DE2456717C2

DE2456717C2 - Brennstoffdosiervorrichtung

Info

Publication number: DE2456717C2
Application number: DE2456717A
Authority: DE
Inventors: Kail Lester Bloomfield Conn. Linebrink; Lawrence Sidney Simsbury Conn. Smith
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1974-01-17
Filing date: 1974-11-30
Publication date: 1985-06-20
Also published as: GB1483490A; DE2456717A1; SE399583B; FR2258526B1; CA1014361A; IT1028421B; SE7414992L; US3946551A; FR2258526A1

Description

wicht gehalten. Der Schieber 28 wird mit den vorgenannten Drücken über Leitungen 34 bzw. 36 beaufschlagt Die Kraft einer Feder 38, die in der Kammer 32 angeordnet ist und den Schieber 28 nach oben drückt, bestimmt den Wert des konstanten Druckabfalls an der Verdrängerpumpe 18 und stellt eine Dosieröffnung 40 zum Aufrechterhalten dieses Wertes ein.

Die Brennstoffdosiervorrichtung 12 ist so ausgelegt, daß die Verdrängerpumpe 18 den Brennstoff während des Anlassens des Triebwerks 10 bis zum Erreichen der Leerlaufdrehzahl mit dem erforderlichen Druck beaufschlagt Während des Anlassens ist das Druckregelventil 20 wegen des geringen Druckes auf der Druckseite der Zentrifugalpumpe 16 in seiner vollständig geöffneten Stellung, und die Brennstoffzufuhr zu dem Triebwerk 10 erfolgt in Abhängigkeit von der Drehzahl der Verdrängerpumpe 18. Sobald die Leerlaufdrehzahl erreicht ist und zwischen der Leerlaufdrehzahl und der maximalen Drehzahl hat die Zentrifugalpumpe 16 eine ausreichende Drehzahl zum Unterdrucksetzen des Brennstoffes, und das Druckregelventil 20 beginnt zu schließen, so daß das Unterdrucksetzen, das zuvor durch die Verdrängerpumpe 18 vorgenommen worden ist, nun wirkungslos wird. Demgemäß dient die Drehzahl der Verdrängerpumpe 18 von nun an zum Dosieren der Brennstoffzufuhr zu dem Triebwerk 10, wobei die Drehzahl der Verdrängerpumpe 18, die durch einen Elektromotor 42 angetrieben wird, durch den elektronischen Brennstoffregler 14 geregelt wird.

Ein Magnetabsperrventil 44 ist vor dem Anlassen in seiner geschlossenen Stellung und bleibt in der geschlossenen Stellung, bis der Druck des Brennstoffes einen vorbestimmten Wert erreicht, z. B. etwa 0,70 bar. Das Magnetabsperrventil 44 wird durch den Brennstoffregler 14 betätigt

Im Falle einer Betriebsstörung, wie beispielsweise einer Unterbrechung der Zufuhr elektrischen Stroms, wird eine Mindestbrennstoffzufuhr über eine Umgehungsleitung 46 und ein Magnetabsperrventil 48 aufrechterhalten. In diesem Fall wird das Magnetabsperrventil 48 entregt und durch Federkraft in seine geöffnete Stellung bewegt, so daß der Brennstoff um die Verdrängerpumpe 18 herumgeleitet wird. Das Druckregelventil 20 hält dabei einen konstanten Druckabfall an dem Magnetabsperrventil 48 aufrecht, so daß der Brennstoffdurchfluß durch das Magnetabsperrventil 48 durch die Größe von dessen Öffnung bestimmt wird.

F i g. 2 zeigt e^;n Ausführungsbeispiel der Brennstoffdosiervorrichtung, das sich von dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 hauptsächlich durch die Verwendung einer durch einen piezoelektrischen Motor 112 angetriebenen Verdrängerpumpe 104 unterscheidet Die Brennstoffdosiervorrichtung nach Fig.2 enthält eine Zentrifugalpumpe 100, ein Druckregelventil 102, die piezoelektrisch angetriebene Verdrängerpumpe 104, ein Magnetabsperrventil 106, eine Umgehungsleitung 108 und ein Magnetabsperrventil 110, die auf dieselbe Weise wie bei dem Ausführungsbeisipiel nach F i g. 1 arbeiten.

Der piezoelektrische Motor 112 ist eine Vorrichtung mit hoher Antriebskraft und kleiner Verdrängung und besteht aus mehreren aufeinander gestapelten Piezokeramikscheiben, die gegen einen federbelasteten Kolben 114 drücken. Die Piezokeramikscheiben können aus in der Natur vorkommenden Materialien, wie beispielsweise Quarz oder Rochellesalzen oder aus Bariumtitanat, Bleizirkonattitanat, usw bestehen. Die Kraft wird gewonnen durch Aufbauen eines starken elektrischen Feldes längs einer Achse der polykristallinen Scheiben, wodurch sich die Kristalle mit ihrer längsten Achse in der Richtung des elektrischen Feldes ausrichten. Da sehr viele Kristalle vorhanden sind, wird die Ausrichtung statistisch beeinflußt, und die Dehnung in Abhängigkeit von dem elektrischen Feld hat einen linearen und keinen stufenweisen Verlauf.

Aus Bariumtitanat und Bleizirkonattitanat hergestellte Scheiben haben ohne Belastung eine übliche Dehnung von 0,002 cm/cm bei einer Feldstärke von 19,70 kV/cm. Entsprechend dem Hookeschen Gesetz verringert sich die belastungsfreie Dehnung, wenn die Ausdehnung beschränkt wird. Bei einem Youngschen Modul von 12,7 · 10⁵ MPa wird eine Dehnung von 0,001 cm/cm bei einer Druckbelastung von 35 MPa erreicht

Die Piezokeramikscheiben des piezoelektrischen Motors 112 sind auf beiden Seiten mit einem elektrisch leitenden Überzug versehen. Wenn eine Gleichspannung an die Scheiben angelegt wird, dehnen sich diese in Richtung des angelegten elektrischen Feldes aus. Demgemäß entwickeln die aufeinander gestapelten Scheiben eine große Kraft bei kleiner Bewegung.
- Die Arbeit die die Scheiben leisten, kann durch einen mechanischen oder einen hydraulischen Verstärker in eine große Bewegung bei kleiner Kraft umgewandelt werden. In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 erfolgt die Verstärkung hydraulisch durch einen Stößel 116. Ein Ende 118 des Stößels 116 ist dem Brennstoff ausgesetzt, auf den der Kolben 114 einwirkt. Die Bewegung, die durch Erregen des piezoelektrischen Motors 112 erzeugt wird, verschiebt den Kolben 114, der seinerseits den Stempel 116 verschiebt. Das entgegengesetzte Ende des Stößels 116 drückt gegen ein federbelastetes Pumpe- und Dosierelement 120 der Verdrängerpumpe 104 zum Pumpen und/oder Dosieren des Brennstoffes auf dieselbe Weise wie durch die in Verbindung mit F i g. 1 beschriebene Verdrängerpumpe 18.

Ein Rückschlagventil 122 hält den auf das Ende 118 des Stößels 116 einwirkenden Brennstoff auf dem richtigen Füllstand. Das Rückschlagventil 122 steht demgemäß mit der Hauptdosierleitung und der Umgehungsleitung 108 in Verbindung, und zwar abhängig davon, welche von ihnen Brennstoff zu dem Triebwerk fördert.

Demgemäß gewährleistet die Pumpwirkung des Pump- und Dosierelements 120 der Verdrängerpumpe 104 die Brennstoffzufuhr beim Anlassen des Triebwerks wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, und die durch das Triebwerk angetriebene Zentrifugalpumpe 100 bewirkt das erforderliche Unterdrucksetzen des Brennstoffes zwischen der Leerlaufdrehzahl und der maximalen Drehzahl.

Das Druckregelventil 102 und der von der Zentrifugalpumpe 100 zwischen der Leerlaufdrehzahl und der maximalen Drehzahl abgegebene Druck gestatten eine weitere Verringerung der aufgenommenen elektrischen Leistung. Erreicht wird das durch die Verwendung des piezoelektrisch betätigten Pump- und Dosierelements 120 als ein pulsbreitenmoduliertes Dosierventil zwisehen der Leerlaufdrehzahl und der maximalen Drehzahl. Die Pump- und Dosierwirkung läßt sich dadurch veranschaulichen, daß angenommen wird, daß ein Druckminderventil 130 mittels einer Feder 132 auf 0,70 bar und das Druckregelventil 1Ö2 auf 3,52 bar eingestellt sind. Während des Anlassens ist das Druckregelventil 102 wegen des unzulänglichen Förderdruckes der Zentrifugalpumpe 100 vollständig geöffnet, und der Brennstoff wird dem Triebwerk in Abhängigkeit von

den Bewegungswechseln des Pump- und
ments 120 zugemessen. Bei Drehzahlen zwischen der Leerlaufdrehzahl und der maximalen Drehzahl liefert die Zentrifugalpumpe 100 einen Förderdruck, der ausreicht, um das Druckminderventil 130 vollständig zu öffnen, wenn die Einlaßöffnung an dem Pump- und Dosierelement 120 offen ist. Die Abmessungen der Einlaß- und Auslaßöffnungen gestatten in Verbindung mit dem Druckregelventil 102 die maximale Brennstoffzufuhr zu dem Triebwerk, solange der piezoelektrische Motor 112 ι ο nicht erregt ist. Wenn der piezoelektrische Motor erregt wird, wird die Brennstoffzufuhr auf null absinken, was ermöglicht, die Brennstoffzufuhr durch Verändern der Impulsbreite einer Impulsfolge konstanter Frequenz zu beeinflussen. Bei einem Betrieb mit 100 bis 200 Bewegungswechsein pro Sekunde sprechen das Triebwerk und das Druckregelventil 102 auf die mittlere Brennstoffzufuhr an, die durch die Impulsbreite festgelegt ist (d. h., wenn das Druckregelventil 102 für 10% der Bewegungsspieldauer offen ist, ergibt sich eine mittlere Brennstoffzufuhr von 10% der maximalen Brennstoffzufuhr). Dabei wird die aufgenommene elektrische Leistung des piezoelektrischen Motors 112 von der maximalen Anlaßbrennstoi'fzufuhr sowie von Pump- und Leitungsverlusten abhängig, da die maximale Brennstoffzufuhr keine Aufnahme elektrischer Leistung durch den piezoelektrischen Motor 112 erfordert. Es wird geschätzt, daß für eine maximale Startbrennstoffzufuhr von 45 kg/h und einer Drucksteigerung von 1,05 bar durch die Pumpe eine elektrische Leistung von 15 W erforderlich ist Das Umschalten von der Bewegungswechselmodulation zur Impulsbreitenmodulation der Brennstoffzufuhr erfolgt durch den elektronischen Brennstoffregler bei einer vorbestimmten Triebwerksdrehzahl nahe der Leerlaufdrehzahl.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

40

50

55

60

Claims

1 2

pe den Brennstoff unter Druck, wogegen bei höherer

Patentansprüche: Drehzahl die Zentrifugalpumpe das Unterdrucksetzen

des Brennstoffes übernimmt Stromabwärts der Ver-

1. Brennstoffdosiervorrichtung für einen elektro- drängerpumpe ist ein Regler vorgesehen, der den nischen Brennstoffregler (14) eines Gasturbinen- 5 Brennstoff dosiert

triebwerke (10), der eine Verdrängerpumpe (18; 104) Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffdosier-

steuert, die den Brennstoff unter Druck setzt und vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden,

dosiert, dadurch gekennzeichnet, daß der daß sie sich zur Verwendung in Verbindung mit einem

Verdrängerpumpe (18; 104) eine vom Triebwerk (10) miniaturisierten elektronischen Brennstoffregler eignet, angetriebene Zentrifugalpumpe (15; 100) vorge- io Diese Aufgabe ist durch die im Kennzeichen des Pa-

schaltet ist, die mit steigender Drehzahl das Unter- tentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

drucksetzen des Brennstoffes übernimmt, so daß die Bei der Brennstoffdosiervorrichtung nach der Erfin-

Verdrängerpumpe (18; 104) nach Erreichen einer dung hat die Verdrängerpumpe nur während des Anlas-

vorbestimmten Triebwerksdrehzahl nur noch als sens des Triebwerks die relativ kleine Brennstoffmenge

Dosierorgan wirkt 15 unter Druck zu setzen, wogegen bei höherer Drehzahl,

2. Brennstoffdosiervorrichtung nach Anspruch 1, ab der Leerlaufdrehzahl, die Verdrängerpumpe keinen dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängerpumpe Brennstoff mehr unter Druck zu setzen hat, weil diese (104) ein/i piezoelektrisch angetriebene Pumpe ist Aufgabe jetzt von der Zentrifugalpumpe übernommen

3. Brennstoffdosiervorrichtung nach Anspruch 1, wird. Die Verdrängerpumpe wirkt dann nur noch als dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckregelventil 20 Dosierorgan. Das erlaubt den Einsatz einer Verdränger-(20; 102) zum Aufrechterhalten eines konstanten pumpe geringer Antriebsleistung, wodurch sich die Druckabfalls an der Verdrängerpumpe (18; 104) vor- Brennstoffdosiervorrichtung nach der Erfindung zur gesehen ist Verwendung in Verbindung mit einem miniaturisierten

4. Brennstoffdosiervorrichtung nach Anspruch 3, elektronischen Brennstoffregler eignet Die Brennstoffgekennzeichnet durch eine Brennstoffumgehungs- 25 dosiervorrichtung nach der Erfindung kann deshalb bei leitung (46; 108) um die Verdrängerpumpe (18; 104) kleinen Gasturbinentriebwerken benutzt werden, die und durch ein Absperrorgan (48; 110) zum Abschal- mit Drehzahlen in der Größenordnung von ten der Brennstoffumgehungsleitung. 50.000—75.000 U/min arbeiten und in Geschossen,

5. Brennstoffdosiervorrichtung nach Anspruch 4, Kraftfahrzeugen u. dgl. benutzt werden.

dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan (48; 30 Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden

110) ein in der Brennstoff umgehungsleitung ange- den Gegenstand der Unteransprüche.

ordnetes Magnetabsperrventil ist und daß eine Ein- Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im

richtung zur Betätigung des Magnetabsperrventils folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nä-

vorgesehen ist, um das Magnetabsperrventil zum her beschrieben. Es zeigt

Herumleiten des Brennstoffes um die Verdränger- 35 F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Ausfüh-

pumpe (18; 104) zu öffnen. rungsbeispiels der Brennstoffdosiervorrichtung nach

6. Brennstoffdosiervorrichtung nach Anspruch 2, der Erfindung und

dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische F i g. 2 eine schematische Darstellung eines weiteren

Motor (112) der Verdrängerpumpe (104) einen hy- Ausführungsbeispiels der Brennstoffdosiervorrichtung,

draulischen Verstärker (116) betätigt, der eine mit 40 Gemäß Fig. 1 bildet eine insgesamt mit 12 bezeich-

hoher Kraft erfolgende kleine Bewegung des piezo- nete Bi ennstoffdosiervorrichtung eine Schnittstelle zwi-

elektrischen Motors in einen großen Hub umsetzt. sehen einem elektronischen Brennstoffregler 14 und einem Gasturbinentriebwerk 10. Der Brennstoffregler 14

mißt mehrere Triebwerksbetriebsparameter einschließ-

45 Hch der Stellung eines Leistungshebels 15, um die richtigen Triebwerksbetriebszustände zu ermitteln und das

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffdosiervorrich- Triebwerk vor den üblichen unerwünschten Betriebszu-

tung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angege- ständen, wie beispielsweise Pumpen, Erlöschen der

benen Art. Flamme infolge zu reichen oder zu armen Gemisches,

Bei einer solchen bekannten Brennstoffdosiervorrich- 50 Übertemperatur usw., zu schützen und um das Trieb-

tung (US-PS 32 40 013) hat die von dem elektronischen werk mit dem für die gewünschte Leistung erforderli-

Brennstoffregler angetriebene Verdrängerpumpe in chen Brennstoff zu versorgen.

dem gesamten Drehzahlbereich des Gasturbinentrieb- Die Brennstoffdosiervorrichtung 12 umfaßt eine von

werks den Brennstoff unter Druck zu setzen und zu dem Triebwerk 10 angetriebene Zentrifugalpumpe 16,

dosieren. Das macht eine verhältnismäßig schwere Ver- 55 eine elektrisch angetriebene Verdrängerpumpe 18, wel-

drängerpumpe erforderlich, die eine beträchtliche An- ehe in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Flü-

triebsleistung benötigt. Eine solche Pumpe mit einer sol- gelradpumpe ist, sowie ein Druckregelventil 20. Der

chen Antriebsleistung eignet sich aber nicht zur Ver- Brennstoff gelangt aus einem Tank 22 über eine Leitung

wendung in Verbindung mit einem miniaturisierten 24, die Zentrifugalpumpe 16, das Druckregelventil 20,

elektronischen Brennstoffregler für kleine Gasturbinen- 60 eine Leitung 26 und die Verdrängerpumpe 18 zur

triebwerke, welche in Geschossen, Kraftfahrzeugen, für Brennkammer (nicht dargestellt) des Triebwerks 10.

industrielle Zwecke od. dgl. benutzt werden. Das Druckregelventil 20 dient zur Aufrechterhaltung

Bei einer weiteren bekannten Brennstoffdosiervor- eines konstanten Druckabfalls an der Verdrängerpum-

richtung für ein Gasturbinentriebwerk (US-PS pe 18. Ein Schieber 28, dessen eine Stirnfläche dem

82 595) sind eine Verdrängerpumpe und eine Zentri- 65 Druck in einer Kammer 30 und dessen entgegengesetz-

fugalpumpe vorgesehen, die beide vom Triebwerk an- te Stirnfläche dem Druck in einer Kammer 32 ausge-

getrieben werden. Bei geringer Triebwerksdrehzahl, setzt ist, wird durch den Druck stromaufwärts und

z. B. während des Anlassens, setzt die Verdrängerpum- stromabwärts der Verdrängerpumpe 18 im Gleichge-