DE3030500A1

DE3030500A1 - Kraftstoffregelsystem

Info

Publication number: DE3030500A1
Application number: DE19803030500
Authority: DE
Inventors: Charles F. East Longmeadow Mass. Stearns
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1979-08-23
Filing date: 1980-08-12
Publication date: 1981-03-26
Also published as: GB2057576B; CA1133263A; IL60793A; GB2057576A; FR2463856B1; US4267693A; JPS56167822A; FR2463856A1; DE3030500C2; JPS6411807B2; IT8024212A0; SE8005902L; IT1132432B; IL60793A0; SE439517B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Kraftstoffregler und betrifft insbesondere ein Kraftstoffregelsystem für ein Gasturbinentriebwerk .

Die statischen Betriebskennlinien eines typischen Gasturbinentriebwerks sind so, daß, wenn die Triebwerksdrehzahl N ansteigt, das Verhältnis zwischen dem Kraftstoffdurchfluß W^ und dem Verdichterauslaßdruck CDP vergrößert werden muß. Das Verhältnis W_f/CDP wird gewöhnlich als Verhältniseinheiten bezeichnet. Bei niedrigen Triebwerksdrehzahlen, beispielsweise nahe dem Leerlauf, i_st eine weitere wichtige Eigenschaft des Gasturbinentriebwerks, daß die Differenzen zwischen den Verhältniseinheiten bei unterschiedlichen Drehzahlen ziemlich klein sind. Die statische Kennlinie ist also im Leerlaufgebiet im wesentlichen horizontal und kann bei

1 30013/1087

niedrigen Drehzahlen tatsächliche eine umgekehrte Steigung haben.

Der Hauptzweck eines Gasturbinentriebwerkskraftstoffreglers ist es, den Kraftstoffdurchfluß zu dem Triebwerk in einer vorbestimmten Beziehung zum Verdichterauslaßdruck entsprechend den Leistungsanforderungen und -änderungen, die durch einen Leistungshebel gemacht werden, zu programmieren (to schedule). Der Kraftstoffregler ändert also, allgemein gesagt, die Verhältniseinheiten in Beziehung zu Triebwerksleistungseinstellungen: Während Beschleunigungszuständen und während Zuständen hohen Leistungsbedarfes sind die Verhältniseinheiten groß; während Betriebszuständen mit geringer Leistung, wie beispielsweise bei der Drehzahlverminderung, sind die Verhältniseinheiten klein. Der Kraftstoffregler kann daher so aufgefaßt werden, als programmiere er die Verhältniseinheiten zwischen vorgeschriebenen Minimal- und Maximalwerten. Für jeden besonderen Leistungshebelvorschub PLA (power lever advance) ist die Beziehung zwischen den Verhältniseinheiten und der Triebwerksdrehzahl im Idealfall konstant. Der Schnittpunkt der statischen Kennlinie des Triebwerks und der Kennlinie der Verhältniseinheiten, ergibt sich bei der statischen Drehzahl des Triebwerks für diesen Leistungshebelvorschub, der somit die besondere Verhältniseinheit bei dieser Drehzahl festlegt. Bei mäßigen und hohen Triebwerksdrehzahlen tritt der Schnittpunkt unter einem beträchtlichen Winkel auf. Infolgedessen sind die Differenzen zwischen den Verhältniseinheiten bei unterschiedlichen Drehzahlen ziemlich bedeutsam und infolgedessen erzeugen kleine Änderungen in den Verhältniseinheiten keine bedeutsamen Änderungen in der Triebwerksdrehzahl· Die Triebwerksdrehzahlgenauigkeit ist daher in diesen Gebieten ziemlich hoch. Bei den niedrigeren Triebwerksdrehzahlen, bei denen die statische Kurve flach oder horizontal ist, sind die Schnittpunktwinkel viel kleiner und die Arbeitspunkte sind deshalb nicht annähernd so gut festgelegt. Daher kann bei niedrigeren Drehzahlen die

i3Ö013/1087

30305QQ

Triebwerksdrehzahlgenauigkejt schlecht sein, was es schwierig macht, eine Solldrehzahl bei einer besonderen Leistungshebelvorschubposition zu erreichen.

Im Stand der Technik wird auf verschiedenen Wegen versucht, diese Genauigkeitsprobleme zu mildern. Im allgemeinen sind die Lösungen darauf gerichtet, Minimalverhältniseinheiten bei den niedrigeren Triebwerksdrehzahlen durch die Verwendung eines mechanischen Reglers in dem Kraftstoffregelsystem zu programmieren; durch Programmieren eines Minimalkraftstoffdurchflusses für unterschiedliche Einstellungen (Leerlaufeinstellungen) niedriger Leistung werden die Schnittpunktwinkel beträchtlich vergrößert. Oberhalb von Leerlaufdrehzahlen wird der Reglerbetrieb jedoch nicht notwendigerweise benutzt und die Verhältniseinheiten können allein auf den Verdichterauslaßdruck hin programmiert werden. Ein Beispiel eines Reglersystems ist aus der US-PS 3 611 719 bekannt.

Ein zusätzlicher Zwang, der Gasturbinenkraftstoffreglern auferlegt wird, ist die Notwendigkeit eines absoluten Minimalkraftstoffdurchflusses zu dem Triebwerk bei irgendeinem Leistungshebelvorschub über eine Abschaltposition hinaus. Im allgemeinen wird das erreicht, indem zusätzliche Kraftstoffdurchflußregelkreise vorgesehen werden, die in Verbindung mit dem Minimalkraftstoffdurchfluß wirken, der durch den mechanischen Regler bereitgestellt wird, der einfach unterschiedliche Minimalkraftstoffdurchflüsse in dem Leerlaufbereich für unterschiedliche Leistungshebelvorschubeinstellungen niedriger Leistung einstellt.

Eine weitere Funktion eines Gasturbinenkraftstoffreglers besteht darin, den Kraftstoffdurchfluß zu dem Triebwerk in Beziehung zu verschiedenen Parametern zu modifizieren, wie der Triebwerksdrehzahl, der Beschleunigung, der Temperatur, der Umgebungstemperatur und dem Druck. Dafür gibt es zwei Gründe: zum Vergrößern des Triebwerksbetriebswir-

130013/ 1087

kungsgrades und zum Verhindern eines Triebwerksbetriebes bei gewissen Drehzahlen und Verhältniseinheiten, um so einen Betrieb in dem Triebwerkspumpgebiet zu vermeiden. Jüngere Fortschritte bei Kraftstoffreglern sind durch stärkere Verwendung von elektronischen Schnittstellen mit hydromechanischen Brennstoffreglern gekennzeichnet, um diese Kraftstoffdurchflußmodifizierungseigenschaften zu schaffen. Zu diesen jüngeren Fortschritten gehört hauptsächlich die Verwendung von computergestützten Systemen, die die verschiedenen Parameter abfühlen, um Signale zu liefern, welche den Kraftstoffdurchfluß in dem hydromechanischen Teil des Systems modifizieren. Da die Zuverlässigkeit bei allen Kraftstoffreglern ein Hauptfaktor ist, wird es weiterhin als wichtig angesehen, einen Triebwerksbetrieb getrennt und gesondert von dem elektronischen Teil sicherzustellen. Mit anderen Worten, der elektronische Teil sollte nicht als einzige Einrichtung zum Regeln des Kraftstoffdurchflusses benutzt werden, sondern vielmehr als eine Einrichtung zum Modifizieren einer Grundregelung, die durch den hydromechanischen Teil vorgenommen wird.

Die vorstehend beschriebenen Techniken zum Erzielen eines stabilen, wirksamen Triebwerksbetriebes und zum Ausbilden eines Mindestkraftstoffdurchflusses tragen beträchtlich zu den Kosten, zur Wartung und zur Größe des Kraftstoff regelsystems bei. Die Leistungsfähigkeit solcher Regelsysteme ist zwar ausgezeichnet, es gibt jedoch einen deutlichen Bedarf an kleineren, leichteren Brennstoffreglern, die dieselben Ergebnisse zu beträchtlich niedrigeren Kosten erbringen. Das gilt insbesondere für Kraftstoffregler für kleine Turbinentriebwerke, beispielsweise für solche, wie sie in kleinen Privatjets und dgl. benutzt werden.

Die Erfindung schafft ein Gasturbinenkraftstoffregelsystem, in welchem es einen hydromechanischen Teil gibt, der eine Grundkraftstoffregelung für das Triebwerk vornimmt, und

1 30013/1087

- ν - 303050Q

eine elektromechanische Schnittstelle mit dem hydromechanischen System, durch die der Kraftstoffdurchfluß in Abhängigkeit von verschiedenen Triebwerksbetriebsparametern, wie der Triebwerksdrehzahl, der Beschleunigung und dem Druck, und von Umgebungsparametern, wie der Temperatur und dem barometrischen Druck, modifiziert werden kann.

Gemäß der Erfindung liefert ein hydromechanischer Kraftstoffregler den Grundkraftstoffbedarf für das Gasturbinentriebwerk in dem gesamten Bereich von Leistungshebelvorschubpositionen. Dieser Kraftstoffregler arbeitet mit einem verstellbaren Fensterventil oder Drehflügel (variable window valve), an welchem der Kraftstoffdruck auf einem konstanten Wert gehalten wird- Wenn die Fenster auf eine Leistungshebelbewegung und auf Verdichterauslaßdruckänderungen hin geöffnet und geschlossen werden, wird der Kraftstoffdurchfluß zu dem Triebwerk modifiziert. Ein Nachsteuermotor wird betätigt, um ein Ventil zu öffnen, das eine Druckänderung an den Fenstern erzeugt und somit bewirkt, daß der Durchfluß durch die Fenster geändert wird. Da der modifizierte Durchfluß durch die Ventile zu dem Triebwerk nicht von dem Nachsteuermotor abgeleitet wird, sondern durch eine Änderung im Druck, die dieser erzeugt, können die erforderliche Motorleistung und die erforderliche Motorgröße klein sein; er ist deshalb sehr ansprechempfindlich und im wesentlichen frei von so negativen Eigenschaften, wie der Hysterese, die in anderen Systemen auftritt, in denen das Ventil den Brennstoffdurchfluß direkt regelt und in denen der Ventilsteuermotor für einen richtigen Ventilbetrieb deshalb größer und stärker sein muß.

Ein Merkmal der Erfindung ist es, daß sie ganz oder zum Teil bei den Brennstoffregelsystemen benutzt werden kann, welche den Gegenstand von weiteren Patentanmeldungen der Anmelderin bilden, für die die gleiche Priorität in An-

130013/1 087

- ⁸ - 303050Q

spruch genommen worden ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Funktionsblockschaltbild eines regler-

losen Kraftstoffregelventilsystems,

Fig. 2 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen

Verhältniseinheiten und der Triebwerksdrehzahl zeigt, die durch das Kraftstoffregelsystem von Fig. 1 erzeugt wird, und

Fig. 3 eine Querschnittansicht eines Kraftstoff-

regelsystems nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein dreikreisiges Ventilsystem 10, welches den Kraftstoffdurchfluß zu einem Triebwerk (nicht gezeigt) in Abhängigkeit von dem Triebwerksverdichterauslaßdruck CDP und der verlangten Leistung regelt. Fig. 2 zeigt die Beziehung, die durch das System 10 zwischen Verhältniseinheiten W^/CDP und der Triebwerksdrehzahl N in verschiedenen Leistungshebelvorschub (PLA)-Positionen hergestellt wird.

Kraftstoff wird zu einem gemeinsamen Kraftstoffeinlaßkanal 12 gepumpt und tritt aus einem gemeinsamen Kraftstoffauslaßkanal 14 auf dem Weg zu dem Triebwerk aus. Ein erstes verstellbares Fensterventil 16 ist mit dem Triebwerksleistungshebel 18 mechanisch gekuppelt, der zwischen einer vollständig geschlossenen Position 20 und einer vollständig geöffneten Position 22 vorgeschoben werden kann, um die Triebwerksdrehzahl in dem Bereich von Leerlaufdrehzahl N_T bis Volleistung (N„) auszuwählen. Ein zweites verstell-

J-I ti

bares Fensterventil 24 ist ebenfalls mit dem Leistungshebel 18 verbunden. Der Kraftstoff, der über das Ventil 16

130013/1087

303050Ü

fließt, geht zu einem weiteren verstellbaren Fensterventil 26, welches auf den Verdichterauslaßdruck CDP so anspricht, daß, wenn der Verdichterauslaßdruck ansteigt, seine Fensteröffnung größer wird. Ein weiteres verstellbares Fensterventil 28 spricht ebenfalls auf den Verdichterauslaßdruck CDP in derselben Weise an, es empfängt aber Kraftstoff direkt aus dem Einlaßkanal 12. Infolgedessen ist der Kraftstoff, der dem Triebwerk über den Kanal 14 zugeführt wird, die Summe des Kraftstoffes, der die Ventile 24, 26 und 28 verläßt.

Der Kraftstoffdruck zwischen dem Einlaß und dem Auslaß der Ventilanordnung wird auf einem konstanten Wert gehalten, und zwar mit Hilfe eins Druckreglers, der in Fig. 1 nicht gezeigt ist, da sein Aufbau und seine Arbeitsweise bekannt sind. In Fig. 3 ist jedoch ein typischer Druckregler in einem hydromechanischen Kraftstoffsystem gezeigt, der das System 10 darstellt und in einem späteren Teil dieser Beschreibung beschrieben ist.

Die Ventile 16 und 24 sind in ihrer Verbindung mit dem Leistungshebel 18 so ausgebildet, daß, wenn der Hebel in der Minimalleistungsposition 20 ist, das Fenster des Ventils 16 vollständig geschlossen und das Fenster des Ventils 24 vollständig offen ist. Das Ventil 24 erzeugt somit einen absoluten Mindestkraftstoffdurchfluß zu dem Triebwerk ungeachtet des Verdichterauslaßdruckes CDP. Mit anderen Worten, selbst wenn der Verdichterauslaßdruck CDP hypothetisch null ist, geht ein Mindestkraftstoffdurchfluß durch das Ventil 24, um den Triebwerksbetrieb aufrechtzuerhalten. Wenn der Leistungshebei zu der Position vorgeschoben wird (d.h. PLA vergrößert wird; , schließt ds,s Ventil 24 zunehmend und verringert so den Mindes-ckraf tstoffdurchfluß. Gleichzeitig öffnet jedoch das Fenster de^ Ventils 16 und vergrößert so den Kraftstoffdurchfluß zu dem Ventil 26, dessen Fensteröffnung in Abhängigkeit von dem Verdichterauslaßdruck CDP geregelt wird. Da das Ventil

1 30013/1037

303050Q

28 den Kraftstoff direkt aus dem Einlaßkanal 12 empfängt, ist der Durchfluß durch dieses Ventil und zu dem Triebwerk einfach eine Funktion des Verdichterauslaßdruckes CDP, und insgesamt, wenn der Verdichterauslaßdruck CDP ansteigt (die Drehzahl N zunimmt), wird die Fensteröffnung in einem bestimmten Verhältnis größer, um einen stärkeren Kraftstoffdurchfluß zu schaffen. Das Verhältnis zwischen dem Verdichterauslaßdruck CDP und dem Eraftstoffdurchfluß wird prinzipiell aus der Auslegung der Fensterkonfiguration gewonnen und unter Anwendung bekannter Methoden kann dieses Verhältnis maßgeschneidert werden, um eine besondere Kraftstoffdurchflußänderung auf den Verdichterauslaßdruck CDP hin in dem gesamten Bereich des Verdichterauslaßdruckes CDP zu erzielen, wie es beispielsweise durch die Kurven in Fig. 2 gezeigt ist. Dieses Kriterium gilt auch für das auf den Verdichterauslaßdruck CDP ansprechende andere Ventil 26.

Gemäß den Fig. 1 und 2 werden in den unteren PLA-Positionen die CDP-Durchfluß-Kenndaten der Ventile 26, 28 zu den Minimaldurchflußkenndaten des Ventils 24 addiert. Bei niedriger Drehzahl (d.h. in dem Gebiet 29) ist jedoch der Durchfluß durch die CDP-Ventile 26, 28 im Vergleich zu dem Mindestdurchfluß klein, da der Verdichterauslaßdruck CDP niedrig ist. In diesem Gebiet ist der Kraftstoffdurchfluß W.p deshalb im wesentlichen eine andere Konstante für jeden Leistungshebelvorschub PLA, die zu der fallenden negativen Steigung der Minimaldurchflußteile (d.h. 30, 31) führt, wenn der Leistungshebelvorschub PLA größer wird.

Da die Triebwerksdrehzahl· N mit steigendem Leistungshebelvorschub PLA zunimmt» wird der Kraftstoffdurchfluß W_f zunehmend eine Funktion hauptsächlich des Verdichterauslaßdrucks CDP und des Leistungshebelvorschubs PLA. Das ergibt die Abflachungj, die in den Kurven in Fig. 2 zu erkennen ist, wenn die Triebwerksdrehzahl N ansteigt^ und sie tritt hauptsächlich e :f „. t'eil, wann der Leiscungshebslvor-

1 3 f, π 1 ^¹ / 1 0 9 1

" ¹¹ " 303050Q

schub PLA größer wird, der Mindestdurchfluß durch das Ventil 24 kleiner wird; der Durchfluß zu dem auf den Verdichterauslaßdruck CDP ansprechenden Ventil 26 wird vergrößert (durch die vergrößerte Öffnung des Fensters des Ventils 16) und der Durchfluß durch die Ventile 26 und 28 wird, wenn der Verdichterauslaßdruck CDP größer wird, mit der Drehzahl N vergrößert.

Bei niedrigeren PLA-Positionen treten die Schnittpunkte (d.h. 34) der statischen Triebwerkskennlinie und der PLA-Kurven unter einem beträchtlichen Winkel auf. Der Hauptgrund dafür besteht darin, daß sämtliche PLA-Kurven von demselben Maximalverhältniseinheitspunkt 36 ausgehen, der durch den absoluten Minimaldurchfluß W_ für einen Verdichterauslaßdruck CDP von null festgelegt ist. Dieser wird durch das Minimaldurchflußventil 24 erzeugt, welches, wie oben dargelegt, einen absoluten Mindestkraftstoffdurchfluß zu dem Triebwerk in der PLA-Minimalposition ungeachtet der Triebwerksdrehzahl und des Verdichterauslaßdruckes CDP liefert.

Weil der Schnittwinkel groß ist (sowohl bei niedriger a auch bei hoher Drehzahl), sind die Verhältniseinheiten, die jeder PLA-Position für eine besondere Triebwerksdrehzahl auf der statischen Kennlinie zugeordnet sind, überwiegend gut definiert. Es gibt daher eine hohe Auflösung, was bedeutet: jede PLA-Position ergibt eine spezifische Triebwerksdrehzahl. Die Lage des Minimalkraftstoffdurchflußteils mit konstanter Steigung (d.h. 30, 31) für jede PLA-Position ergibt den hohen Schnittwinkel in dem unteren Trxebwerksdrehzahlgebiet 29, wo er für die Drehzahlgenauigkeit kritisch ist, weil die statische Kennlinie dort merkliche Null- und negative Steigungen hat. Wenn der Schnittwinkel in diesem Gebiet der statischen Kennlinien kleiner wird, leidet darunter direkt die Triebwerksdrehzahlregelgenauigkeit, weil die Schnittpunkte ineinander übergehen, wodurch ungenaue Arbeitspunkte für jeden Leistungshebel-

1 30013/1087

303050Q

vorschub PLA in dem Bereich niedriger Drehzahl erzeugt werden. Durch Ausbilden eines großen Schnittwinkels sorgt deshalb der Brennstoffregler für eine hohe Drehzahlgenauigkeit in dem Bereich niedriger Drehzahl. Bei hohen Drehzahlen ist die Steigung der statischen Kennlinie groß und der Schnittpunkt mit den PLA-Kurven stellt deshalb kein Problem für die Drehzahlgenauigkeit dar.

Fig. 3 zeigt ein Kraftstoffregelsystem 35, das die Ventilanordnung 10 enthält. Dieses System enthält eine elektronische Recheneinheit (ECU) 36, die verschiedene Triebwerksbetriebsparameter und Umgebungsparameter überwacht, so daß der Betrieb des Kraftstoffreglers gesteuert wird, um den dem Triebwerk zugeführten Kraftstoff zu modifizieren. Ein besonderes Merkmal dieses Kraftstoffregelsystems besteht darin, daß der Triebwerksbetrieb ohne nennenswerte Beeinträchtigung bei Nichtvorhandensein der Regelung durch die elektronische Recheneinheit weitergehen kann. Der Hauptgrund dafür ist, daß die hydromechanisehen Teile den Mindestdurchfluß zu dem Triebwerk, der für die Beschleunigung und die Drehzahlverminderung erforderlich ist, auf die Bewegung des Leistungshebels hin liefern. Andererseits modifiziert die elektronische Recheneinheit 36 diesen "Grund"-Durchfluß auf gewisse Triebwerks- und Umgebungsparameter hin. Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit eines rein hydromechanischen Systems geschaffen, zusammen mit den Merkmalen einer genauen Kraftstoffregeleinsteilung, die aus einem kontinuierlich überwachenden elektronischen Kraftstoff regelsystem verfügbar ist.

Kraftstoff wird einem Einlaßkanal 38 aus einer Kraftstoffpumpe 40 zugeführt. Der Kraftstoff fließt über eine Leitung 4 2 zu einer Regelventilanordnung 44 und dann über eine Leitung 46 zu einem Leistungshebelventil 48, das mit dem Leistungshebel 18 verbunden ist. Das Ventil 48 ist mit einem Potentiometer 49 verbunden, welches benutzt wird, um der elektronischen Recheneinheit 36 ein elektronisches Signal über Leitungen 50 zuzuführen; das Signal gibt die Lei-

1 30013/1087

stungshebelposition an. Das Leistungshebelventil 48 hat zwei Fenster 54, 56 mit veränderlicher Öffnung und ein Triebwerksabschaltfenster 57, welches sämtlichen Brennstoffdurchfluß zu dem Triebwerk unterbricht, wenn der Hebel 18 in eine gewisse Abschaltposition zurückgezogen wird. Das Fenster 54 bildet ein Minimaldurchflußfenster, welches einen Minimalkraftstoffdurchfluß über eine Leitung 55 zu einem Brennstoffreglerauslaß 58 durchläßt, der mit dem Triebwerkskraftstoffeinlaß 59 verbunden ist. Wenn der Leistungshebel in seiner Minimalposition ist, ist das Fenster 54 vollständig offen und läßt einen absoluten Minimalkraftstoff durchfluß zu dem Triebwerk durch. Das andere Fenster 56 ist ein Beschleunigungsfenster, welches öffnet, wenn der Leistungshebel vorgeschoben wird, der gleichzeitig das Minimaldurchflußfenster 54 schließt. Der Kraftstoff aus dem Fenster 56 fließt über eine Leitung 60 zu einem Doppelfensterventil 61, das mit einem Servogerät 62 verbunden ist. Das Servogerät 6 2 fühlt den Verdichterauslaßdruck CDP in einem Kanal 64 ab. Wenn der Verdichterauslaßdruck CDP ansteigt, drückt er einen Balg 66 aufwärts, wie durch einen Pfeil 68 angedeutet, wodurch ein Winkelhebel oder Arm 67 im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird. Wenn der Winkelhebel 67 im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, öffnet er zunehmend ein ein positives Verhältnis (von Ventilöffnung zu Ventilöffnungskraft) aufweisendes Klappenventil 70 und ein ein negatives Verhältnis aufweisendes Klappenventil 72« Wenn der Verdichterauslaßdruck CDP abnimmt, dreht sich der Winkelhebel 67 im Uhrzeigersinn und die Ventile 70, 72 machen fortschreitend zu. Die Ventile 70, 72 sorgen gemeinsam für eine Negativverhältniskompensation für das Servogerät in einer ausführlich in einer der oben erwähnten weiteren Patentanmeldungen der Anmelder in, für die die gleiche Priorität beansprucht worden ist, beschriebenen Weise« Das Klappenventil 72 ist mit einer Niederdruckseite 74 des Servogeräts verbunden. Die Niederdruckseite 74 ist über eine Drosselöffnung 76 mit der Hochdruckseite 78 verbunden _g die mit dem Ventil 70 über eine Drosselöffnung 71 und eine

1 30013/1087

30305QQ

Leitung 77 in Verbindung steht. Die Hochdruckseite hat einen effektiven Flächeninhalt, der kleiner ist als der Flächeninhalt auf der Niederdruckseite (d.h. halb so groß ist) , Die Hochdruckseite 78 ist über eine Leitung 80 mit der Brennstoffzuführleitung 38 verbunden. Wenn der Verdichterauslaßdruck CDP beispielsweise ansteigt, nimmt der Kraftstoffdurchfluß durch die Drosselöffnung 76 zu, wenn das Ventil 72 öffnet. Dadurch wird der Druck auf der Niederdruckseite des Servogeräts verringert, das sich dann nach links bewegt, wie durch den Pfeil 84 angedeutet. Eine Verringerung des Verdichterauslaßdrucks CDP verursacht jedoch eine Bewegung nach rechts durch Vergrößerung des Druckes auf der Niederdruckseite, wenn der Kraftstoffdurchfluß durch das Ventil 72 abnimmt. Das Servogerät bewegt das Ventil 61, welches über eine Feder 87 mit dem Winkelhebel verbunden ist. Das Servogerät zieht das Ventil 61 in der Richtung 84, wenn der Verdichterauslaßdruck CDP ansteigt, welches den Winkelhebel 67 in einer Richtung zieht, in der bewirkt wird, daß die Klappenventile 70, 72 schließen und der Kraftstoffdurchfluß durch die Drosselöffnung 76 auf einen "Null"-Wert verringert wird, der das Servogerät gegen die Feder in Position hält. Eine Abnahme im Verdichterauslaßdruck CDP führt zu einer entgegengesetzten Reaktion: das Servogerät bewegt sich_p um die Ventile zu dem NuIlkraftstoffpunkt zu öffnen. Damit bewegt das Servogerät, wenn sich der Verdichterauslaßdruck CDP ändert, das Ventil so, daß die Ventile 70, 72 zu der Nullposition zurückkehren. Wenn sich das Ventil 61 bewegt, ändert es die Öffnung eines Fensters 88, das durch eine Leitung 89 zwischen die Kraftstoffzufuhrleitung 38 und den Kraftstoffreglerausgang geschaltet ist. In gleicher Weise verändert die Bewegung des Ventils 61 die Öffnung eines zweiten Fensters 90, welches Kraftstoff aus dem Leistungshebelfenster 55 über die Leitung 60 empfängt, und steuert seinen Durchfluß zu dem Auslaß 58 über die Leitung 89. Die Kraftstoffabgabe aus dem Regler nimmt somit mit dem Verdichterauslaßdruck CDP aufgrund des größer werdenden Fensterquer-

1 30013/1087

303050Q

Schnitts zu, der sich durch die Bewegung des Ventils 61 nach links ergibt. Wenn der Verdichterauslaßdruck CDP verringert wird, bewegt sich umgekehrt das Ventil nach rechts und verringert den Kraftstoffdurchfluß. Bei niedrigem Verdichterauslaßdruck CDP (d.h. beim Start) sind die Fenster 88, 90 geschlossen. Ebenso ist beim Start das Fenster 56 geschlossen und Kraftstoff wird aus dem Minimalkraftstoffdurchflußfenster 54 geliefert. Es dürfte nunmehr klar sein, daß der Betrieb des Servogeräts und des Ventils 61 für den funktionalen Betrieb der Ventile 26. 28 in dem vereinfachten dreikreisigen System sorgt, das in Fig. 1 gezeigt ist; das Fenster 88 entspricht dem Ventil 28 und das Fenster 9 0 entspricht dem Ventil 26. Ebenso ergibt das Leistungshebelventil den Betrieb der Ventile 16, 24, wobei das Fenster 54 dem Minimaldurchflußventil 24 und das Fenster 56 dem Ventil 16 entspricht.

Der Druck an den Ventilen wird für die Verwendung eines Regelventilsystems 44 konstant gehalten. Auf diese Weise wird ein konstantes ΛΡ (Fig· 1) geschaffen. Das Regelventilsystem arbeitet in herkömmlicher Weise durch Abfühlen des Fluiddruckes auf einer Seite 92 und Beziehen desselben auf eine Feder 94, die eine Kraft auf die andere Seite des Ventils ausübt. Der Druck an den Ventilen kann jedoch, wie in dem späteren Teil dieser Beschreibung angegeben, modifiziert werden, damit dynamische Änderungen in den Verhältniseinheiten unter der Regelung der elektronischen Recheneinheit 36 erzielt werden.

Der Brennstoffregler enthält einen elektrischen Drehmoment- oder Nachsteuermotor 100, der elektrische Signale aus der elektronischen Recheneinheit 36 über Leitungen 102 empfängt. Auf diese Signale hin öffnet der Nachsteuermotor 100 ein Klappenventil 104, das bei NichtVorhandensein eines Signals normalerweise geschlossen ist. Die elektroni-

1 30013/1 087

¹⁶ " 303050Q

sehe Recheneinheit 36 und der Nachsteuermotor 100 bilden, wie weiter oben in der Beschreibung erwähnt, eine elektrische Schnittstelle für den hydromechanischen Kraftstoff reglerteil, um richtige Kraftstoffverhältniseinheiten für das Triebwerk in Beziehung zur Leistungshebelbewegung, Triebwerksdrehzahl, Temperatur, Beschleunigung und zu Umgebungsbedingungen zu schaffen und dadurch für einen sicheren Triebwerksbetrieb bei NichtVorhandensein der Regelung durch die elektronische Recheneinheit zu sorgen. Vor allem kann die elektronische Recheneinheit 36 so programmiert werden, daß sie den Regelkreis bei verschiedenen Triebwerksparametern schließt, wie beispielsweise der Triebwerksdrehzahl und der Abgastemperatur, und die Verhältniseinheiten ändert, bis die korrekten Verhältniseinheiten für das Triebwerk bei jedem Betriebszustand erreicht sind. Die elektronische Recheneinheit 36 erreicht das durch Anlegen eines Korrektursignals an den Nachsteuermotor 100, um den durch den hydromechanischen Teil erzeugten Kraftstoffdurchfluß zu modifizieren, damit die genauen Verhältniseinheiten erreicht werden. Die elektronische Recheneinheit 36 kann aus einer festverdrahteten Schaltung bestehen, um die Kraftstoffregelung zu modifizieren, oder kann in Verbindung mit anderen bekannten elektronischen Überwachungssystemen benutzt werden. Die Modifizierungen der Verhältniseinheiten auf diese Parameter hin hängen offenbar von den spezifischen Kenndaten der Gasturbine ab, bei der der Kraftstoffregler benutzt wird.Es ist somit zu erkennen, daß ein Merkmal dieses Kraftstoffregelsystems darin besteht, daß durch Steuern des Nachsteuermotors 100 die Kraftstoffdurchflußerfordernisse auf zahlreichen Wegen "modifiziert" werden können, um eine Triebwerksleistungsfähigkeit maßZuschneidern.

Wenn der Nachsteuermotor 100 das Klappenventil 104 öffnet, gibt es einen Kraftstoffdurchfluß durch eine Leitung 105, der zu einer Drosselöffnung 106 geht, die mit

130013/1087

303050Q

dem Brennstoffreglerauslaß 58 verbunden ist. Der größere Durchfluß, der durch das öffnen des Klappenventils verursacht wird, erzeugt einen Druckabfalll an der Drossel-Öffnung 106, und dieser Druckabfall erhöht den Druckabfall an den Fenstern 88, 90 in dem Ventil 61 und den Fenstern 54, 56 in dem Leistungshebelventil 48, die aufgrund ihrer Parallelverbindungen mit dem Kraftstoff-Auslaß 58 in einem Kreis mit der Drosselöffnang 106 iie_;;_^,. uc-& Druckregelventil 44 hält einen konstanten Druck, stromaufwärts der Fenster an der Stelle 4 2 aufrecht. Es erreicht das durch die Bewegung des Ventils 108, welches sich bewegt, um den Weg zwischen der Leitung 4 2 und einer Umgehungsleitung 110 zu schließen, wenn sich der Druck an der Drosselöffnung 106 ändert. Das verringert den Umgehungsleitungsdurchfluß und verursacht einen stärkeren Fluß zu den Fenstern über die Leitung 46. Auf diese Weise wird der Kraftstoffdurchfluß über den Kraftstoffauslaß indirekt durch Betätigung des Nachsteuermotors 100 vergrößert. Es ist bedeutsam, daß es eine wesentliche "Verstärkung" zwischen dem Durchfluß durch das Nachsteuermotorklappenventil und dem tatsächlichen Anstieg des Kraftstof fdurchflusses an dem Kraftstoffauslaß gibt, die aus der Änderung im Druck resultiert, welche er mit sich bringt. Infolgedessen kann ein kleiner Nachsteuermotor niedriger Leistung benutzt werden. Allgemein bedeutet das, daß er sehr kleine Hystereseeigenschaften haben wird, wodurch es möglich gemacht wird, extrem genaue Modifizierungen des Kraftstoffdurchflusses zu erreichen.

130013/ 1087

Claims

Patentanspruch :

'J Kraftstoffregelsystem mit einem Kraftstoffregelkreis, der einen Kraftstoffeinlaßkanal zum Empfangen von Kraftstoff aus einer Kraftstoffzuführleitung und einen Kraftstoffauslaß zum Abgeben von Kraftstoff an eine Auslaßleitung hat und für einen Kraftstoffdurchfluß zwischen dem Einlaß und dem Auslaß sorgt,

gekennzeichnet durch einen Kraftstoffdruckregler (44) zum Aufrechterhalten eines vorgewählten konstanten Druckes in der Zufuhrleitung (38) durch Bezugnahme auf einen Krafts toffdruckreferenzwert (94) , welcher durch Beaufschlagen eines Einlaßkanals des Reglers mit einem zunehmenden Druck vergrößerbar ist, und

durch eine Einrichtung zum Vergrößern des Brennstoffdurchflusses auf ein elektrisches Signal.hin durch Vergrößerung des Druckreferenzwertes, wobei diese Einrichtung enthält:

eine Drosselöffnung (106), deren Eingang mit dem Reglereingang und deren Ausgang mit dem Regelkreisausgang (58)

130013/1087

verbunden ist, und

ein Ventil (104), das durch einen Nachsteuermotor (100) auf das Signal hin steuerbar ist, um Kraftstoff aus der Kraftstoffzuführleitung (38) dem Drosselöffnungseinlaß zuzuführen, wobei der Durchlaß den Druck zwischen dem Regelkreisauslaß und dem Referenzwert vergrößert und dadurch den Druck zwischen dem Regelkreiseinlaß und den Auslassen erhöht und den Kraftstoffdurchfluß zwischen ihnen vergrössert.

1 3001 3/ 1087