DE3719739A1

DE3719739A1 - Verfahren und vorrichtung zum steuern des durchflusses eines fluids

Info

Publication number: DE3719739A1
Application number: DE19873719739
Authority: DE
Inventors: Roy Joseph Mainelli; Donald Preston
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1986-06-30
Filing date: 1987-06-12
Publication date: 1988-01-07
Also published as: CA1269911A; SE8702452D0; GB8712888D0; JPS639797A; GB2192074B; IT1215586B; FR2607275A1; SE8702452L; IL82844A0; US4715395A; IT8721066A0; GB2192074A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Durchflußmengenregler und betrifft insbesondere einen Durchflußmengenregler, der einen relativ konstanten Durchfluß über einem Temperaturbereich aufrechterhält.

Moderne Flugzeuge arbeiten in einem breiten Bereich von Temperaturen von Saharahitze bis zu arktischer Kälte, von hohen Temperaturen in niedrigen Höhen bis zu unter null liegenden Temperaturen in großen Höhen. Flugzeugtriebwerke benötigen eine konstante Brennstoffzufuhr bei einer bestimmten Geschwindigkeit über diesen Temperaturbereichen, um einen wirksamen und sicheren Betrieb zu gewährleisten. Beispielsweise sollte in einigen Fällen die Brennstoffzufuhr nicht mehr als ± 2 % Durchsatzabweichung bei einer konstanten Triebwerksdrehzahl über einem Temperaturbereich von, -51 bis 66°C haben. Veränderungen der Brennstoffzufuhr, die durch die Temperatur verursacht werden, können zur Folge haben, daß das Brennstoff/Luft-Gemisch eines Triebwerks zu mager oder zu fett ist. Dieses unrichtige Brennstoff/Luft-Gemisch kann Triebwerkspumpen oder Flammabriß verursachen, wodurch das Triebwerk und das Flugzeug gefährdet werden.

Es ist bekannt, einen Stapel mit einer Reihe von Durchflußöffnungen in einer Brennstoffleitung vorzusehen, um die Brennstoffzufuhr zu einem Triebwerk zu dosieren. Der Brennstoffdruck wird stromaufwärts und stromabwärts des Stapels gesteuert, und eine dazwischen vorhandene Druckdifferenz ergibt einen gewünschten Brennstoffdurchfluß durch den Stapel. Jede Durchflußöffnung innerhalb des Stapels hat eine gemeinsame Länge L und einen gemeinsamen Durchmesser D und ist gegenüber jeder benachbarten Durchflußöffnung winkelversetzt. Dieser bekannte Stapel ergibt einen relativ konstanten Durchsatz nur über einem sehr schmalen Temperaturbereich, was für die Umgebungsbedingungen, die ein modernes Flugzeug antrifft, nicht ausreicht.

Es wird demgemäß ein Blendenstapel benötigt, der einen relativ konstanten Brennstoffdurchsatz bei einer bestimmten Triebwerksdrehzahl über einem breiten Temperaturbereich aufrechterhält. Die richtige Brennstoffzufuhr zu dem Triebwerk über dem Temperaturbereich gewährleistet sicheren Triebwerks- und Flugzeugbetrieb.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, eine relativ konstante Brennstoffzufuhr zu einem Triebwerk zu schaffen, das mit einer bestimmten Drehzahl über einem breiten Temperaturbereich arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Vorsehen einer Reihe von Durchflußöffnungen in einer Brennstoffleitung, wobei die Durchflußöffnungen unterschiedliche Durchflußkoeffizienten oder Kontraktionszahlen haben, welche Änderungen im spezifischen Gewicht des durch diese Durchflußöffnungen strömenden Brennstoffes kompensieren, wenn sich die Temperatur dieses Brennstoffes ändert. Durch Maßschneidern des Länge/Durchmesser(L/D)-Verhältnisses jeder Durchflußöffnung wird der Durchflußkoeffizient jeder Durchflußöffnung geändert, um den richtigen Ausgleich für das spezifische Gewicht eines gewählten Brennstoffes zu schaffen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zwei Sätze von Durchflußöffnungen gewählt, wobei jeder Satz wenigstens eine Durchflußöffnung aufweist. Die Durchflußöffnungen innerhalb eines Satzes haben ein gemeinsames L/D-Verhältnis, obgleich die Durchflußöffnungen von Satz zu Satz unterschiedliche L/D-Verhältnisse haben können. In einer alternativen Ausführungsform wird eine einzige Durchflußöffnung mit einem L/D-Verhältnis gewählt, die einen Durchflußkoeffizienten hat, der Änderungen im spezifischen Gewicht eines durch die Durchflußöffnung strömenden Brennstoffes kompensiert, wenn sich die Temperatur dieses Brennstoffes ändert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines Blendenstapels nach der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Blendenbechers nach der Erfindung,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Relation zwischen dem Durchflußkoeffizient und der Temperatur für verschiedene Durchflußöffnungen, und

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Durchsatzes über der Temperatur für verschiedene Blendenstapel.

Fig. 1 zeigt einen Blendenstapel 1, der aus einem hohlen, zylindrischen Blendenhalter 3, Blendenbechern 5, Filtern 7 und 8, einem Distanzring 9 und einer Zugkappe 11 besteht.

Der Blendenhalter 3 ist in einer Brennstoffleitung 13 angeordnet, um die Brennstoffzufuhr (Pfeil 12) zu einem Triebwerk zu regeln. Der Blendenhalter 3 hat zwei ringförmige Halteflansche 15, die von ihm nach außen vorstehen und für einen Preßsitz in der Brennstoffleitung 13 bemessen sind. Der Blendenhalter 3 hat eine ringförmige Schulter 17, die sich an dem stromaufwärtigen Ende nach innen erstreckt, und eine abgerundete Schulter 19 am stromabwärtigen Ende, die sich in stromabwärtiger Richtung nach innen verjüngt. Der Blendenhalter 3 hat einen Innendurchmesser 21, der so bemessen ist, daß die Blendenbecher 5 fest darin gehalten werden.

Jeder Blendenbecher 5 eines ersten Satzes 23 von zwei Blendenbechern besteht aus: einer kreisförmigen Platte oder Blende 25, die einen Durchmesser hat, der dem Innendurchmesser 21 eng angenähert ist, damit der Becher innerhalb des Halters einen Paßsitz aufweist, eine Durchflußöffnung 29 mit einem Durchmesser (D) 31 und einer Länger (L) 27, wobei die Durchflußöffnung exzentrisch angeordnet ist und sich durch die Platte 25 erstreckt, und eine kreisringförmige Wand 33, die sich von der Platte 25 aus in Längsrichtung erstreckt (vgl. Fig. 2). Die Wand 33 jedes Blendenbecher 5 dient zum Distanzieren jeder Durchflußöffnung 29 von einer benachbarten nächsten Durchflußöffnung 29 in dem Satz 23, um zu gewährleisten, daß der Durchflußkoeffizient oder die Kontraktionszahl jeder Durchflußöffnung nicht durch die Nähe von Brennstoff gestört wird, der durch einen benachbarten Blendenbecher 5 strömt.

Ein zweiter Blendenbecher 5 des ersten Satzes 23 von Blendenbechern, der eine Platte 25 mit derselben Dicke 27 wie der erste Blendenbecher 5 hat, liegt an dem ersten Blendenbecher 5 an. Der zweite Blendenbecher 5 ist gegen die Ausrichtung des ersten Blendenbechers 5 um eine axiale Mittellinie 32 um 180° winkelversetzt, um zu vermeiden, daß die durch das Loch in dem ersten Blendenbecher hindurchgehende Strömung direkt auch durch das Loch in dem zweiten Blendenbecher hindurchgeht, damit der Durchflußkoeffizient der Durchflußöffnung des zweiten Blendenbechers durch diese Strömung nicht beeinflußt wird.

Ein zweiter Satz 35 von zwei Blendenbechern 5 ist ähnlich wie der erste Satz von zwei Blendenbechern wie oben erläutert angeordnet, mit einer Ausnahme: das Länge/Durchmesser (L/D)- Verhältnis der Durchflußöffnungen des zweiten Satzes von Blendenbechern unterscheidet sich von dem L/D-Verhältnis des ersten Satzes von Blendenbechern.

Üblicherweise wird der Brennstoffdurchfluß durch einen Blendenstapel durch folgende Gleichung bestimmt:

W _f = K · C _d · D

wobei

W _f = Brennstoffdurchsatz (Gewichtsstrom); K = eine Umwandlungskonstante; C _d = Durchflußkoeffizient einer Durchflußöffnung; D = Durchmesser einer Durchflußöffnung; Δ P = Druckänderung an einer Durchflußöffnung; und S = spezifisches Gewicht des Brennstoffs.

Die Auswirkung der Temperatur auf das spezifische Gewicht S eines Brennstoffes ist bekannt und vorhersagbar. Das spezifische Gewicht eines Brennstoffes verändert sich linear mit, aber umgekehrt zu der Temperatur, d.h. es nimmt zu, wenn die Temperatur abnimmt (wodurch die Brennstoffzufuhr vergrößert wird), und nimmt ab, wenn die Temperatur zunimmt (wodurch die Brennstoffzufuhr verringert wird). Der Durchflußkoeffizient C _d verändert sich ebenfalls mit der Temperatur, da sich der Durchflußkoeffizient mit der Reynolds- Zahl verändert und sich die Reynolds-Zahl mit der Temperatur verändert. Die Durchflußkoeffizienten verändern sich jedoch im allgemeinen nichtlinear mit der Temperatur, d.h. sie steigen mit Temperaturzunahmen in einigen Temperaturbereichen und sinken mit Temperaturzunahmen in anderen Temperaturbereichen, wodurch die Brennstoffzufuhr entsprechend beeinflußt wird. Da K, D und Δ P relativ zur Temperatur fest sind, beeinflussen tatsächlich die temperaturempfindlichen Parameter der Gleichung (C _d und S) den Durchsatz des Brennstoffes durch die Durchflußöffnungen, wenn sich die Temperatur ändert. Der Durchflußkoeffizient einer Durchflußöffnung kann über einer Reynolds-Zahl und deshalb über der Temperatur gesteuert werden, indem das Verhältnis des Durchmessers D der Durchflußöffnung zu der Länge L der Durchflußöffnung verändert wird (vgl. Fig. 3, die Änderungen der Durchflußkoeffizienten für verschiedene L/D-Verhältnisse über gegebenen Temperaturbereichen zeigt). Im Idealfall wird ein L/D- Verhältnis gewählt, das einen Durchflußkoeffizienten hat, der sich direkt mit Temperaturänderungen verändert, wie sich das spezifische Gewicht eines Brennstoffes umgekehrt zu Temperaturänderungen verändert, was zu einem relativ konstanten Durchsatz W _f über einem Temperaturbereich führt, da sich die Änderungen im spezifischen Gewicht und im Durchflußkoeffizienten gegenseitig ausgleichen. Da Durchflußöffnungen, die denselben Durchflußkoeffizienten haben, keinen gewünschten Ausgleich für das spezifische Gewicht eines besonderen Brennstoffes über einem breiten Temperaturbereich schaffen können, hat es sich gezeigt, daß durch Vorsehen von Durchflußöffnungen mit unterschiedlichen Durchflußkoeffizienten der gewünschte Ausgleich erzielen läßt. Deshalb wird die Dicke der Platte 37 jedes Blendenbechers 5 in dem zweiten Satz 35 gegenüber der Dicke der Blendenbecher 5 des ersten Satzes 23 verändert, um den Durchflußkoeffizienten des zweiten Satzes von Blendenbechern gegenüber dem des ersten Satzes unterschiedlich zu machen. Für einen Brennstoff, wie beispielsweise Mil-F-7024A, beträgt das Verhältnis zwischen der Dicke der Platte 25 (welche auch die Länge der Durchflußöffnung ist) und dem Durchmesser der Durchflußöffnung 29 für den ersten Satz 23 von Blendenbechern 5 ideal 0,5. Das Verhältnis zwischen der Dicke der Platte 37 (die Länge der Durchflußöffnung) und dem Durchmesser der Durchflußöffnung 29 für den zweiten Satz 35 von Blendenbechern 5 beträgt 1,0.

Die Beziehung ergibt eine Durchsatzabweichung von weniger als ± 2% über dem Temperaturbereich von -51 bis 66°C für den Blendenstapel nach der Erfindung. Fig. 4 zeigt graphisch die Auswirkungen der Verwendung eines Blendenstapels mit geeignet gewählten L/D-Verhältnissen. Der Durchsatzfehler ist bei der Erfindung über einem breiten Temperaturbereich relativ niedrig und liegt weit unter ± 2%. Dagegen zeigt ein bekannter Blendenstapel mit einem konstanten L/D-Verhältnis eine große Durchsatzabweichung in einem sehr schmalen Temperaturbereich (von etwa -18 bis +5°C). Der Blendenstapel nach der Erfindung ergibt einen genauen Brennstoffdurchfluß in einem gesamten Flugzeugbetriebstemperaturbereich, wodurch die Wahrscheinlichkeit für Triebwerkspumpen oder Flammabriß stark reduziert wird.

Der Blendenstapel 1 wird hergestellt, indem ein Filter 7 bis an die Schulter 17 des Blendenhalters 3 eingeführt wird. Das Sieb 7 hilft beim Entfernen von Teilchen, die die Durchflußöffnungen verstopfen können. Der Distanzring 9 distanziert die Schulter 17 des Blendenhalters 3 von dem ersten Satz 23 von Blendenbechern 5. Der Distanzring 9 gewährleistet, daß jegliche Turbulenz, die durch das Filtersieb 7 hervorgerufen wird, weit genug weg von dem ersten Blendenbecher 5 stattfindet, um eine Störung des Durchflußkoeffizienten der Durchflußöffnung zu vermeiden. Der erste Satz 23 von winkelversetzten Blendenbechern 5 wird dann in den Blendenhalter 3 eingeführt, bis er an dem Distanzring 9 anliegt. Der zweite Satz 35 von winkelversetzten Blendenbechern 5 wird in den Blendenhalter 3 eingeführt, bis er an dem ersten Satz 23 von Blendenbechern 5 anliegt, wobei die Durchflußöffnungen 29 in dem zweiten Satz 35 von Blendenbechern 5 gegenüber den Durchflußöffnungen 29 in dem ersten Satz 23 von Blendenbechern 5 winkelversetzt angeordnet werden, um einen gewundenen Durchfluß durch sämtliche Blendenbecher 5 zu gewährleisten. Ein zweites Filtersieb 8 wird eingeführt, bis es an dem zweiten Satz 35 von Blendenbechern 5 anliegt, um sicherzustellen, daß Teilchen, die das Triebwerk verschmutzen können, nicht durch den Blendenstapel 1 hindurchgehen. Diese ganze Anordnung aus Filtern, Distanzring sowie erstem und zweitem Satz Blendenbechern wird in in dem Blendenhalter 3 durch die Zugkappe 11 festgehalten, die in dem Blendenhalter 3 durch den konisch verjüngten Endteil 19 des Blendenhalters 3 verkeilt wird.

Geschaffen wird also ein Blendenstapel mit Durchflußöffnungen mit veränderlichen Länge/Durchmesser-Verhältnissen, um einen relativ konstanten Brennstoffdurchsatz über einem breiten Temperaturbereich zu erzeugen und so das Gewährleisten eines sicheren Triebwerks- und Flugzeugbetriebes zu unterstützen.

Es sind zwar besondere Ausführungsformen hier gezeigt und beschrieben worden, im Rahmen der Erfindung sind jedoch verschiedene Änderungen möglich. So kann beispielsweise der Blendenstapel mit einem ersten und einem zweiten Satz von Blendenbechern betrieben werden, die jeweils nur einen Blendenbecher aufweisen. Es ist jedoch klar, daß zum Aufrechterhalten eines gewünschten Durchflusses durch den Blendenstapel die Löcher in jedem Blendenbecher Durchmesser haben können, die sehr klein sein und deshalb zum Verstopfen neigen würden.

Claims

1. Verfahren zum Steuern des Durchflusses eines Fluids, das ein spezifisches Gewicht aufweist, durch eine Durchflußöffnung, die eine Länge L und einen Durchmesser D aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußöffnung ein spezifisches L/D-Verhältnis gegeben wird, durch das sie einen Durchflußkoeffizienten erhält, der sich umgekehrt zu Änderungen des spezifischen Gewichts verändert, wenn sich die Temperatur über einem Bereich von mehr als etwa 14°C (25°F) verändert, wobei der Fluiddurchfluß durch die Temperaturänderung relativ unbeeinflußt bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Durchflußöffnungen in Reihe vorgesehen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Durchflußöffnung ein anderes L/D-Verhältnis gegeben wird, wobei die Durchflußkoeffizienten der Durchflußöffnungen Änderungen im spezifischen Gewicht bei sich verändernder Temperatur ausgleichen.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch Vorsehen eines ersten Satzes von Durchflußöffnungen mit einem L/D-Verhältnis von ungefähr 0,5 und durch Vorsehen eines zweiten Satzes von Durchflußöffnungen mit einem L/D-Verhältnis von ungefähr 1,0.

5. Vorrichtung zum Steuern des Durchflusses eines Fluids durch eine Reihe von gegenseitigen Abstand aufweisenden Durchflußöffnungen (29), wobei jede Durchflußöffnung (29) eine Länge L und einen Durchmesser D hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe aufweist:
einen ersten Satz (23) von Durchflußöffnungen (29), die jeweils ein erstes L/D-Verhältnis haben; einen zweiten Satz (35) von Durchflußöffnungen (29), die jeweils ein zweites L/D-Verhältnis haben;
wobei der erste und der zweite Satz (23, 35) von Durchflußöffnungen (29), jeweils einen zugeordneten Durchflußkoeffizienten haben und wobei die Vorrichtung einen relativ konstanten Durchfluß über einem breiten Temperaturbereich aufrechterhält.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Durchflußöffnung (29) der Reihe von Durchflußöffnungen (29) gegenüber einer benachbarten Durchflußöffnung (29) winkelversetzt angeordnet ist, um einen gewundenen Durchfluß durch die Reihe von Durchflußöffnungen hervorzurufen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Satz (23, 35) von Durchflußöffnungen (29) jeweils zwei Durchflußöffnungen (29) aufweisen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Durchflußöffnung (29) des ersten Satzes (23) ein L/D-Verhältnis von ungefähr 0,5 hat und daß jede Durchflußöffnung (29) des zweiten Satzes (35) ein L/D-Verhältnis von ungefähr 1,0 hat.