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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Kraftstoffregelsystem und ein Ventil
für dasselbe.
Insbesondere, aber nicht ausschließlich, bezieht sich die Erfindung
auf ein solches System und Ventil für den Einsatz mit einem Gasturbinenmotor
für Luft-
und Raumfahrtanwendungen.
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Das
Kraftstoff-Versorgungssystem für
einen Gasturbinenmotor umfasst im Allgemeinen eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe
und ein Reihendosierventil. Um eine gleich bleibende, genaue Dosierung des
Kraftstoffes bereitzustellen, wird ein Überströmventil bereitgestellt, um
einen im Wesentlichen konstanten Druckabfall am Dosierventil aufrechtzuerhalten.
Wo der Förderdurchflussdurchsatz
von der Pumpe den dosierten Durchflussbedarf beträchtlich überschreitet,
wird ein großes
Kraftstoffvolumen vom Überströmventil
zum Pumpeneinlass zurückgeführt. Dieses
stark umgewälzte
Volumen hat eine unerwünschte
Wärmeabfuhr
in den Kraftstoff zur Folge.
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In
GB 888 328 wird ein Kraftstoffregelsystem gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 offenbart.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein alternatives Kraftstoffregelsystem
mit mehreren Vorteilen, die nachstehend erläutert werden, bereit.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Kraftstoffregelsystem für einen Motor bereitgestellt, das
Folgendes umfasst: eine Pumpe, die betreibbar ist, um einen Kraftstoff-Förderdurchfluss
bereitzustellen; Regelungsmittel für den Motorkraftstoffdurchfluss,
die ein Dosierventil umfassen, das betreibbar ist, um den Pumpenauslassdurchfluss
zu regeln; und Pumpenregelungsmittel, die eine Servovorrichtung zum Ändern der
Förderdurchsatzes
der Pumpe als Reaktion auf einen Servodurchfluss umfassen; und wobei
das System durch das Dosierventil gekennzeichnet ist, das ein Ventilelement
integriert, das eine Servodurchflusskammer und eine Servodurchfluss-Öffnungsanordnung
definiert, die sich mit der Servodurchflusskammer zum Regeln des
Servodurchflusses zu der Servovorrichtung zur Deckung bringen lässt, um
dadurch einen Förderdurchsatz
der Pumpe gemäß eines
Betriebszustandes des Dosierventils zu ändern. Ein solches System erleichtert
die Bereitstellung eines geeigneten Pumpenförderdurchsatzes für einen
gegebenen, geregelten Durchflussbedarf, wodurch eine Verringerung
der Überströmverluste
von der Hochdruckseite der Pumpe zu der Niederdruckseite des Kraftstoffsystems
erleichtert wird. Außerdem
ist anzuerkennen, dass dadurch, dass die Servodurchfluss-Öffnungsanordnung
als integraler Bestandteil in das Dosierventil integriert wird, die
Notwendigkeit für
eine diskrete Servoventilanordnung und/oder eine diskrete Servopositions-Sensoranordnung
entfällt,
wodurch eine Verringerung des Volumens und des Gewichtes des Kraftstoffregelsystems
erleichtert wird.
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Vorzugsweise
sind die Pumpenregelungsmittel so betreibbar, dass der Pumpenförderdurchsatz
auf einen vorgegebenen Höchstwert
erhöht wird,
wenn die Servovorrichtung mit einem Niederdruck-Servodurchfluss
versorgt wird und auf einen vorgegebenen Mindestwert verringert
wird, wenn die Servovorrichtung mit einem Hochdruck-Servodurchfluss
versorgt wird. Eine solche Anordnung vermindert das mögliche Problem
einer Erschöpfung
des Förderdurchflusses
zum Motor durch einen Hochdruck-Servodurchfluss, wenn der Motor
den maximal verfügbaren
geregelten Durchfluss benötigt.
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Wünschenswerterweise
umfasst das System außerdem
ein Zusatzdurchfluss-Regelungsmittel, das betreibbar ist, um einen
Kraftstoff-Zusatzdurchfluss vom Pumpenausgangsdurchfluss zu einer
Lagerfläche
der Pumpe gemäß dem Betriebszustand des
Dosierventils zu ändern.
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Zweckmäßigerweise
umfasst das Zusatzdurchfluss-Regelungsmittel eine Zusatzdurchfluss-Öffnungsanordnung, die in das
Dosierventil zum Ändern
des Zusatzdurchflusses integriert ist.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung werden jetzt Ausführungsformen
der Erfindung, die nur einen exemplarischen Charakter haben, unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 eine
schematische Zeichnung ist, die einen Teil eines Kraftstoffregelsystems
für einen
Gasturbinenmotor zeigt;
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2 eine
schematische Zeichnung ist, die einen Teil eines Kraftstoffregelsystems
für einen
Gasturbinenmotor gemäß einem
Beispiel der Erfindung zeigt und eine Lagerschmierungsanordnung,
wie in 1 dargestellt, nutzt;
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3 eine ähnliche
Darstellung wie 2 ist, die das System in einem
anderen Betriebszustand zeigt; und;
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4 eine ähnliche
Darstellung wie 2 ist, die das System in einem
wieder anderen Betriebszustand zeigt.
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Jetzt
wird auf 1 Bezug genommen. Ein Kraftstoffregelsystem 1 umfasst
eine Flügelzellenpumpe
mit variabler Förderleistung
(im Schnitt dargestellt), die unter Verwendung der Lager 2 gelagert
ist, von denen zwei dargestellt sind. Die Pumpe ist betreibbar,
um einen Kraftstoff-Förderdurchfluss über einen
Verbindungsweg 3 zu einer Durchflussregelungskammer 4 eines
Förderdurchfluss-Regelventils 5,
das üblicherweise
als Dosierventil bezeichnet wird, bereitzustellen. Das Dosierventil 5 ist
betreibbar, um den Durchfluss von Kraftstoff zu regeln, der durch
die Kammer 4 mittels einer Öffnung 6 strömt, um einen geregelten
Solldurchfluss von Kraftstoff längs
eines Verbindungsweges 7 in der Richtung des Pfeiles A
zu einem Gasturbinenmotor (nicht dargestellt) gemäß den Betriebsanforderungen
des Motors bereitzustellen. Der Durchfluss des Kraftstoffes durch
die Öffnung 6 wird
dadurch geregelt, dass zum Ändern
der wirksamen Größe der Öffnung 6 ein
Dosierventilelement 8 relativ zur Öffnung 6 verschoben
wird. Ein Druckabsenkungs- und Überströmventil
(nicht dargestellt) wurde normalerweise über das Dosierventil 5 geschaltet,
um einen Solldruck am Dosierventil 5 in einer bekannten
Weise aufrechtzuerhalten.
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Das
Dosierventil 5 weist außerdem eine Zusatzdurchflusskammer 9 in
Fluidkommunikation mit der Durchflussregelungskammer 4 auf.
In 1 ist die Kammer 9 in Fluidkommunikation
mit einer Zusatzdurchflussöffnung 10 dargestellt,
durch die den Innenflächen 11 der
Lager 2 Kraftstoff zugeführt wird, um die Flächen 11 zu
schmieren.
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Im
Einsatz wird der Niederdruckkraftstoff in die Flügelzellenpumpe längs eines
Verbindungsweges 12 in der Richtung des Pfeiles B eingespeist.
Der Kraftstoff wird von der Flügelzellenpumpe
in den Verbindungsweg 3 mit hohem Druck ausgespeist. Bei dieser
Beschreibung sind die Ausdrücke
Niederdruck und Hochdruck so zu verstehen, dass sie sich jeweils auf
den Druck des Kraftstoffes vor dem Eintritt in die Flügelzellenpumpe
und dem Druck des Kraftstoffes auf der Austrittsseite der Flügelzellenpumpe
beziehen.
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In
seiner, in 1 dargestellten Position stellt
das Ventilelement 8 eine Zwischengröße für den geregelten Durchfluss
durch die Öffnung 6 bereit
und ein Hochdruckkraftstoff-Schmierdurchfluss wird über die Öffnung 10 den
Lagerflächen 11 zugeführt. Ein solcher
dazwischen liegender Durchfluss wäre, beispielsweise, bei Reiseflug-
und Leerlaufbedingungen des Motors üblich, bei denen das beispielhafte
System einen geregelten Durchfluss von über 0,075 kg/s (600 pph) erfordert.
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Während der
Zeiten eines erhöhten
Motordurchflussbedarfs, beispielsweise unter Start- und Steigflugbedingungen,
wird das Ventilelement 8 in der in 1 dargestellten
Ausrichtung, relativ zur Öffnung 6,
axial nach oben verschoben, und es versteht sich, dass die Öffnung 10 in
Kommunikation mit der Kammer 9 bleibt, damit dadurch die
Hochdruck-Kraftstoffzufuhr zu den Lagerflächen 11 erhalten bleibt.
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Während der
Zeiten eines geringen Motordurchflussbedarfs, beispielsweise für niedrige
Motordrehzahlen unter Wiederanlass- und Autorotationsflugbedingungen,
bei denen das beispielhafte System einen geregelten Durchfluss von
unter 0,054 kg/s (430 pph) erfordert, wird das Ventilelement 8 in
der in 1 dargestellten Ausrichtung axial nach unten verschoben,
um die wirksame Fläche
der Öffnung 6 zu
verringern. Die Öffnung 10 steht
anschließend nicht
länger
mit der Kammer 9 in Fluidkommunikation, so dass die Hochdruck-Kraftstoffzufuhr
zu den Lagerflächen 11 unterbrochen
ist. Die niedrige Motordrehzahl hat eine niedrige Pumpendrehzahl
und einen resultierenden, relativ niedrigen Durchsatz des Förderdurchflusses
durch den Verbindungsweg 3 zur Folge. Das Absperren der
Schmierkraftstoffversorgung zu den Lagerflächen 11, mithilfe
dessen es einen Durchflussdurchsatz von etwa 0,135 kg/s (1070 pph)
bei 620 kPa (90 psid) geben kann, verhindert die unnötige Erschöpfung des
Förderdurchflusses,
wodurch ein adäquater,
geregelter Durchfluss zum Motor sichergestellt wird. Das Wiederanlassen
kann mit dem System 1 bei 4,8% der Drehzahl erfolgen. Wegen
des geringen Druckanstiegs an der Pumpe und der niedrigen Pumpendrehzahl
hat das Absperren des Schmierdurchflusses zu den Lagerflächen 11 unter
diesen Bedingungen keinen schädlichen
Einfluss auf die Lagerflächen.
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Die
Zusatzdurchfluss-Öffnungsanordnung, die
zur Integration der Öffnung 10 und
der Kammer 9 dient, wird vom Dosierventil 5 bereitgestellt,
wodurch die Notwendigkeit für
ein separates Zusatzdurchfluss-Regelventil und einen entsprechenden
Sensor entfällt,
der zur Bestätigung,
dass das Durchflussregelventil einwandfrei arbeitet, benötigt würde. Die Regelung
des Zusatzdurchflusses zu den Lagerflächen 11 ist wegen
der inhärenten
Zuverlässigkeit
des Dosierventils 5, von dem die Zusatzdurchfluss-Öffnungsanordnung 9, 10 ein
Bestandteil ist, besonders zuverlässig.
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2 bezieht
sich auf ein Kraftstoffregelsystem 20 gemäß einem
Beispiel der vorliegenden Erfindung, das ein Dosierventil 21 aufweist,
das zum Regeln des Kraftstoffdurchflusses betreibbar ist, um in der
Richtung des Pfeiles A einen Motor (nicht dargestellt) mit einem
geregelten Solldurchfluss von Kraftstoff zu versorgen. Das Ventil 21 integriert
eine Zusatzdurchfluss-Öffnungsanordnung,
die mit der vergleichbar ist, die in Bezug auf 1 beschrieben wurde.
Die 3 und 4 beziehen sich auf das in 2 dargestellte
System und zeigen das Dosierventil in verschiedenen alternativen
Betriebspositionen. Die Merkmale des Systems 20, die den
Merkmalen gleichen, die bereits unter Bezugnahme auf 1 beschrieben
wurden, werden mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen
und zur Vermeidung von Wiederholungen nicht nochmals detailliert
beschrieben.
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Das
Dosierventil 21 weist ein Ventilelement 22 auf
und definiert eine Servodurchflusskammer 23 und eine Servodurchflussöffnung 24.
Die Öffnung 24 steht über einen
Weg 24A mit einer Kolbenregelungskammer 25 einer
Servovorrichtung 26, die einen Kolben 27 aufweist,
in Fluidkommunikation. Das System 20 integriert eine Flügelzellenpumpe
mit variabler Förderleistung 28.
Das Förderleistungsvermögen der
Pumpe 28 ist dadurch variabel, dass ein Pumpengehäuse 29 um
ein Drehgelenk 30 herum relativ zu einem Pumpenrotor 31 bewegt
wird, so dass die Regelungsachse des Gehäuses 29 um einen variablen
Betrag aus der Drehachse X des Rotors seitlich versetzt werden kann.
Eine Verbindungsstange 32 verbindet den Kolben 27 mit
dem Gehäuse 29, und
zwar auf der Seite des Letzteren, die dem Drehgelenk 30 gegenüberliegt,
damit das Leistungsvermögen
der Pumpe 28 durch die Axialbewegung des Kolbens 27 geändert werden
kann.
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Die
Position des Ventilelementes 22 in 2 stellt einen
auf eine kleine Größe geregelten
Durchfluss in der Richtung des Pfeiles A bereit. In diesem Betriebszustand
hat die niedrige Drehzahl des Motors eine niedrige Pumpendrehzahl
und einen resultierenden Bedarf an einem hohen Pumpenfördervolumen
bezüglich
der Pumpendrehzahl zur Folge, um einen ausreichenden, geregelten
Durchfluss bereitzustellen. Es ist offensichtlich, dass das Ventilelement 22 die Öffnung 10 schließt, den
Zusatzschmierdurchfluss zu den Rotorlagerflächen (nicht dargestellt) absperrt
und dadurch die unnötige
Erschöpfung
des Förderdurchflusses,
wie in Bezug auf 1 beschrieben, vermindert. Durch
das Schließen
der Öffnung 10 wird
auch die Hochdruckversorgung für die
Kammern 23 und 25 abgesperrt. Die Kammer 25 ist über die Öffnung 25A mit
dem Niederdruckdurchfluss in der Leitung 12 verbunden,
wodurch eine Vorspannfeder 34 der Servovorrichtung 26,
unterstützt durch
einen, auf die rechte Seite des Kolbens 27 aufgebrachten
Hochdruckdurchfluss, den Kolben 27 in der in 2 dargestellten
Ausrichtung nach links treiben und das Pumpengehäuse 29 in die maximale Förderposition
der Pumpe bewegen kann. Es wird somit über den Verbindungsweg 3 ein
hoher Durchfluss gefördert,
wobei jeder Überschuss
längs des Kanals 3A in
der Richtung des Pfeiles C unter der Kontrolle eines Druckabsenkungs-
und Überströmventils
(nicht dargestellt) auf den Niederdruckbereich überströmt.
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Wenn
eine Zwischengröße für den geregelten
Durchfluss benötigt
wird, wird das Ventilelement 22 axial nach oben in die
dargestellte Ausrichtung verschoben, um die wirksame Flache der Öffnung 6 zu
erhöhen
und die Zusatzdurchflussöffnung 10 in Kommunikation
mit der Kammer 9 zu bringen, wie dies in 3 ersichtlich
ist, um einen Hochdruck-Zusatzdurchfluss zu den Pumpenrotor-Lagerflächen bereitzustellen,
wie dies durch den Pfeil D angedeutet ist. Da der Zusatzdurchfluss
längs des
Verbindungsweges 35 mit der Kammer 23 kommuniziert,
ist die Kolbenregelungskammer 25 über den Verbindungsweg 24A dem
Hochdruckdurchfluss ausgesetzt, was bewirkt, dass der Kolben 27 sich
nach rechts in die dargestellte Ausrichtung bewegt und das Pumpengehäuse 29 in
eine vorgegebene minimale Förderdurchflussposition
treibt. Bei solchen Bedingungen für einen dazwischen liegenden,
geregelten Durchfluss treibt der Motor die Pumpe mit einer relativ
hohen Drehzahl an und bewegt die Pumpe 28 in einen minimalen
Fördervolumenzustand
und minimiert daher die Überströmmenge in
der Richtung des Pfeiles C.
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Wenn
ein auf eine hohe Größe geregelter Durchfluss
benötigt
wird, wird das Ventilelement 22 in der dargestellten Ausrichtung
axial nach oben zu der Position verschoben, die in 4 ersichtlich
ist. Die hohe Motordrehzahl in diesem Betriebszustand treibt die
Pumpe 28 mit hoher Drehzahl an, was einen Schmier- und
Kühldurchfluss
zu den Pumpenlagerflächen 11 erforderlich
macht. Es ist offensichtlich, dass die Öffnung 10, die mit
der Kammer 9 kommuniziert, den erforderlichen Hochdruckdurchfluss
zu den Lagerflächen 11 bereitstellt.
Die Öffnung 24,
die den Verbindungsweg 35 speist, wird jedoch durch das
Ventilelement 22 geschlossen, was den Hochdruckdurchfluss
zur Kolbenregelungskammer 25 verhindert und bewirkt, dass
sich die Pumpe in die maximale Förderposition
bewegt, die in 4 dargestellt ist. Dies ermöglicht es
der Pumpe 28, den erforderlichen hohen Durchsatz des geregelten
Durchflusses über
das Dosierventil 21 in der Richtung des Pfeiles A zuzuführen. Der Überströmdurchfluss
in der Richtung des Pfeiles C wird bei diesem Zustand wegen des
hohen Motordurchflussbedarfs minimal.
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Es
ist offensichtlich, dass, obwohl die in den 2 bis 4 dargestellte
Ausführungsform
besonders vorteilhaft ist, die beispielhaften Pumpenregelungsmittel 23, 24, 25, 27 unabhängig, d.
h. ohne die Zusatzdurchfluss-Öffnungsanordnung 9, 10,
bereitgestellt werden könnten.