DE2319763C3

DE2319763C3 - Brennstoffzumeßeinrichtung für ein Gasturbinenstrahltriebwerk

Info

Publication number: DE2319763C3
Application number: DE2319763A
Authority: DE
Inventors: Jean Paul Francois Gilbert Le Meesur-Seine Briotet
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1972-04-18
Filing date: 1973-04-18
Publication date: 1981-12-24
Also published as: FR2180484B1; FR2180484A1; GB1416767A; DE2319763A1; DE2319763B2; US3868971A

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzumeßeinrichtung für ein Gasturbinenstrahltriebwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Brennstoffzumeßeinrichtung dieser Art ist aus der DE-OS 19 32 792 bekannt. Bei dieser Brennstoffzumeßeinrichtung wird einer der beiden Arbeitsräume des Stellmotors mit gefiltertem Brennstoff beaufschlagt, während der andere Arbeitsraum mit ungefiltertem Brennstoff versorgt wird. Über diesen A^rbeitsraum können daher im Brennstoff enthaltene Verunreinigungen in den Stellmotor gelangen und so die Reibung des Kolbens erhöhen. Außerdem können im Brennstoff enthaltene Verunreinigungen die Führung der Kolbenstange beeinträchtigen, wenn Brennstoff längs der Kolbenstangenführung zu der Brennstoffauslaßkammer strömt. Im Bereich der Führung des von der Ventilnadel abgewandten Kolbenstangenendes stellt sich das Problem einer Verschlechterung der Gleiteigenschaften durch Verunreinigungen besonders stark, da der Unterschied zwischen dem Brennstoffdruck in der Brennstoffauslaßkammer und dem benachbarten Arbeitsraum des Steilmotors ganz beachtlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzumeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, daß Störfreiheit und Leichtgängigkeit der Ventilnadel und des ihr zugeordneten Stellmotors verbessert werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs I angegebenen Merkmale gelöst.
Aus der US-PS 32 23 104 ist b«reits ein elektrohydraulisches Steuerventil für einen doppeltwirkenden Arbeitszylinder bekannt, bei welchem der Ventilschieber an seinen beiden Stirnflächen mit gefilterter Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt wird. Der hierbei wirkende Druck wird durch ein Klappenventil in entgegengesetztem Sinn ausgehend von einem mittleren Wert verändert; das Klappenventil ist zweiseitig und gegensinnig wirksam, indem dessen Ventilklappe der Strömung aus zwei auf sie entgegengesetzt wirkenden Düsen, die mit den Arbeitsräumen an den Stirnflächen des Ventilschiebers verbunden sind, ausgesetzt ist. Abgesehen davon, daß sich bei diesem elektrohydraulischen Steuerventil das Problem der Leichtgängigkeit des Ventilschiebers wegen der beidendigen Führung des Ventilschiebers weniger stark als bei einer fliegend gelagerten Ventilnadel stellt, kann es bei diesem Steuerventil dennoch zu Verunreinigungen an den Laufflächen des Ventilschiebers kommen, da der Ventilschieber über die eigentlichen Zuführleitungen direkt mit ungefilterter Hydraulikflüssigkeit in Berührung gelangt.

Aus der GB-PS 7 33 529 ist es ferner bekannt, in der Führungsbohrung für den Schieber eines Drehschieberventils eine Nut vorzusehen, die über einen Brennstoffilter mit der Druckseite einer Brennstoffpumpe verbunden ist, um dadurch die Führungsbohrung des Ventilschiebcrs zu schmieren und zu spülen.

Durch die im Kennzeichen des Anspruchs I angegebenen Maßnahmen wird erreicht, daß für die

gesamte Servovcrstellung der Ventilnadel ausschließlich gefilterter Brennstoff verwendet wird, so daß in den Stellmotor keine Verunreinigungen eindringen können, die direkt dort oder in den Kolbenstangenführungen zu Schwierigkeiten führen könnten. Ferner wird vom Prinzip der rein statischen Beaufschlagung der Arbeitsräume des Stellmotors abgegangen, wie es bei der Zumeßeinrichtung nach der DE-OS 19 32 792 der Fall ist. Durch die Arbeitsräume des Stellmotors strömt nämlich ständig gefilterter Brennstoff. Dabei ist die Summe der Brennstoffteilströme durch die beiden Arbeitsräume im wesentlichen konstant, über die Stellung des Klappenventils läßt sich aber die Aufteilung des Gesamtairomes gefilterten Brennstoffes auf die beiden Teilströme einstellen. Das entsprechende »dynamische« Arbeiten des Stellmotors ist nicht nur im Hinblick auf ein Herausspülen etwa doch noch vorhandener feiner Brennstoffverunreinigungen aus dem Stellmotor von Vorteil; man kann beim dynamischen Arbeiten auch eine feinere Dosierung der Ventilnadelbewegung erzielen, da sich Steuerströme leichter präzise einstellen lassen als Steuerdrücke. Schließlich können bei einem Brennstoffkreislauf, welcher durch die Arbeitsräume des Stellmotors unterhalten wird, auch etwa in die Arbeitsräume gelangte kleine Gasmengen durch Mitschleppen im Brennstoff entfernt werden, die die Genauigkeit der Durchsatzeinstellung nachteilig beeinträchtigen könnten. Durch die in der Trennwand vorgesehene Ringnut, die mit dem Brennstoffauslaßdruck beaufschlagt wird, ergibt sich eine Spülung mit gefiltertem Brennstoff, die ein Eindringen von Verunreinigungen des nicht gefilterten Brennstoffs aus den Kammern in den Steilmotor vermeidet.

Bei der im Anspruch 2 angegebenen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung arbeitet die Ventilnadel mit der Zumeßöffnung einerseits und der Rücklauföffnung andererseits so zusammen, daß sich bei einer Vergrößerung des Durchlaßquerschnitts der Zumeßöffnung der Durchlaßquerschnitt der Rücklauföffnung verkleinert, und umgekehrt

Anhand der einzigen Figur, die einen teilweisen Schnitt durch eine Brennstoffregelanlage eines Flugzeug-Gasturbinenstrahltriebwerkes zeigt, wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.

Die in der Zeichnung nur teilweise dargestellte Brennstoffregelanlage regelt den Durchsatz durch eine Brennstoffleitung 1, die mit den nicht gezeigten Einspritzdüsen der Brennkammer des Gasturbinen-Strahltriebwerkes verbunden ist. Der Brennstoff, der Verunreinigungen enthalten kann, wird bei 2 von einer Brennstoffpumpe 3 entnommen. Die Brennstoffpumpe 3 ist zweckmäßigerweise eine Kreiselpumpe, deren Funktionsweise durch Verunreinigungen nicht beeinträchtigt wird. Die Brennstoffpumpe 3 fördert den Brennstoff über öffnungen 3a, 36 in zwei Leitung^abschnitte 4a, 46 einer Leitung 4, die zum Einlaß 5 einer Brennstoffzumeßeinrichtung 6 führt. Die Wand des Leitungsabschnittes 4a wird von einer porösen Hülse Ta gebildet, die in einem Raum 76 eingeschlossen ist und mit diesem Raum einen Brennstoffilter 7 bildet. Vom Raum Tb geht eine Leitung 8 aus, die somit dem Leitungsabschnitt 4a über die Hülse 7a gefilterten Brennstoff entnimmt, und zwar zu noch zu erläuternden Zwecken. Für diese Zwecke ist nur ein geringer Brennstoffdurchsalz erforderlich. Darüber hinaus besteht keine Gefahr, daß sich der Brennstoffilter 7 verstopft, da die Eintrittsfläche dauernd durch den dem Leitungsabschnitt 4a mit großem Durchsatz strömenden Brennstoff gespült wird, derart, daß der Druckverlust am Srennstoffilter 7 vernachlässigbar ist, d. h. der in der Leitung 8 herrschende Druck praktisch gleich dem Druck in der Leitung 4 ist.

Die Brennstoffzumeßeinrichtung 6 enthält eine Ventilnadel 9 mit einer zylindrischen Kolbenstange 9c eines Stellmotors 11. Die Kolbenstange 9a gleitet in eine Führungsbohrung 10, so daß die Durchtrittsquerschnitte einer Zumeßöffnung 12 und einer Rücklauföffnung 13 in entgegengesetztem Sinn geändert werden. Hierdurch wird der Einlaß 5 der Brennzumeßeinrichtung mit einem Auslaß 14 bzw. mit einem Raum 15 verbunden, der oberhalb der Brennstoffpumpe 3 mit einer Brennstoff-Rückführleitung 16 verbunden ist. Der Auslaß 14 der Brennstoffzumeßeinrichtung mündet in einer Leitung 17, die über eine Ventileinrichtung 18 mit der zu den Brennkammer-Einspritzdüsen führenden Brennstoffleitung 1 verbunden ist. Das öffnen und Schließen der Ventileirrrichtung 18 wird über ein manuell betätigbares Dreiwegeventil 19 gesteuert, deiart, daß eine Steuerkammer 18a der Ventileinrichtung 18 entweder mit der Leitung 8 oder mit dem Raum 15 verbunden wird. Ist die Ventileinrichtung 18 geschlossen, so wird die Brennstoffleitung 1 mit einer Ablaßleitung 186 verbunden.

Di; Leitung 4 ist über ein Regelventil 20 mit einer Brennstoff-Rückführleitung 21 oberhalb der Brennstoffpumpe 3 verbunden. Nach einem allgemein bekannten Prinzip öffnet das Regelventil 20 mehr oder weniger die Verbindung zwischen der Leitung 4 und der Leitung 21, derart, daß die Druckdifferenz Δρ zwischen dem Einlaß

5 und dem Auslaß 14 der Brennstoffzumeßeinrichtung konstantgehalten wird. Zu diesem Zweck regelt ein die Druckdifferenz Δρ erfassender Druckfühler 22 — in Abhängigkeit von Δρ — den Brennstoffdruck unterhalb einer Drosselstelle 23a in einer Leitung 23, die über einen dem Brennstoffilter 7 entsprechenden Filter 236 Brennstoff der Leitung 4 entnimmt. Der geregelte Druck wirkt über einen Balg 24 und beeinilußt die Stellung einer Nadel 25 des Regelventils 20.

Die Ventileinrichtung 18 ist beim Anlassen des Uasturbinenstrahltriebwerks geöffnet und nur bei Stillstand geschlossen. Sie bleibt bei der gesamten Betriebszeit geöffnet. Die Brennstoffzumeßeinrichtung

6 regelt den Brennstoffdurchsatz CduTh die I .eitungen 17 und 1. Der aktive Teil der Ventilnadel 9 besteht aus einem sich konisch erweiternden Teil 12a und einem sich konisch verjüngenden Teil 13a, die mit der Zumeßöffnung 12 zur Regelung des Durchsatzes C bzw. mit der Rücklauföffnung 13 zusammenwirken, von wo aus der durch den Einlaß 5 in die Brennstoffzumeßeinrichtung 6 eintretende Durchsatzüberschuß in den Raum 15 -ind von dort in die Rückführleitung 16 abgezogen wird. Der Dr ickverlust Δρ an der Zumeßöffnung 12 wird vom Regelventil 20 konstantgehalten. Der Brennstoffdurchsatz Cist daher nur eine Funktion vom Durchtrittsquerschnitt der Zumeßöffnung 12. Es ist bekanntlich möglich, dem konisch sich erweiternden Teil 12 eine solche Form zu geben, daß der Durchsatz C einem der Stellung der Ventilnadel 9 entsprechenden Abstand χ direkt proportional ist. Dieser Abstand ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel verwirklicht.

Der Stellmotor 11 der Brennstoffzumeßeinrichtung 6 enthält einen Stellmotorzylinder 26, in den ein mit der Kolbenstange 9? der Ventilnadel 9 formschlüssig verbundener Kolben 27 gleitet. Eine Abzweigung 28 der gefilterten Brennstoff enthaltenden Leitung 8 unterteilt sich in zwei Leitungsabschnitte 28a, 286, die über

Drosselstelle 29a bzw. 296 die beiden Arbeitsräume 26<i bzw. 26b des vom Kolben 27 unterteilten Zylinders versorgt. Der Druck in beiden Arbeitsräumen 26«?, 266 wird in Abhängigkeit verschiedener Parameter des Gasturbinenstrahltriebwerkes durch einen Übertrager 30 beeinflußt.

Der Übertrager 30 enthält zwei Hebel 31, 32, die zwischen sich zwei Rollen 33 einspannen. Der bei 31a angelenkte erste Hebel 31 wird in entgegengesetzten Richtungen durch zwei Bälge 34,35 beaufschlagt, die so eingerichtet sind, daß die resultierende Kraft P,< proportional dem Ausgang des nicht dargestellten Hochdruckverdichters des Gasturbinenstrahltriebwerkes ist. Der Innenraum eines der Bälge 34, 35 ist dem Druck P,4 ausgesetzt, während der Innenraum des anderen Balges zum Augleich der Wirkung des umgebenden Druckes einem Unterdruck ausgesetzt ist. Der zweite Hebel 32 hat jenseits seiner Anlenkstelle einen Arm 326, der unter der Wirkung einer Feder 36 siCiii. eic SiCr! SU! CiTiOTt Vorsprung "C ζ™, c."dc scr Ventilnadel 9 abstützt. Das Ende des ersten Hebels 31 bildet eine Ventilklappe, die zwischen zwei gegenüberliegenden Düsen 37a. 376 bewegbar ist, wodurch ein Klappenventil gebildet wird. Die Düsen 37a, 376 sind über Leitungen 38a, 386 mit den beiden Arbeitsräumen 26a, 266 des Zylinders 26 verbunden. Der Kolben 27 des Stellmotors wirkt somit als Servokolben, der durch die vom Klappenventil modulierten Drücke gesteuert wird. Der Hebel 32 bildet mit der Feder 36 ein Rückkopplungselement.

Somit entspricht jeder Stellung der doppelten Rolle 33 ein durch das Verhältnis x/P_Si und folglich ein durch das Verhältnis C/P_s* bestimmter Wert. Die doppelte Rolle 33 wird von einem Schaft 39 getragen, der sich in der allgemeinen Richtung der Hebe'31,32 erstreckt und am Ende eines Steuerhebels 40 angeschlossen ist. Der Steuerhebel 40 ist mit einer Rolle 40a versehen, die von einem Nocken 41 betätigt wird, dessen Stellung durch einen Motor 42 geregelt wird. Die Stellung der doppelten Rolle 33 hängt somit vom Motor 42 ab, der seinerseits von einem nicht gezeigten Rechner in Abhängigkeit verschiedener Parameter gesteuert wird.

etwa der Temperatur, der Drehzahl usw. Ein an den Motor 42 über eine Zahnradübersetztung 43a angeschlossener Meßfühler 43 führt als Rückkopplung die Stellung des Nockens 41 in den Motor 42 ein.
Der durch die Brennstoffzumeßeinrichtung 6 bestimmte Brennstüffdurchsalz C ist somit eine vorgegebene Funktion von P_s* und anderer durch den Rechner eingeführter Parameter. Die Führungsbohrung 10 für die Kolbenstange 9a verläuft durch eine Trennwand 44,

ίο die den Zylinder 26 von einer Kammer 45 trennt; die Kammer 45 ist eine Brennstoffauslaßkammer, die Brennstoff über die Zumeßöffnung 12 erhält und durch den Auslaß 14 abgibt. In der Trennwand 44 ist eine Ringnut 46 gebildet, die über Kanäle 47 mit einem

π kleinen ringförmigen Sammelraum 48 in Verbindung steht; der Sammelraum 48 seinerseits ist über einen Kanal 49 mit der Leitung 8 verbunden.

Wie oben angegeben, ist der Druck des gefilterten Brennstoffs in der Leitung 8 praktisch gleich dem Druck

■*** in der LsiiLjn"4 dsrumds" Betrs'*^"^rößsr is! sisd**r Druck in der Kammer 45.

Der gefilterte Brennstoff hat daher die Neigung, von der Ringnut 46 zur Kammer 45 zu strömen und hindert somit die Verunreinigungen im ungefilterten, in der Kammer 45 enthaltenen Brennstoff daran, in den zwischen der Kolbenstange 9a und der Führungsbohrung 10 enthaltenen Spalt einzudringen, so daß keine Gefahr eines Festfressens der Kolbenstange 9a in der Führ ;ngsbohrung 10 besteht. Auch die Gefahr eines Festfressens des Kolbens 27 ist nicht gegeben, da der den Zylinder 26 füllende Brennstoff gefiltert ist.

Die einzigen Kreisläufe, d<e gefilterten Brennstoff enthalten, nämlich diejenigen der Leitungen 8 und 23, haben einen nur geringen Brennstoffdurchsatz. Da, wie oben erläutert, keine Gefahr eines Zusetzens der Brennstoffilter 7 und 236 besteht, sind weder periodische Reinigungen noch Inspektionen erforderlich. Obleich feine Filter die Neigung zum Vereisen haben, ist diese Gefahr bei den Brennstoffiltern 7 und 236 aufgrund des großen Durchsatzes des vorbeiströmenden Brennstoffes nicht gegeben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennstoffzumeßeinrichtung für ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit

a) einem Ventilgehäuse, in welchem drei hintereinander gelegene Kammern ausgebildet sind, wobei die erste Kammer eine mit der Druckseite einer Brennstoffpumpe verbundene Brennstoffeinlaßkammer, die zweite Kammer eine Brennstoffauslaiikammer und die dritte Kammer einen Stelltnotorzylinder bildet, wobei die erste und die zweite Kammer durch eine Zumeßöffnung miteinander verbunden sind und wobei die dritte Kammer in der Trennwand zur zweiten Kammer und in der dieser gegenüberliegenden Wand jeweils eine mit der Zumeßöffnung fluchtende Führungsbohrung aufweist;

b) einem doppeltwirkenden Stellkolben, dar auf einer "hn koaxial durchdringenden Kolbenstange, die an ihren Enden in den Führungsbohrungen axial verschieblich gelagert ist, befestigt ist und mit dem Stellmotorzylinder einen Stellmotor bildet, dessen erster Arbeitsraum über eine Drosselslelie und einen Brennstoffilter mit der Druckseite der Brennstoffpumpe verbunden ist und dessen zweiter Arbeitsraum ebenfalls mit der Druckseite der Brennstoffpumpe verbunden ist;

c) einem gemäß dem jeweiligen Brennstoffbedarf einstellbaren Klappenventil, über welches der erste Arbeitsraum des Stellmotors mit einem Brennstoffrücklauf verb=/idbar ist und

d) einer an dem die Trennwand zur zweiten Kammer durchdringende : Ende der Kolbenstange koaxial befestigten Ventilnadel, die einen konischen Teil aufweist, welcher die Zumeßöffnung durchdringt und mit dieser einen dem jeweiligen Brennstoffbedarf entsprechenden Zumeßquerschnitt bildet,

dadurch gekennzeichnet, daß

e) der zweite Arbeitsraum (26a,} mit der Druckseite der Brennstoffpumpe (3) ebenfalls über eine Drosselstelle (29a) und den Brennstoffilter (7) verbunden ist;

f) auch der zweite Arbeitsraum über das Klappenventil (31, 37a, 376,1 mit dem Brennstoffrücklauf verbindbar ist, wobei das Klappenventil zweiseitig und gegensinnig wirksam ist, indem dessen Ventilklappe (31) der Strömung aus zwei auf sie entgegengesetzt wirkenden Düsen (37a, 37b), die jeweils mit einem der beiden Arbeitsräume (26a, 26b) verbunden sind, ausgesetzt ist und

g) in der Trennwand (44) eine die Führungsbohrung (10) umgreifende Ringnut (46) vorgesehen ist, die ebenfalls über den Brennstoffilter (7) mit der Druckseite der Brennstoffpumpe (3) verbunden ist.

2. Brennstoffzumeßeinrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Ventilnadel (9) in Richtung auf ihr freies Ende aus einem sich konisch erweiternden Teil (12a/ der mit der Zumeßöffnung (12) zusammenwirkt, und einem daran anschließenden sich konisch verjüngenden Teil (13a/besteht und

b) das Ventilgehäuse (Wa) in der der Zumeßöffnung (12) gegenüberliegenden Wand der ersten Kammer (bei 5) eine diese mit dem Brennstoffrücklauf verbindende und zur Zumeßöffnung (12) koaxiale Rücklauföffnung (13) aufweist, die mit dem sich konisch verjüngenden Teil (13aJ der Ventilnadel (9) zusammenarbeitet.