DE60207781T2

DE60207781T2 - Kraftstoffzumessvorrichtung mit zwei integrierten Auslässen

Info

Publication number: DE60207781T2
Application number: DE60207781T
Authority: DE
Inventors: Laurent Hodinot; Henry Leclerc; Claude Maillard; David Maillard
Original assignee: Hispano Suiza SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2002-05-21
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2022-05-22
Also published as: EP1260689B1; US20020174647A1; DE60207781D1; RU2290522C2; FR2825120B1; US6782692B2; FR2825120A1; EP1260689A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Treibstoffeinspritzung in Turbomaschinen, und sie betrifft insbesondere, eine Treibstoffdosiervorrichtung mit zwei Auslässen (auch als Double-Port bezeichnet).
Stand der Technik
Bei Turbomaschinen werden die besten Leistungen für Rotationsgeschwindigkeiten der sich drehenden Elemente erreicht, die nahe der zulässigen Maximalgrenzen liegen, jenseits derer es zu einem Verlust bei den Verdichterschaufeln oder der Turbine kommen kann. Nun ist ein solcher Verlust der Art, daß es zu einer Durchlöcherung des Motorgehäuses kommt, deren Folgen bis zu einer vollständigen Zerstörung der Turbomaschine reichen können.
Wie im übrigen die internationalen Vorschriften bezüglich der zivilen Luftfahrt dies empfehlen, erweist sich zudem die Verwendung einer Vorrichtung zur Begrenzung der Überdrehzahl als unerläßlich, um zu vermeiden, daß die Geschwindigkeit dieser sich drehenden Elemente diese zugelassenen Maximalgeschwindigkeiten überschreitet.
Des weiteren muß es bei den derzeitigen Turbomaschinen für den Piloten des Luftfahrzeugs möglich sein, nach dem Einschalten der Vorrichtung zur Überdrehzahlbegrenzung zu einer normalen Betriebsart zurückzukehren. Hierfür, und wie dies in 6 dargestellt ist, muß das Überdrehzahlventil 10 dieser Begrenzungsvorrichtung, das am Ausgang der Dosiervorrichtung 12 angeordnet ist, lediglich den Auslaß für die großen Treibstoffmengen 14 verschließen können, ohne den Auslaß für die kleinen Mengen 16 zu verändern (stören), der vor allem die Überdrehzahlmenge liefert, auf die die dosierte Menge begrenzt ist, welche die Einspritzdüsen beaufschlagt, sobald der Verschluß des Überdrehzahlventils wirksam ist.
Eine elegante Lösung für dieses Problem besteht nun darin, eine Dosiervorrichtung mit zwei Auslässen für dosierten Treibstoff einzusetzen. Eine solche Double-Port-Dosiervorrichtung ist beispielsweise in dem amerikanischen Patent US 5 772 182 beschrieben. Leider weist die lineare Struktur dieser Dosiervorrichtung, die auch als Tandemstruktur bezeichnet wird, da die Dosierschlitze in Reihe hintereinander angeordnet sind, den gravierenden Nachteil auf, eine besonders starke Verlängerung der Dosierrichtung (praktisch eine zweifache Abmessung einer herkömmlichen Dosiervorrichtung) und demzufolge eine nicht unwesentliche Erhöhung der an Bord befindlichen Masse zu bewirken.
Eine weitere Treibstoffdosiervorrichtung mit zwei Auslässen ist anhand der US 5 732 730 aufgezeigt. In diesem Dokument sind die Dosieröffnungen voneinander unabhängig und sind nicht derart angeordnet, daß ein kontinuierlicher Treibstofffluß gewährleistet ist.
Gegenstand und Definition der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schlägt folglich vor, diese Nachteile mit einer besonders kompakten Treibstoffdosiervorrichtung zu beheben, d.h. mit einer Treibstoffdosiervorrichtung, die einen minimalen Platzbedarf sowie eine minimale Masse aufweist. Ein Ziel der Erfindung besteht auch darin, eine Vorrichtung vorzuschlagen, welche auf die dosierte Menge unterhalb der begrenzten Überdrehzahlmenge nicht störend einwirkt.
Erreicht werden diese Ziele durch eine Treibstoffdosiervorrichtung in einer Turbomaschine umfassend eine äußere zylindrische Hülle, in der ein Verteilerzylinder angebracht ist, in welchem sich ein Dosierungskolben unter der Wirkung eines Steuerelementes linear bewegen kann, wobei die zylindrische Hülle eine Eingangsöffnung für den Einlaß des Treibstoffs unter Druck und wenigstens eine Austrittsöffnung für die Einspritzung dieses Treibstoffs in eine Brennkammer der Turbomaschine aufweist und wobei der Dosierungskolben einen ringförmigen Zwischenraum umfaßt, der eine Verteilerkammer für den Treibstoff bildet, der über die Eingangsöffnung zugeführt und über die wenigstens eine Austrittsöffnung verdrängt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerzylinder eine Vielzahl von radialen Einlaßöffnungen, um den Treibstoff in die Verteilerkammer von der Eintrittsöffnung aus einzulassen und einerseits wenigstens eine erste Dosieröffnung, um den Treibstoff zu der ersten Austrittsöffnung auszustoßen und andererseits wenigstens eine zweite Dosieröffnung umfaßt, um den Treibstoff zu der zweiten Austrittsöffnung auszustoßen, wobei die wenigstens eine erste und die wenigstens eine zweite Dosieröffnung durch Dichtungsmittel getrennt sind, die am Umfang des Verteilerzylinders angeordnet sind.
Mit der vorliegenden Dosiervorrichtungsstruktur, welche eine dichte Trennwand aufweist, wird es möglich, in ein und dieselbe Vorrichtung die Lieferung sowohl großer als auch kleiner Treibstoffmengen zu integrieren. Der Kreis für die kleinen Mengen wird somit in keiner Weise durch das Überdrehzahlventil gestört, und der Platzbedarf ist im Vergleich zu den Vorrichtungen des Standes der Technik mit zwei aneinander angeordneten Dosiervorrichtungen besonders reduziert.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform existieren von den ersten Dosieröffnungen zwei und sind diese radial einander gegenüberliegend angeordnet. Diese ersten Dosiervorrichtungen weisen vorzugsweise einen exponentiellen Strömungsquerschnitt auf. Ebenso sind auch die zweiten Dosieröffnungen zwei an der Zahl und sind radial einander gegenüberliegend angeordnet. Diese zweiten Dosieröffnungen weisen vorzugsweise einen exponentiellen Strömungsquerschnitt auf.
Die wenigstens eine erste Dosieröffnung und die wenigstens eine zweite Dosieröffnung sind in einer gleichen Querebene angeordnet und sind paarweise um 90° versetzt, so daß während der Bewegung des Dosierkolbens ein kontinuierlicher Treibstofffluß zu der Brennkammer sichergestellt ist. Die ersten Dosieröffnungen weisen eine Breite a im Bereich ihres stromabwärtigen Teils auf, die gleich einer Breite b der zweiten Dosieröffnungen im Bereich ihres stromaufwärtigen Teils ist.
Nach einer ersten Ausführungsform umfassen die Dichtungsmittel eine Elastomerdichtung, die in einer Nut oder Vertiefung einer Trennwand angebracht ist, welche sich am Außenumfang des genannten Verteilerzylinders fortsetzt und sich zwischen den ersten und zweiten Dosieröffnungen hindurchschlängelt. In einer Alternative können die genannten Dichtungsmittel auch eine Elastomerdichtung aufweisen, die in einer Nut oder Vertiefung eines Trennschachtes angebracht ist, der um jede der ersten Dosieröffnungen herum angeordnet ist, um diese von den genannten zweiten Dosieröffnungen zu isolieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Merkmale sowie die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung, die zur Unterrichtung gegeben und als nicht einschränkend zu verstehen ist, anhand der beiliegenden Zeichnungen besser hervorgehen, in diesen zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung mit zwei Auslässen,
2 eine ausgezogene Ansicht im Bereich der Dosieröffnungen der Dosiervorrichtung mit zwei Auslässen der 1,
3 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Teils einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung mit zwei Auslässen,
4 eine Schnittansicht einer Dosieröffnung der Dosiervorrichtung mit zwei Auslässen der 3,
die 5A und 5B Ansichten im Längsschnitt entlang der Ebene VA bzw. der Ebene VB der 1, die zwei unterschiedlichen Positionen der Dosiervorrichtung mit zwei Auslässen der 1 entsprechen, und
6 eine sehr schematische Teilansicht eines Treibstoffeinspritzsystems einer Turbomaschine, das mit einer Überdrehzahlbegrenzungseinrichtung versehen ist.
Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
1 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht einer Treibstoffdosiervorrichtung mit zwei Austrittsöffnungen, die in einem herkömmlichen Treibstoffeinspritzsystem einer Turbomaschine eines Luftfahrzeugs eingesetzt wird. Diese Treibstoffdosiervorrichtung ist das zentrale Element des Einspritzsystems, das die Treibstoffmenge steuert, die zwischen einer Hochdruckpumpe, welche ein Unterdrucksetzen des aus einem Treibstoffbehälter entnommenen Treibstoffs sicherstellt, und einem Kreis zum Einspritzen des Treibstoffs in die Brennkammer dieser Turbomaschine strömt.
Die Dosiervorrichtung 20 ist gemäß der Erfindung von drei konzentrischen Teilen gebildet mit einer zylindrischen Außenhülle 22, in der eine ebenfalls zylindrische, einen Verteiler bildende Buchse 24 angeordnet ist, in welcher sich ein Kolben 26 kontinuierlich zwischen zwei Endstellungen linear bewegen kann.
Die zylindrische Hülle 22 umfaßt eine Einlaßöffnung 220, die dazu bestimmt ist, mit dem Ausgang der Hochdruckpumpe verbunden zu werden und über die der zu dosierende Treibstoff zugeführt wird, sowie zwei Austrittsöffnungen 222, 224, die mit dem Einspritzkreis verbunden werden sollen und über die das Einspritzen des Treibstoffs in die Brennkammer der Turbomaschine erfolgt, wobei die eine 222 ein Einspritzen der geringen Treibstoffmengen (vor allem der begrenzten Menge in der Überdrehzahlsituation) und die andere 224 das Einspritzen der großen Treibstoffmengen (Normalbetrieb) sicherstellt.
Der Kolben 26 weist einen ringförmigen Zwischenraum 260 auf, der eine Verteilerkammer für die Dosierung des Treibstoffs bildet, der über die Einlaßöffnung 220 zugeführt und über die Austrittsöffnungen 222, 224 ausgestoßen wird. Die Bewegung des Kolbens in der Buchse erfolgt vorzugsweise üblicherweise über ein elektromagnetisches Element 28, das mit einem Ende des Kolbens verbunden ist und das über einen (nicht dargestellten) elektronischen Steuerkreis der Turbomaschine gesteuert wird.
Der Verteilerzylinder (Buchse 24), der zwischen der zylindrischen Hülle und dem Kolben angeordnet ist, weist an seinem Außenumfang Dichtungsmittel auf, die von vier ringförmigen Dichtungen 240, 242, 244, 246 gebildet sind – wovon an jedem Ende eine vorhanden ist -, zwischen denen drei unterschiedliche Bereiche 24A, 24B, 24C für die Verteilung des Treibstoffs gebildet sind. Der erste Verteilungsbereich 24A ist dazu bestimmt, mit der Einlaßöffnung 220 zusammenzuwirken, um den zu dosierenden Treibstoff aufzunehmen, der zweite Bereich 24B ist dazu bestimmt, mit der ersten Austrittsöffnung 222 zusammenzuwirken, um den Treibstoff in geringer Menge einzuspritzen, und der dritte Bereich 24C ist dazu bestimmt, mit der zweiten Austrittsöffnung 224 zusammenzuwirken, um den Treibstoff in großer Menge einzuspritzen. Diese Zufuhr und diese doppelte Einspritzung des Treibstoffs in der Turbomaschine werden über verschiedene Öffnungen bewerkstelligt, die radial durch die Wand dieses Verteilerzylinders ausgebildet sind.
In dem ersten Bereich 24A, der durch die erste und die zweite ringförmige Dichtung 240, 242 begrenzt ist, umfaßt der Verteilerzylinder eine Vielzahl von Zufuhröffnungen 248, die radial an dessen Umfang angeordnet sind und die ermöglichen, den Treibstoffversorgungsstrom, der aus der einzigen Eingangsöffnung 220 stammt, gleichmäßig in der Dosiervorrichtung aufzuteilen und zu verteilen. In dem zweiten Bereich 24B, der durch die zweite und die dritte ringförmige Dichtung 242, 244 begrenzt ist, umfaßt der Verteilerzylinder wenigstens eine und vorzugsweise zwei erste Dosieröffnungen 250a, 250b, die 180° voneinander entfernt (radial einander gegenüberliegend) angeordnet sind und die ermöglichen, ein Treibstoffströmungsgesetz für die geringen Mengen zu definieren. Der Strömungsquerschnitt dieser ersten Dosieröffnungen ist vorteilhafterweise exponentiell. Schließlich umfaßt der Verteilerzylinder in dem dritten Bereich 24C, welcher durch die dritte und die vierte ringförmige Dichtung 244, 246 begrenzt ist, wenigstens eine und vorzugsweise zwei zweite Dosieröffnungen 252a, 252b, die ebenfalls 180° voneinander entfernt (radial einander gegenüberliegend), jedoch um 90° zu den ersten Dosieröffnungen versetzt angeordnet sind, und die ermöglichen, ein Treibstoffströmungsgesetz für die großen Mengen zu definieren. Der Strömungsquerschnitt dieser zweiten Dosieröffnungen ist ebenfalls vorteilhafterweise exponentiell.
Um eine einwandfreie Kontinuität zwischen der Strömung in geringen Mengen und in großen Mengen sicherzustellen, sind die ersten und zweiten Dosieröffnungen in einer gleicher Querebene P angeordnet, wie dies 2 zeigt, die eine ausgestreckte Ebene des Verteilerzylinders im Bereich dieser Öffnungen ist, und ist die Breite a der Öffnung der kleinen Mengen (an ihrem stromabwärtigen Teil in Vorschubrichtung des Kolbens) gleich der Breite b der Öffnung der großen Mengen (an ihrem stromaufwärtigen Teil in Vorschubrichtung des Kolbens). Man wird ganz besonders die geschlängelte Anordnung der dritten ringförmigen Dichtung 244 feststellen, welche eine vollkommen dichte Unterteilung zwischen den Öffnungen, welche die geringen und die großen Mengen definieren, gewährleistet. Diese dritte Dichtung ist vorzugsweise eine Elastomerdichtung, die durch Warmhaftung in einer Nut oder Vertiefung 254 einer Trennwand 256 angebracht ist, die sich am Außenumfang des Verteilerzylinders fortsetzt und sich zwischen den Dosieröffnungen hindurchschlängelt. Jedoch ist auch eine Elastomerdichtung möglich, die zuvor in ihrer Nut oder Vertiefung abgekühlt wird, um sie bei einer Warmmontage zu versteifen.
Diese Dichtigkeit durch eine geschlängelte Dichtung ist nicht die einzige Lösung, die in Betracht gezogen werden kann, um eine dichte Trennung zwischen den Öffnungen für die Dosierung geringer und großer Mengen zu gewährleisten, und eine Lösung, die darauf beruht, Schächte um jede Öffnung für die Dosierung geringer Mengen (oder eventuell um die Öffnungen für die Dosierung der großen Mengen) herum auszubilden, die jeweils einer kreisförmigen Dichtung zugeordnet sind, stellt eine mögliche Alternative dar. Die 3 und 4 zeigen die Buchse 24 in der Perspektive und im Teilschnitt in dieser zweiten Ausführungsform. Die Elemente, die mit denjenigen der vorhergehenden Ausführungsform identisch sind, tragen die gleichen Bezugszeichen.
Bei dieser zweiten Ausführungsform wird die Trennung oder Unterteilung zwischen geringen und großen Mengen dadurch sichergestellt, daß um jede Öffnung zur Dosierung der geringen Mengen 250a, 250b, ein Isolierungsschacht 258 ausgebildet wird, der sich von der Außenfläche der Buchse 24 bis zur Innenfläche der Außenhülle 22 erstreckt und an dem eine Dichtung 261 angebracht ist. Diese Dichtung ist vorteilhafterweise, wie zuvor, eine Elastomerdichtung, die zur Erleichterung ihrer Montage unter Wärme in eine Nut oder Vertiefung 262 der Stirnfläche dieses Schachts geklebt oder aber in dieser Nut oder Vertiefung abgekühlt werden kann, um sie vor der Montage zu versteifen.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung wird nun anhand der 5A und 5B beschrieben, die sich genauer gesagt auf die Ausführungsform der 1 beziehen (selbstverständlich ist eine identische Funktionsweise auf die Ausführungsform der 3 anwendbar). 5A zeigt die Stellung des Kolbens im Normalbetrieb. Die Motordrehzahl ist nun in einem sogenannten Reiseflugdrehzahlbereich, der über der Leerlaufdrehzahl liegt. Der über die Zufuhr- oder Versorgungsöffnungen 248 eingeleitete Treibstoff wird über alle Dosieröffnungen 250, 252 in die Brennkammer eingespritzt. Wenn die Drehgeschwindigkeit der Turbomaschine eine vordefinierte zugelassene Maximalgeschwindigkeit überschreitet, wird die Versorgung der Brennkammer mit Treibstoff dadurch auf eine vorbestimmte feste Menge, die als Überdrehzahlmenge Qsv bezeichnet wird, begrenzt, daß das Überdrehzahlventil stromabwärts der zweiten Austrittsöffnung 224 für die großen Mengen geschlossen wird. Die Stellung des Kolbens 26 bleibt unverändert. Ebenso verhält es sich dann, wenn die Drehgeschwindigkeit wieder geringer wird als die zugelassene Maximalgeschwindigkeit. Wenn hingegen der Pilot mittels des Bedienungshebels zur Steuerung der Gase einen Leerlaufbefehl an den Motor sendet (was von dem Steuerkreis der Turbomaschine nur akzeptiert werden kann, wenn die Turbomaschine wieder einwandfrei funktioniert), wird diese Kraftstoffzufuhr wieder auf eine Menge zurückgeführt, die einer Leerlaufdrehzahl entspricht, die geringer ist als die vorhergehende Überdrehzahl, um anschließend eine Wiederaufnahme eines Normalbetriebs zu ermöglichen. In diesem Fall, und wie dies 5B zeigt, wird der Kolben 26 derart bewegt, daß die Öffnungen zur Dosierung der großen Mengen 252 vollständig verschlossen werden, aber daß die Öffnungen zur Dosierung der geringen Mengen 250 nur teilweise verschlossen werden, wodurch eine begrenzte Versorgung des Einspritzkreises ermöglicht wird.

Claims

Treibstoffdosiervorrichtung in einer Turbomaschine, umfassend eine äußere zylindrische Hülle (22), in der ein Verteilerzylinder (24) angebracht ist, in welchem sich linear ein Dosierungskolben (26) unter der Wirkung eines Steuerelementes (28) bewegen kann, wobei die Zylinderhülle eine Eingangsöffnung (220) zum Einlaß des Treibstoffes unter Druck umfaßt und erste und zweite Austrittsöffnungen (222, 224) für die Einspritzung dieses Treibstoffes in eine Brennkammer der Turbomaschine und der Dosierungskolben einen ringförmigen Zwischenraum (260) umfaßt, der eine Verteilerkammer für den Treibstoff bildet, der durch die Eingangsöffnung eingelassen wird und durch die ersten und zweiten Austrittsöffnungen verdrängt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerzylinder eine Vielzahl von radialen Einlaßöffnungen (248) umfaßt, um den Treibstoff in die Verteilerkammer von der Eintrittsöffnung aus einzulassen und einerseits wenigstens eine erste Dosieröffnung (250a, 250b), um den Treibstoff zu der ersten Austrittsöffnung auszustoßen und andererseits wenigstens eine zweite Dosieröffnung (252a, 252b), um den Treibstoff zu der zweiten Austrittsöffnung auszustoßen, wobei die wenigstens eine erste und die wenigstens eine zweite Dosieröffnung getrennt sind durch Dichtungsmittel (244, 261), die auf dem Umfang des Verteilerzylinders und in einer selben Querebene derart angeordnet sind, daß ein kontinuierlicher Treibstofffluß zur Verbrennungskammer bei der Bewegung des Dosierkolbens sichergestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Dosieröffnungen zwei sind und radial zueinander gegenüber angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Dosieröffnungen einen exponentiellen Strömungsquerschnitt aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Dosieröffnungen zwei sind und radial gegenüber zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Dosieröffnungen einen exponentiellen Strömungsquerschnitt aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Dosieröffnungen eine Breite a auf der Ebene von deren stromabwärts gelegenen Teil aufweisen, die gleich einer Breite b der zweiten Dosieröffnungen auf der Ebene von deren stromaufwärts gelegenen Teil ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Dosieröffnungen paarweise um 90° versetzt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsmittel eine Elastomerdichtung (244) umfassen, die in einer Vertiefung (254) einer Trennwand (256) angebracht ist, welche sich am Außenumfang des Verteilerzylinders fortsetzt und sich zwischen den ersten und zweiten Dosieröffnungen hindurchschlängelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsmittel eine Elastomerfuge (261) umfassen, welche in einer Vertiefung (262) eines Schachts zur Trennung (258) angeordnet ist, der um jede der ersten Dosierungsöffnungen herum angeordnet ist, um sie von den zweiten Dosieröffnungen zu isolieren.