DE60111346T2

DE60111346T2 - Durch Kraftstoffzufuhrmesseinrichtung gesteuertes zweistufiges Druckregelventil

Info

Publication number: DE60111346T2
Application number: DE60111346T
Authority: DE
Inventors: Claude Maillard; David Maillard; Alain Garassino
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2001-12-18
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2021-12-19
Also published as: UA75576C2; US6666014B2; FR2818690A1; JP3910057B2; EP1231368A1; EP1231368B1; DE60111346D1; US20020078678A1; CA2364181A1; RU2278291C2; JP2002201967A; FR2818690B1; CA2364181C

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kraftstoffeinspritzsysteme in Turbomaschinen.
Stand der Technik
Das Kraftstoffeinspritzsystem in einer Turbomaschine umfaßt eine Hochdruckpumpe, um den aus einem Kraftstoffbehälter stammenden Kraftstoff mit Druck zu beaufschlagen, eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzdüsen, die in einer Brennkammer der Turbomaschine angeordnet sind, sowie eine zwischen diesen zwei Einheiten von Elementen angeordnete Kraftstoffdosiervorrichtung (fuel metering unit), um die Kraftstoffmenge, die von der Hochdruckpumpe aus in die Einspritzdüsen strömen soll, zu kontrollieren.
Herkömmlicherweise umfaßt die Dosiervorrichtung ein Sperrventil, um den Kraftstoff an die Einspritzdüsen zu liefern, nachdem ein vorbestimmter Mindestdruck erreicht ist, sowie ein Mittel zur Regelung der Kraftstoffmenge, welches jenseits dieses Mindestdruckes in Abhängigkeit von unterschiedlichen, über einen Rechner gelieferten Parametern der Turbomaschine in Aktion tritt. Die seitens der Anmelderin angemeldete Französische Patentanmeldung N° 2 718 190 beschreibt ein solches herkömmliches System. Während der Startphase der Turbomaschine wird der Kraftstoff in den Behälter gepumpt und zu der Dosiervorrichtung befördert. Sobald der Mindestdruck erreicht ist, wird das Regelungsmittel aktiviert, und das Sperrventil öffnet sich, wodurch der Kraftstoff an die Einspritzdüsen geliefert wird. Eine kontinuierliche Kontrolle der Menge in Abhängigkeit von den Motorparametern ist nun durch Einwirken auf das Regelungsmittel möglich. Siehe auch Dokument EP-A-0 915 241.
Obwohl dieses Einspritzsystem im ganzen zufriedenstellend ist, weist es noch einige Nachteile auf. Insbesondere berücksichtigt es nicht die unterschiedlichen Betriebsbereiche der Turbomaschine, was zu einer Überdimensionierung einiger Bestandteile des Systems und zu einer nachteiligen Erhöhung der Temperatur des Kraftstoffs führt.
Aufgabe und Definition der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, diese Nachteile mit einem Einspritzsystem zu beheben, das die Erwärmung des Kraftstoffs begrenzt und das eine optimale Dimensionierung seiner Bestandteile ermöglicht.
Erreicht werden diese Ziele durch ein Kraftstoffeinspritzsystem in einer Turbomaschine, umfassend eine Hochdruckpumpe, um den aus einem Kraftstoffbehälter stammenden Kraftstoff auf einen hohen Druck P1 zu bringen, eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzdüsen, die in einer Brennkammer der Turbomaschine angeordnet sind, sowie eine Dosiervorrichtung, die zwischen der Hochdruckpumpe und der Vielzahl von Einspritzdüsen zwischengeschaltet ist, um die Kraftstoffmenge zu kontrollieren, die von der Hochdruckpumpe aus in die Einspritzdüsen strömt, wobei das genannte System dadurch gekennzeichnet ist, daß die Dosiervorrichtung ein Druckregelventil aufweist, das ausgehend von einem Dosierventil, welches von der Hochdruckpumpe aus mit Kraftstoff gespeist wird, entsprechend zweier Druckbeaufschlagungsstufen gesteuert wird.
Mit diesen beiden Druckbeaufschlagungsstufen, welche über das Dosierventil gesteuert werden, ist der Druck in dem Kraftstoffkreis auf die geringen Mengen begrenzt, wobei der maximale Druck lediglich für die durch die Turbomaschine verbrauchten großen Mengen eingesetzt wird.
Das Druckregelventil umfaßt einen ersten endseitigen Eingang, welcher mit einem ersten Benutzungsausgang des Dosierventils verbunden ist, sowie einen zweiten endseitigen Eingang, der dem ersten endseitigen Eingang gegenüberliegt und der einerseits über eine erste Blende mit der Hochdruckpumpe und andererseits über eine dritte Blende mit einem zweiten Benutzungsausgang des Dosierventils verbunden ist, wobei die Kraftstoffversorgung der Einspritzdüsen, die mit einem Steuerungsausgang dieses Ventils verbunden sind, aus dem Ungleichgewicht der unter der Wirkung eines Rechners an diese beiden endseitigen Eingänge angelegten Drücke resultiert.
Vorzugsweise umfaßt das Dosierventil einen Hydraulikschieber, der sich unter der Steuerung des genannten Rechners linear bewegen kann, um über zwei ringförmige Öffnungen einerseits einen ersten Versorgungseingang mit dem ersten Benutzungsausgang und andererseits einen zweiten Versorgungseingang mit dem zweiten Benutzungsausgang zu verbinden.
Vorteilhafterweise weist die Dosiervorrichtung ferner einen Elektroabsperrhahn auf, welcher dazu bestimmt ist, auf das Druckregelventil zu wirken, um die Kraftstoffversorgung der Einspritzdüsen zu unterbrechen. Dieser Elektroabsperrhahn weist einen mit der Hochdruckpumpe verbundenen ersten Eingang, einen über eine zweite Blende auf einen niedrigen Druck P2 gebrachten zweiten Eingang sowie einen mit dem zweiten endseitigen Eingang des Druckregelventils verbundenen Ausgang auf.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Merkmale sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden, zur Unterrichtung gegebenen und als nicht einschränkend zu verstehenden Beschreibung, welche anhand der beiliegenden Zeichnungen erfolgt, besser hervorgehen, hierin zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß der vorliegenden Erfindung in einer ersten Position, und
2 eine schematische Ansicht eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß der vorliegenden Erfindung in einer zweiten Position.
Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzsystem einer Turbomaschine ist in den 1 und 2 schematisch dargestellt.
Hierin ist eine Hochdruck (HD)-Kraftstoffpumpe 10 zu erkennen, welche Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter 12 entnimmt, um ihn über eine Kraftstoffdosiervorrichtung 14 Einspritzdüsen 16 einer Brennkammer 18 der Turbomaschine zuzuführen. Ein Ventil vom Typ „Bypass" 20 ist an der HD-Pumpe in Schleife geschaltet, um den zuviel gelieferten Kraftstoff zurückzuführen. Als „P1" wird der Hochdruck HD am Ausgang der Hochdruckpumpe 10 bezeichnet.
Die Dosiervorrichtung besteht aus drei Elementen, die in einer „Dreieck"-Konfiguration miteinander verbunden sind, mit einem eigentlichen Dosierventil 22, von dem ein erster Kraftstoffversorgungseingang 220 mit dem Ausgang der Hochdruckpumpe 10 verbunden ist und das die Regelung der Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von den Betriebsparametern der Turbomaschine, die über einen Rechner 24, mit dem es verbunden ist, geliefert werden, sicherstellt, mit einem Elektroabsperrhahn 26, von dem ein erster Eingang 260 ebenfalls mit dem Ausgang dieser Hochdruckpumpe verbunden ist (wobei ein zweiter Eingang 262 an den als „P2" bezeichneten Niederdruck ND angeschlossen ist) und der dazu bestimmt ist, die Kraftstoffversorgung der Einspritzdüsen unter der Steuerung des Rechners 24, mit dem auch er verbunden ist, zu unterbrechen, und mit einem Druckregelventil 28, wovon ein erster endseitiger Eingang 280 mit einem ersten Benutzungsausgang 222 des Dosierventils und ein zweiter endseitiger Eingang 282, welcher dem ersten endseitigen Eingang gegenüberliegt, mit einem Ausgang 264 des Elektroabsperrhahns verbunden ist.
Das Dosierventil beinhaltet einen Hydraulikschieber 224, der sich unter der Steuerung des Rechners 24 linear bewegen kann. Dieser Schieber weist zwei ringförmige Öffnungen 226, 228 auf. Die erste 226 ist zur Dosierung des Kraftstoffs bestimmt, der über den ersten Versorgungseingang 220 erhalten und über den ersten Benutzungsausgang 222 hinaus befördert wird. Die zweite Öffnung 228 stellt eine Verbindung zwischen einem mit dem Ausgang der Hochdruckpumpe 10 verbundenen zweiten Versorgungseingang 230 und einem mit dem zweiten endseitigen Eingang 282 des Druckregelventils 28 verbundenen zweiten Benutzungsausgang 232 sicher.
Das Ungleichgewicht der an diesen zwei endseitigen Eingängen 280, 282 angelegten Drücke wird, unter Steuerung der Bewegung eines Hydraulikschiebers 284 des Druckregelventils, auf den Kraftstoff wirken, der über einen direkt mit den Einspritzdüsen 16 der Brennkammer 18 verbundenen Steuerungsausgang 286 dieses Ventils geliefert wird.
Gemäß der Erfindung umfaßt das Druckregelventil zwei Druckbeaufschlagungsstufen; nämlich ein hohes Niveau und ein niedriges Niveau, welche von der Motordrehzahl der Turbomaschine abhängen. Das hohe Niveau entspricht einer Stufe erhöhter Druckbeaufschlagung, die erforderlich ist, um einen Betrieb in den Flugphasen der Turbomaschine (Betrieb mit großen Mengen) sicherzustellen, wobei das niedrige Niveau einer Druckbeaufschlagungsstufe entspricht, der gerade ausreicht, um einen Betrieb der Turbomaschine in den Phasen des Abhebens oder Rollens am Boden (Betrieb mit geringen Mengen) sicherzustellen.
Denn die Stufe erhöhter Druckbeaufschlagung der hohen Drehzahlen ist viel zu stark und im allgemeinen während der Phasen niedriger Drehzahl (Leerlaufphasen) ungeeignet, was insbesondere Kraftstoffverluste zur Folge hat. Durch Herabsetzen des Druckbeaufschlagungsniveaus bei diesen niedrigen Drehzahlen, werden diese Verluste begrenzt und die Rückzirkulationserwärmungen in dem Bypass-Ventil verringert.
Diese doppelte Druckbeaufschlagungsstufe des Ventils 28 wird durch einen Satz von drei Blenden 30, 32, 34 erzielt. Die erste 30 befindet sich an einer Leitung, die parallel zum Elektroabsperrhahn 26 angeordnet und zwischen dem Ausgang der Hochdruckpumpe 10 und dem zweiten endseitigen Eingang 282 des Druckregelventils 28 verbunden ist, die zweite 32 ist im Bereich des zweiten Eingangs 262 des Elektroabsperrhahns 26 angeordnet und die dritte 34 ist zwischen dem zweiten Benutzungsausgang 232 des Dosierventils 22 und wiederum dem zweiten endseitigen Eingang 282 des Druckregelventils 28 angeordnet.
Der Normalbetrieb des Einspritzsystems sieht wie folgt aus. Man wird feststellen, daß bei dem (nicht dargestellten) Betrieb im Stillstand der Elektroabsperrhahn 26 den hohen Druck P1 zuläßt, wodurch das Druckregelventil gezwungen wird, sich unter der Wirkung dieses zugelassenen Druckes nun direkt im Bereich seines zweiten endseitigen Eingangs 282 zu schließen (Übergang zum Anhalten).
Bei geringen Kraftstoffmengen befindet sich der Schieber 224 des Dosierventils in der Position der 1, wodurch der erste Versorgungseingang 230 verschlossen wird. Die dritte Blende 34 ist somit von dem Druck P1 isoliert, und der Druck am zweiten endseitigen Eingang 282 des Druckregelventils wird durch die erste Blende 30, welche mit dem Druck P1 beaufschlagt wird, und durch die zweite Blende 32, welche auf den niedrigen Druck P2 gebracht ist, bestimmt. Hieraus ergibt sich ein niedriges stromabwärtiges Druckniveau des Ventils 28, welches durch folgende Beziehung gegeben ist: Paval – P2 = (P1 – P2)/[1 + (K2/K1)2],worin K1 und K2 die Leistung der ersten Blende bzw. der zweiten Blende ist.
Bei großen Mengen befindet sich der Schieber 224 des Dosierventils in der Position der 2, wodurch der erste Versorgungseingang 230 für den Druck P1 geöffnet wird. Die dritte Blende 34 wird nun auf den Druck P1 gebracht, und der Druck an dem zweiten endseitigen Eingang 282 des Druckregelventils wird durch die erste und die dritte Blende 30, 34, welche mit dem Druck P1 beaufschlagt werden, sowie durch die verbleibende, auf den niedrigen Druck P2 gebrachte zweite Blende 32 bestimmt. Hieraus ergibt sich ein hohes stromabwärtiges Druckniveau des Ventils 28, welches durch folgende Beziehung gegeben ist: Paval – P2 = (P1 – P2)/[1 + (K2)2/(/K1+K3)2],worin K1, K2 und K3 die Leistung der ersten bzw. der zweiten bzw. der dritten Blende ist.
Schließlich ist die Ausbildung der Erfindung besonders vorteilhaft, da sie folgendes ermöglicht:

– das Wiederzünden im Flug mit der für Vollgas dimensionierten Hochdruckpumpe,
– die Verringerung der Rückzirkulationserwärmungen im kritischen Bereich der Leerläufe (Reduzierung der Mengen und der Rückzirkulationsdrücke),
– eine optimale Dimensionierung der verschiedenen Zylinder, die über einen hohen Druck verfügen, wenn er erforderlich ist (geringerer Hubraum und folglich geringere Masse).

Hieraus ergeben sich auch ein geringerer Förderbedarf der Hochdruckpumpe, eine bessere Leistung dieser Pumpe und folglich eine Pumpe mit kleinerer Abmessung, welche die überschüssigen Mengen während der Leerlaufphasen verringert.

Claims

Kraftstoffeinspritzsystem in einer Turbomaschine, umfassend eine Hochdruckpumpe (10), um den aus einem Kraftstoffbehälter (12) stammenden Kraftstoff auf einen hohen Druck P1 zu bringen, eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzdüsen (16), die in einer Brennkammer der Turbomaschine (18) angeordnet sind, sowie eine Dosiervorrichtung (14), die zwischen der Hochdruckpumpe und der Vielzahl von Einspritzdüsen zwischengeschaltet ist, um die Kraftstoffmenge zu kontrollieren, die von der Hochdruckpumpe aus in die Einspritzdüsen strömt, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiervorrichtung ein Druckregelventil (28) aufweist, das ausgehend von einem Dosierventil (22), welches von der Hochdruckpumpe aus mit Kraftstoff gespeist wird, entsprechend zweier Druckbeaufschlagungsstufen gesteuert wird.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckregelventil einen ersten endseitigen Eingang (280), welcher mit einem ersten Benutzungsausgang (222) des Dosierventils verbunden ist, sowie einen zweiten endseitigen Eingang (282) aufweist, der dem ersten endseitigen Eingang gegenüberliegt und der einerseits über eine erste Blende (30) mit der Hochdruckpumpe und andererseits über eine dritte Blende (34) mit einem zweiten Benutzungsausgang (232) des Dosierventils verbunden ist, wobei die Kraftstoffversorgung der Einspritzdüsen, die mit einem Steuerungsausgang dieses Ventils (286) verbunden sind, aus dem Ungleichgewicht der unter der Wirkung eines Rechners (24) an diese beiden endseitigen Eingänge angelegten Drücke resultiert.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dosierventil einen Hydraulikschieber (224) umfaßt, der sich unter der Steuerung des genannten Rechners linear bewegen kann, um über zwei ringförmige Öffnungen (226, 228) einerseits einen ersten Versorgungseingang (220) mit dem ersten Benutzungsausgang und andererseits einen zweiten Versorgungseingang (230) mit dem zweiten Benutzungsausgang zu verbinden.
Kraftstoffeinspritzsystem nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Dosiervorrichtung ferner einen Elektroabsperrhahn (26) aufweist, welcher dazu bestimmt ist, auf das Druckregelventil zu wirken, um die Kraftstoffversorgung der Einspritzdüsen zu unterbrechen.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektroabsperrhahn einen mit der Hochdruckpumpe verbundenen ersten Eingang (260), einen über eine zweite Blende (32) auf einen niedrigen Druck P2 gebrachten zweiten Eingang (262) sowie einen mit dem zweiten endseitigen Eingang des Druckregelventils (28) verbundenen Ausgang (264) aufweist.