhebel (20) durch Änderung der Vorspannung des Durchflußventils (72,74) ein bestimmtes Verhältnis von Brennstoffdurchfluß (Wf) zu Verdichterenddruck (Pi) vorgibt