DE2456717A1 - Pump- und dosiervorrichtung - Google Patents
Pump- und dosiervorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Komprimieren und Dosieren
von Kraftstotf für kleine, 3chnel3.dreh.ende Turbinentriebwerke, mit
einer elektronischen Kraftstoffzuilossreg·:;.! verrichtung für Geschoss«
oder ciiidexe Antriebsswecke.
Es ist bekannt, dass von dam Gasturbinentriebwerk angetriebene- .
Zentrifugal pumpen bisher nicht sum Komprimieren des Kraftstoffes
benutzt werdon konnten, da sie hohe Drehzahlen benötigen, um zum
Anlassen des Triebwerkes eine ausreichende Komprimierung des Kraftstoffes
^u gestatten. Es ist ebenfalls bekannt, dass bei unmittelbarem
Antrieb einer Zentrifugalpumpe vom Triebwerk eine Verdrängerpumpe in eier Verdichteranlage für geringe Tr.iebwerksdrehzahlon
sowie ein mechanisches Untersetzungsgetriebe erforderlich sind.
Weitere Versuche mit gemischten Pumpanlagen beruhen auf der Verwendung
einer Verdrängerpumpe zum Anlassen in Verbindung mit einer
mechanischen oder hydraulischen Entkupplungsvrrrichtung. Die.mechanische
Untersetzung, welche für die Verdrängerpumpe erforderlich ist, oder die mechanische oder hydraulische Entkupplungsvorrichtungen
sind nicht nut: teuer, sondern haben ebenfalls einen komplizierten
Aufbau und sind schwer", so dass sie das gesamte Gewicht
dos Flugüeviges vergrößern. Es ist offensichtlich, dass jede G-iwichtsvargrösserung
des Flugzeuges ein Kachteil ist und die zulässi-
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BAD ORIGfNAL
ge Nutzlast verringert. ' '
Es wurde gefunden, dctss die Kompressionseigenschaften einer Zentrifugalpumpe
vorteilhaft ausgenutzt v/erden können durch ihre Kombination mit einer elektrisch angetriebenen Verdrängerpumpe, um sowohl
die Anlass- als auch die erwünschten Dosiereigenschaften zu erreichen.
Die Geschwindigkeit der elektrisch getriebenen Verdrängerpumps wird dabei proportional zu der gewünschten Kraftstoff strömung
und wirkt dementsprechend als Dosierpumpe. Motorgetriebene Pumpen waren bisher nicht geeignet zu Miniaturisierung der Anlage
da der Motor 2 bis 3 Pferdestärken benötigt zur Abgabe von 7,5 1
pro Minute bei einem itbsoluten Druck von 56 oder 64 kp/cin . Entsprechend
dieser Erfindung dient die Zentrifugalpumpe zum Erzeugen
des gewünschten· Druckes, so dass die erforderliche Antriebslc;i
stung dess Antriebsmotors der Dosierpumpe sehr wesentlich
vermindert werden kann da die Druckbe'l astung im wesentlichen bis
auf den Ausgleich der Leckverluste in den Kraftstoffleitungen
vermindert ist.
Entsprechend der Erfindung wird die Zentrifugalpumpe in .. .' hina- '
tion mit eintsr piezoelektrisch angetriebenen Dosierpumpe oder mit
einer von einem Elektromotor getriebenen Pumpe der Schaufelbauart
verwendet,
In beiden Fällen wird die Dosierung zum Bestandteil der elektronischen
Steueranlage, weiche den Kraftstoff in Abhängigkeit eines Äusgangssignales der elektronischen Steuerung dosiert, die den
Kraftstoffzufluss in Abhängigkeit der Forderungen des Triebwerks
regelt.
Die Erfindung schafft eine elektromechanisehe Vorrichtung für eine
elektronische Kraftstoffzuflussregelvorrxchtung zum Komprimieren
und Dosieren des Kraftstoffes für ein Gasturbxnentrxebwerk. Die Erfindung schafft desweiteren kombinierte Zentrifugal- und Verdrängerpumpen
sowohl zum Pumpen als zum Dosieren von Kraftstoff für ■ ein kleines Triebwerk, welches in Geschossen oder für andere Antriebs
zwecke ?-u verwenden ist.
Schliesslich schafft die vorliegende Erfindung eine elektromechanische
Vorrichtung für eine elektronische Steuerung zur Regelung
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der Kraftstoffströmung unter dem erforderlichen Druck zu einem
Triebwerk, welche Vorrichtung eine vom Triebwerk angetriebene Zentrifugalpumpe und eine von einem Elektromotor oder eine piezo- '
elektrisch angetriebene Dosierpumpe aufweist.
Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in den /.eichnungen dargestellt
und werden im folgenden ausführlicher beschrieben, es
zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung der Erfindung,
Figur 2 eine andere schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles'
"der Erfindung.
Die Erfindung* betrifft im wesentlicher; die elektroiuechanische
Verbindung zwischen einer elektronischen Steuerung für ein Turbinentriebwerk
und der Vorrichtung zur Zuführung des Kraftstoffes zu der Brennkammer des Triebwerkes. Wi'=. in Figur 1 dargestellt
ist wird einem■Turbinentriebwerk, insgesamt mit 10 bezeichnet,
Kraftstoff durch die sehematisch angedeutete Kraftstoffzuflussregelvorrichtung
, insgesamt mit 12 bezeichnet, zugeführt, zur Abgabe der erforderlichen Leistung für den gegebenen Anwendungszweck. Das Triebwerk kann in Flugzeugen, Geschossen oder für andere
Antriebszwecke sowie auch für industrielle Zwecke verwendet werden. Eine sehematisch dargestellte, elektronische Rechenanlage, insgesamt
mit 14 bezeichnet, dient zum Messen von mehreren Triebwerksparametern, einschliesslich des Steuerknüppels 15, um die jeweiligen
Betriebsbedingungen festzustellen und zum Schutz gegen unerwünschte Betriebszustände, wie z.B.. Abdrosseln, Erlöschen der Flamme
infolge zu reicher oder zu armer Mischung, Übertemperatur, usw. Da geeignete, elektronische Kraftstoffzuflussregelvorrichtungen
bekannt sind wird eine ausführliche Beschreibung derselben zum
Zwecke der Klarheit und Übersichtlichkeit hier nicht wiedergegeben. Ein Beispiel einer geeigneten elektronischen Steuervorrichtung
ist aus der U.S. Patentschrift 3.6O6.7F4 zu entnehmen. Die vorliegende
Erfindung betrifft insbesondere die Verbindung zwischen der elektronischen Steuervorrichtung und den hydromechanischen
Bauteilen zur dosierten Zuführung des Kraftstoffes zu der Brennkammer
des Triebwerks in Abhängigkeit der Steuervorrichtung. Die
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Erfindung eignet sich insbesondere zur Verwendung in kleinen Triebwerken mit Drehzahlen in dor GrÖEsenordnung von 50.000 bis
75,000 Umdrehungen pro Minute oder in der darüber liegenden Grössenordnung,
we'lche insbesondere geeignet sind zur Anwendung in
Automobilen und Geschossen. Die Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung xst jedoch nicht auf ein solches Triebwerk beschränkt.
Die erf indungjsgemässe Vorrichtung umfasst im wesentlichen eine
vom Triebwerk getriebene Zentrifugalpumpe 16, eine geeignete Dosierpumpe, welche in diesem Falle eine insgesamt mit 18 bezeichnete
elektrisch angetriebene Schaufelpumpe ist, sowie einen Druckregler 20. Der Kraftstoff aus dem Vorratsbehälter 2 2 gelangt
zur Brennkammer (nicht dargestellt) des Triebwerkes 10 durch die Leitung 24, die Zer:trifugalpum£3e 16, das Druckregelventil 20, die
Leitung 2 6 und die Dosierpumpe 18.
Das Druckregelventil 20, weiches jeden geeigneten Aufbau haben
kann,dient zur Aufrechterhaltung eines konstanten Druckabfalle?
an der Flügelpumpe 18. Demnach wird der Schieber 28 des^^n eine
Fläche dem Druck in der Kammer 30- und dessen gegenüberliegende Fläche
dem Druck in der Kammer 3 2 ausgesetzt ist durch den Druck stromaufwärts und stromabwärts der Flügelpampe 28 im Gleichgewicht
gehalten, welche Drucke dem Schieber 28 über die Leitungen 34 bzw. 36 zugeführt werden. Es ist wesentlich, dass' die Kraft der
Feder 38, die in der Kammer 32 angeordnet ist und den Schieber nach oben belastet den Wert des konstanten Druckabfalles an der
Flügelpumpe 18 bestimmt und die Dosieröffnung 40 zum Festhalten dieses Druckabfalles einstellt.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist die Anlage derart ausgelegt, dass die Flügelpumpe 18 den Kraftstoff auf den
erforderlichen Wert während dem Anlassen des Triebwerkes verdicht3t bis die Leerlaufdrehzahl erreicht ist. Während dem Anlassen befindet
sich das Druckregelventil 28' in der vollständig geöffneten Stellung infolge des geringen Druckes an der Druckseite der Zentrifugalpumpe
und die Kraftstoffströmung wird dem Triebwerk in
Abhängigkeit der Drehzahl der Flügelpumpe 18 zugeleitet. Sobald die Leerlaufdrehzahl erreicht ist und zwischen der Leerlaufdreh-
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zahl und der.maximalen Drehzahl hat die Zentrifugalpumpe eine ausreichende
Drehzahl zum Verdichten des Kraftstoffes und das Druckregelventil
beginnt sich zu schliessen, so dass die anfangs von
äer Flügelpumpe 18 durchgeführte Verdichtung nun wirkungslos wird.
Demnach dient die Geschwindigkeit der Flügelpumpe 18 zum Dosieren des Krii-ftstoffZuflusses zum Triebwerk da die Geschwindigkeit
der Flügelpumpe 18, welche vom elektrischen Motor 42 angetrieben wird, von der elektronischen Steuervorrichtung 14 geregelt wird.
Ein von einer .Magnetspule zu betätigendes Absperxventil 44 befindet
sich vcr dem Anlassen in Schließstellung und bleibt
geschlossen bis der Druck des Kraftstoffes einen vorbestimmten
Wert , z.B.etwa 0,70 kp/cm erreicht. Das Magnetspulenventil
44 wird natürlich verzug svjeise von der Steuervorrichtung 14 betätigt.
Bei einem Betrdebsfehler, wie z.B. einer Unterbrechung der Stromzuführung
ist ein minimaler Kraftstoffzufluss über eine Umgehungsleitung
46 und ein Magnetspulenabsperrventil 48 gewährleistet.
In diesem Falle wird das Ventil 48 entiegt oder durch Federkraft in Offenstellung bewegt zwecks Umleitung des Kraftstoffes um die
Flügelpumpe 18. Das Druckregelvontil 2o hält dabei einen konstanten
Druckabfall über das. Ventil 4 8 aufrecht und demnach ist dio
Strömung bedingt durch die Grosse der Ventilöffnung.
In Figur 2 ist ein anderes Äusführungsbelspiei der Erfindung dargestellt
f welches im wesentlichen den. gleichen Aufbau als die Anlage
nach Figur 1 aufweist, sich jedoch hauptsächlich durch die
Verwendung einer piezoelektrisch angetriebenen Pumpe von dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 unterscheidet. Wie aus Figur 2 zu
erkennen ist, hat die elektromechanischen Verbindung eine Zentrifugalpumpe
100. «..in Druckregelventil 102, eine piezoelektrische
Pumpe 104 und ein Magnetspulenumgehungsventil 110, welche alle in gleicher Weise wie bei der beschriebenen Ausführung nach Figur
1 arbeiten.
Der piezoelektrische Antrieb ist eine Vorrichtung mit hoher Antriebskraft
und kleiner Verdrängung, welche mehrere aufeinander
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gestapelte piezokeramische Scheiben 12 aufweise, die gegen einen
federbelasteten Kolben 114 drücken. Zur Herstellung der piezoelektrischen Scheiben 112 können z.B. in der Natur vorkommende
Mineralien, wie z.B. Quarz oder Rochellesalze verwendet werden oder man kann auch auf die Anwendung von Bariumtitanat, Bleizirkonattitanat,
usw. zurückgreifen. Die Kraft wird abgeleitet durch Anlegen eines starken elektrischen. Feldes entlang einer Achse
der polykristallinen Scheiben wodurch sich die Kristalle mit ihrer längsten Achse in Richtung des elektrischen Feldes stellen. Da
sehr viele Kristalle betroffen sind ist die Ausrichtung statistisch beeinflusst und die Dehnung in Abhängigkeit des elektrischen
Feldes wird dabei linear im Gegensatz z:i einem stufenweisen Verlciuf.
Aus Bariumtit'inat und Bleizirkonattitanat hergestellte Scheiben
haben ohne Belastung eine übliche Dehnung von 0,002 cm/cm bei einer angelegten Feldstärke von 19,70 KV/em. Entsprechend dem Hookeschen
Gesetz verringert, sich die belastungsfreie Dehnung falls die Ausdehnung beschränkt ist. Bei einem Youngschen Modul von 12,7 X
10 kp/cru * v/i.vä eine Dehnung von 0,001 cm/cm erreicht bei einer
Kompressionsbelastung von 350 kp/cm".
Die Scheiben 112 sind zu beiden Seiten des piezokeramischen Materials
mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen. Falls ei^e
Wechselstromquelle an die Scheiben angelegt wird, so dehnt sich das Material in Richtung des angelegten elektrischen Feldes. Demnach
entwickeln die aufeinander gestapelten Scheiben eine grosse Kraft bei einer kleinen Bewegung.
Diese Arbeit kann entweder durch mechanische oder hydraulische Verstärker in eine grosse Bewegung-mit geringer Kraft umgewandelt
v/erden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird dit Verstärkung hydraulisch
durch einen Plunger 116 vorgenommen. Ein Ende des Plungers 116 ist der von einem Kolben 114 komprimierten Flüssigkeit ausgesetzt.
Durch die, durch Erregung des piezoelektrischen Stapels
verstellt hergeleitete Bewegung wird der Kolben 1 i 4 /, weicher seinerseits
den Plunger 116 bewegt. Das gegenüberliegende Ende des Plungers drückt gegen ein federbelastetes Pump- und Dosierelement 120 zum
Pumpen und/oder Dosieren des Kraftstoffes in der gleichen Weise
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wie mittels der Flügelpumpe in dem Ausführungsbeispiel nach Figur
1.
Das Einwegventil· 122 hält das gegen den Plunger 118 wirkende Fluid
auf einem geeigneten Füllstand. Dementsprechend ist dieses Ventil in Verbindung mit der Hauptdosierleitung und der Umgehungsleitung
108 in Abhängigkeit der Kraftstofförderung zu dem Triebwerk durch
die eine oder andere Leitung.
Dementsprechend gewährleistet die.Wirkung der Verdrängerpumpe des
piezoelektrischen Kolbens die Kraftstoffströmung beim Anlassen
des Triebwerkes wie nach dem Äusführungsbeispiel nach Figur 1 und die motorgetriebene Zentrifugalpumpe gewährleistet die erforderliche
Kompression des Kraftstoffes zwischen der Leerlaufdrehzahl und der maximalen Drehzahl.
Das Regelventil 102 und der von der Zentrifugalpumpe 100 abgegebene
Druck zwischen der Lserlaufdrehzahl und der maximalen Drehzal werden zur Durchführung von weiteren Verringerungen der elektrischen
Leistung verwendet. Dies ist möglich durch Anwendung des .
piezoelektrisch betätigten Kolbens 120 als impulsbreitenmoduliertes Dosierventil zwischen der Leerlaufdrehzahl und der maximalen
Drehzahl. Die Pump- und Dosierwirkung lässt sich erklären durch Annahme r dass das Druckminderventil 130 der Dosierkolbenpumpe
2
mittels der Feder 132 auf 0,70 kp/cm und das Druckregelventil
mittels der Feder 132 auf 0,70 kp/cm und das Druckregelventil
auf 3,52 kp/cm · eingestellt sind. Wahrend dem Anlassen ist das Regelventil
120 vollständig geöffnet infolge des nichtausreichenden Ausgangsdruckes der Zentrifugalpumpe und der Kraftstoff wird dein
Triebwerk zugeleitet in Abhängigkeit der Bewegungswechsel des Dosierkolbens 120. Bei Geschwindigkeiten zwischen der Leerlaufdrehzahl'
und der maximalen Drehzahl hat die Zentrifugalpumpe 100 einen
ausreichenden Ausgangsdruck zur vollständigen Oeffnung des Druck-Jöinderventiles
130 falls die Kolbeneinlassöffnung geöffnet ist. DLe Abmessungen der Einlass- und Auslassöffnungen, in Verbindung
mit dem Druckregelventil, gestatten die Zuführung einer maximalen Kraftstoffströmung zum Triebwerk solange'die piezoelektrische Pumpe
nicht in Betrieb ist. Falls die Pumpe in Betrieb ist, fällt die ■■■Strömung bis auf null ab und demnach kann die Strömung moduliert
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werden durch Veränderung der 'impulsbreite einer Impulsfolge mit
konstanter Frequenz. Bei einem Betrieb mit 100 oder 200 Bewegungswechsel pro Sekunde sprechen das Triebwerk und das Regelventil
auf die mittlere Strömung an welche durch die Impulsbreite bestimmt
ist (d.h. falls das Ventil während 10% des Bewegungsspieles offen ist erhält man eine mittlere Strömung von 10% der Maximalstrennung).
Dabei wird die elektrische Leistung für die piezoelektrische Vorrichtung
abhängig von der maximalen Starbströmung und von den Pump- und Leitungsverlusten, da für eine maximale Strömung
keine elektrische Leistungozuführung zu dem piezoelektrischen Stapel 112 erforderlich ist. Man schätzt ,dans für eine maximale
Startströmung von 45 kg/Stunde bei einer Drucksteigerung von 1,05
kp/cm durch die Pumpe eine elektrische Leistung von 15 Watt ausreicht.
Die Umschaltung von der Beweguiigswechselmodulation zur
Impulsbreitenmodulation der Strömung wird von der elektronischen
Steuervorrichtung bei einer vorbestimmten Triebwerksdrehzahl nahe der Leerlaufdrehzahl durchgeführt.
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Claims (6)
- P A T E N__T Λ -N S P RUECHE . . ■ti/ Kraftstoff dosiervorrichtung zur Verwendung mit einer elektronischen Kraftstoffzuflussteuervbrrichtung für ein Gasturbinentriebwerk, gekennzeichnet, durch eine vom Triebwerk getriebene Zentrifugalpumps, eine mit der Zentrifugalpumpe in Serie angeordnete und von der~elektronischen Steuervorrichtung gesteuerte Verdrängerpumpe, wobei die Verdrängerpumpe den Kraftstoff komprimiert, falls das Triebwerk unterhalb einem vorbestimmten Triebwerksparameter arbeitetj und den Kraftstoff oberhalb des vorbestimmten Triebwerksparameters dosiert, und wobei die Zentrifugalpumpe den Kraftstoff mar komprimiert falls die Verdrängerpumpe im Dosierbetrieb arbeitet .
- 2. Kraftstoff dosiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerpumpe eine piezoelektrisch angetriebene Pumpe ist.
- 3. Kraftstoffdosiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckregelventil vorgesehen ist zur Aufrechterhaltung eines konstanten Druckabfalles an der Verdrängerpumpe.
- 4. Kraftstoffdosiervorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Umgehungsleitung für die Kraftstoffströmung um die Verdrängerpumpe und durch ein Absperrorgan zum Abschalten der Umg.;~ huncjS leitung. .
- 5. Kraftstoffdosiervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn- ■ zeichnet, dass ein Magnetspulenabsperrventil in der Umgehungsleitung angeordnet ist und dass eine Einrichtung vorgesehen ist zur Betätigung der Magnetspule,' um das Absperrventil zu öffnen zwecks Umleitung des Kraftstoffes um die Verdrängerpumpe.
- 6. Kraftstoffdosiervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Motor einen hydraulischen Verstärker betätigt zur Ausführung eines grossen Hubes ausgehend von einer kleinen Bewegung mit hoher Kraft des piezoelektrischen Motors.5 ö 3 3 3 Q / 0 2 £ 3 BAD
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