-
Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Kraftstoffregelsystem für den Einsatz
in Verbindung mit einem Gasturbinenmotor, hauptsächlich einem Gasturbinenmotor,
der einer der Motoren eines zweimotorigen oder sonstigen mehrmotorigen
Flugzeuges ist.
-
Wenn
man ein zweimotoriges Flugzeug als einfachstes Beispiel eines mehrmotorigen
Flugzeuges betrachtet, dann kann im Falle, dass ein Regelsystem
eines Motors in einer Weise gestört
ist, die eine Überdrehzahl
jenes Motors zur Folge hat, der Motor einen Schub erzeugen, der
im Vergleich mit dem Schub, der bei jenem Betriebszustand erforderlich
wäre, unzulässig hoch
ist, wodurch es zu einer Gierbewegung des Flugzeuges kommt. Eine
solche Situation ist, wenn sie beim größten Teil des Flugzyklus auftritt,
unglücklich,
lässt sich
aber normalerweise durch Abschalten des Motors, der den unzulässig hohen
Schub erfährt,
in den Griff bekommen. Wenn jedoch einer der Motoren eine ungeforderte
Schuberhöhung
in der Phase vor dem Landeanflug des Flugzyklus erfährt, dann
kann sich die erzeugte Gierbewegung als problematischer erweisen.
-
Wenn,
wie dies durchaus der Fall sein kann, die Gierbewegung vom Piloten
nicht über
die Seitenrudersteuerung kompensiert werden kann, dann gibt es nur
noch die Möglichkeit,
die Kraftstoffzufuhr zum Motor, der die ungeforderte Schuberhöhung erfährt, zu
verringern und eine schnelle Verringerung der Kraftstoffübernahme
kann durchaus bewirken, dass es beim Motor zum „Flameout" (Flammabriss) kommt und er somit plötzlich in
einem Teil des Flugzyklus seinen Betrieb einstellt, bei dem es keine
Zeit mehr gibt, den Motor erneut zu starten. Ein plötzlicher Flammabriss
eines Motors ergibt ein Schubungleichgewicht und führt wahrscheinlich
zu einer schwerwiegenden resultierenden Gierbewegung in der entgegengesetzten
Richtung. Solche Probleme wurden in der Vergangenheit anerkannt
und unsere gleichzeitig anhängige
Patentanmeldung
GB 2300451 offenbart eine
Möglichkeit,
mit der der Kraftstofffluss zu jedem Motor geregelt werden kann,
um solche Schwierigkeiten zu vermeiden. Obwohl die in unserer gleichzeitig
anhängigen
britischen Patentanmeldung
GB 2300451 offenbarte
Anordnung solche betrieblichen Schwierigkeiten ausgezeichnet überwindet,
erfordert sie hierfür
eine beträchtliche
Vervielfältigung
von Komponenten im Motor-Kraftstoffregelsystem, um die das Gewicht,
die Kosten und die Komplexität
des Kraftstoffsystems und die Wartungsanforderungen des Kraftstoffsystems
erhöht
werden. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kraftstoffregelsystem
für einen
Gasturbinenmotor bereitzustellen, bei dem die oben erwähnten Nachteile
in einer einfachen und geeigneten Weise reduziert werden.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Kraftstoffregelsystem für einen Gasturbinenmotor bereitgestellt,
das Folgendes umfasst:
ein Haupt-Kraftstoffdosierventil zur
Regelung des Kraftstoffflusses zu einem jeweiligen, im Einsatz befindlichen
Gasturbinenmotor, wobei das Ventil ein Ventilregelelement umfasst,
das sich in Bezug auf einen Ventilkörper durch den auf eine Druckkammer des
Ventils aufgebrachten Flüssigkeitsdruck
bewegen lässt,
um die über
das Ventil zugeführte
Menge des Kraftstoffes zwischen null in einem geschlossenen Ventilzustand
und einem Höchstwert
in einem vollständig
geöffneten
Ventilzustand zu regeln;
ein erstes Flüssigkeitsregelventil, das sich
betreiben lässt,
um das Aufbringen des Flüssigkeitsdruckes
auf die Druckkammer des Dosierventils zu regeln, um die Einstellung
des Dosierventils und somit die Menge des Kraftstoffes zu bestimmen,
die dem Gasturbinenmotor über
das Dosierventil zugeführt
wird;
Mittel zum Erkennen eines Überdrehzahlbetriebszustandes
des jeweiligen, im Einsatz befindlichen Gasturbinenmotors; und,
ein
zweites Flüssigkeitsregelventil,
das sich als Reaktion auf die Erkennung eines solchen Überdrehzahlzustandes
von einem ersten Zustand zu einem zweiten Zustand bewegen lässt, wobei
das zweite Flüssigkeitsregelventil
im ersten Zustand dazu dient, den vom ersten Flüssigkeitsregelventil abgeleiteten Flüssigkeitsdruck
auf die Druckkammer des Dosierventils aufzubringen und in seinem
zweiten Zustand dazu dient, das Aufbringen des vom ersten Flüssigkeitsregelventil
abgeleiteten Flüssigkeitsdruckes
auf die Druckkammer des Dosierventils zu verhindern und die Druckkammer
zu entlüften,
damit sich das Regelelement des Dosierventils hin zu einer Position bewegen
kann, in der das Ventil geschlossen ist.
-
Vorzugsweise
umfasst der Kanal, über
den der Flüssigkeitsdruck
in der Druckkammer des Dosierventils im zweiten Zustand des zweiten
Flüssigkeitsregelventils
abgebaut wird, eine Drosseleinrichtung, die die Geschwindigkeit
bestimmt, mit der sich das Regelelement des Dosierventils hin zum
geschlossenen Zustand des Dosierventils bewegt.
-
Das
Dosierventil umfasst vorzugsweise Folgendes: Eintrittsöffnungsmittel,
die mit der Flüssigkeitsdruck-Versorgung
von dem ersten Flüssigkeitsregelventil
anders als über
das zweite Flüssigkeitsregelventil
verbunden sind, und eine innere Verbindung zwischen den Eintrittsöffnungsmitteln
und der Druckkammer, die öffnet,
um die Druckkammer mit Flüssigkeitsdruck
von dem ersten Flüssigkeitsregelventil
zu versorgen, und zwar in einer Position des Dosierventilregelelementes
in Bezug auf den Ventilkörper,
in der dem im Einsatz befindlichen Motor eine vorgegebene Menge
von Kraftstoff über
das Dosierventil zugeführt
wird.
-
Es
wird jetzt ein Beispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung beschrieben, die eine grafische Darstellung eines Kraftstoffregelsystems
für einen
Gasturbinenmotor ist.
-
In
der Zeichnung lässt
sich erkennen, dass das Kraftstoffregelsystem des Gasturbinenmotors ein
Kraftstoffdosierventil 11 umfasst, das einen äußeren, im
Allgemeinen unbeweglichen Körper 12 umfasst,
der ein Ventilregelelement 13 verschiebbar aufnimmt.
-
Eine
Hochdruck-Kraftstoffzuführungsleitung 14 kommuniziert
um das Regelelement 13 herum mit einem Einlasskanal 15 im
Körper 12 und
ein zweiter ähnlicher
Auslasskanal 16 im Körper l2 ist
mit einer Hochdruck-Kraftstoffausgangsleitung 17 verbunden, die
zur Brennerbaugruppe des zugeordneten Gasturbinenmotors führt. Eine
ringförmige
Kammer 18 des Ventilregelelementes 13 liegt über den
gesamten Bereich der Axialbewegung des Elementes 13 im
Körper 12 auf
dem Einlasskanal 15 und kommuniziert mit demselben und
ein axiales Ende der Kammer 18 wirkt mit dem Auslasskanal 16 zusammen,
um eine veränderliche Öffnung 20 zu
definieren, die die Menge des Kraftstoffes regelt, der von der Leitung 14 durch
den Kanal 15, die Kammer 18, den Kanal 16 und
die Leitung 17 zum Motor fließen kann. Die Größe der Öffnung 20 und
damit die Menge des zum Motor fließenden Kraftstoffes wird durch
die axiale Position des Regelelementes 13 im Körper 12 bestimmt. Gleitdichtungen 19 dichten
die Kontaktstelle des Elementes 13 und des Körpers 12 ab
und ein Ablasskanal 21 im Element 13 gestattet
es, dass etwaiger Kraftstoff, der bis hinter die Dichtungen durchsickert, zu
einem Niederdruckablass 22 fließt, der den Kraftstoff vorteilhaft über einen
Filter zu einem Kraftstoffbehälter
zurückleitet.
-
Die
axiale Position des Regelelementes 13 im Körper 12 wird
durch den hydraulischen Druck bestimmt, der auf die entgegengesetzten
axialen Enden des Elementes 13 wirkt. An einem axialen
Ende definiert das Element l3 einen relativ kleinflächigen Kolben 23,
der über
eine Leitung 25 einem Flüssigkeitsdruck von einer druckgeregelten
Quelle 24 ausgesetzt ist. Das entgegengesetzte axiale Ende
des Elementes 13 definiert einen großflächigen Kolben 26, der
einem Flüssigkeitsdruck
in einer Flüssigkeitsdruckkammer 27 ausgesetzt
ist.
-
Das
System umfasst außerdem
ein erstes Flüssigkeitsregelventil 28,
das von einem Drehmomentmotor 29 in einer bekannten Weise
betätigt
wird. Das Ventil 28 umfasst einen Einlass 31 und
einen Auslass 32 und ein Verschlusselement 33 des
Ventils, das sich durch den Drehmomentmotor 29 bewegen
lässt und
den Durchfluss der unter Druck stehenden Flüssigkeit durch das Ventil 28 zwischen
dem Einlass 31 und dem Auslass 32 regelt. Die
von der Quelle 24 zugeführte
Flüssigkeit
ist zweckmäßigerweise
Kraftstoff. Der Auslass 32 des Ventils 28 ist
mit einem Niederdruckablass verbunden und dort, wo die Flüssigkeit
Kraftstoff ist, ist der Niederdruckablass mit dem Ablass 22 verbunden.
Die Flüssigkeitsdruckquelle 24 ist über eine
Drosseleinrichtung 34 mit dem Einlass 31 des Ventils 28 verbunden
und eine Leitung 35 zwischen dem Einlass 31 und
der Drosseleinrichtung 34 ist mit einem Einlass 37 des zweiten
drehmomentmotorgeregelten Ventil 36 verbunden.
-
Das
Ventil 36 ist ein Umschaltventil und weist eine Eintrittsöffnung 37,
eine Austrittsöffnung 38 und eine
dritte Öffnung 39 auf,
die mit der Kammer 27 des Ventils 11 kommuniziert.
Die Austrittsöffnung 38 des Ventils 36 ist über eine
Drosseleinrichtung 41 mit dem Niederdruckablass 22 verbunden.
Das Regelelement 42 des Ventils 36, das durch
den Drehmomentmotor des Ventils bewegt wird, kann, wie in der Zeichnung
dargestellt, eine erste Position, in der der Auslass 38 geschlossen
ist und der Einlass 37 mit der Öffnung 39 kommuniziert,
so dass die unter Druck stehende Flüssigkeit von der Leitung 35 zur Kammer 27 fließt, und
eine zweite, entgegengesetzte Position einnehmen, in der das Regelelement 42 den Einlass 37 schließt und für die Öffnung 39 die
Kommunikation mit der Austrittsöffnung 38 herstellt,
so dass die Kammer 27 über
die Drosseleinrichtung 41 zum Niederdruckablass hin entlüftet werden
kann.
-
Der
Körper 12 des
Ventils 11 ist mit einem weiteren ringförmigen Kanal 43 versehen,
der dauernd über
eine Leitung 44 mit der Leitung 35 verbunden ist.
Somit ist der Kanal 43 ständig dem Flüssigkeitsdruck ausgesetzt,
der zwischen der Drosseleinrichtung 34 und dem Einlass 31 des
Ventils 28 vorhanden ist. Neben der Kolbenstirnfläche 26 ist
eine ringförmige
Aussparung 45 in der zylindrischen Wand des Regelelementes 13 des
Ventils 11 ausgebildet. Die Aussparung 45 ist über Innenkanäle 46 des
Regelelementes 13 mit der Kammer 27 verbunden,
aber die Aussparung 45 ist in Bezug auf das Ventil 11 axial
so positioniert, dass es erst eine Kommunikation zwischen der Aussparung 45 und
dem Kanal 43 gibt, wenn sich das Regelelement 13 in
einer axialen Position befindet, an der es einen vorgegebenen Durchfluss über das
Ventil zwischen der Hochdruckversorgung 14 und der Leitung 17 gibt.
-
Ein
Sensor in Form eines linear variablen Differenzialtransformators
(LVDT) 47 überwacht
kontinuierlich die Position des Regelelementes 13 im Ventilkörper 12 und
liefert dem elektronischen Regelkreis des Kraftstoffsystems ein
Signal, das für
die Position des Regelelementes 13 repräsentativ ist.
-
Die
Arbeitsweise des Kraftstoffregelsystems ist wie folgt. Während des
Normalbetriebs des Systems befindet sich das Ventil 36 in
dem, in der Zeichnung dargestellten Betriebszustand, in dem das
Regelelement 42 die Austrittsöffnung 38 schließt und eine
Verbindung zwischen der Eintrittsöffnung 37 und der
dritten Öffnung 39 herstellt.
Somit wird ein Flüssigkeitsdruck
von der Quelle 24, der im Einsatz als ein konstanter Druck
betrachtet werden kann, auf den kleinflächigen Kolben 23 des
Regelelementes 13 des Ventils 11 aufgebracht und
der Flüssigkeitsdruck, der
zwischen der Drosseleinrichtung 34 und dem Ventileinlass 31 vorhanden
ist und mit der Einstellung des Ventils 28 variieren kann,
wird der Kammer 27 zugeführt und wirkt so am entgegengesetzten,
großflächigen Kolben 26 des
Regelelementes 13. Wenn die am Kolben 23 wirkende
Kraft größer ist
als die Kraft, die am Kolben 26 wirkt, wird das Element 13 hin
zur geschlossenen Position des Ventils getrieben und wenn die Kraft
am Kolben 26 die am Kolben 23 übersteigt, wird das Element
hin zur vollständig
geöffneten
Position des Ventils getrieben.
-
Der
zwischen dem Einlass 31 des Ventils 28 und der
Drosseleinrichtung 34 vorhandene Druck wird durch den Grad
der Öffnung
des Ventils 28 geregelt, wobei die Öffnung ihrerseits durch die
Betätigung
des Drehmomentmotors 29 geregelt wird. Der elektronische
Regelkreis 30 des Kraftstoffsystems liefert dem Drehmomentmotor 29 Signale,
um die Öffnung
des Ventils 28 entsprechend der geforderten Betriebsdrehzahl
des Motors und der vom LVDT 47 gemessenen Position des
Regelelementes 13 des Ventils 11 zu regeln und
durch Variieren der Position des Regelelementes 33 des
Ventils 28 kann der Druck in der Leitung 35 variiert
werden, und somit lässt
sich die axiale Position des Regelelementes 13 mit Folgeänderungen
hinsichtlich der Kraftstoffmenge verändern, die der Leitung 17 und
den Brennern des Gasturbinenmotors von der Leitung 14 über das Regelventil 11 zugeführt wird.
Der LVDT 47 stellt tatsächlich
eine Regelung über
die Öffnung
des Ventils 11 dahingehend bereit, dass der Kreis 30 die
Ist-Position des Elementes 13 mit einer gespeicherten oder berechneten
Position vergleichen kann, die einem Soll-Kraftstofffluss entspricht.
-
Während des
Normalbetriebs ändert
sich der Zustand des Ventils 36 nicht.
-
Der
elektronische Regelkreis 30 des Motor-Kraftstoffregelsystems überwacht
kontinuierlich die Betriebsdrehzahl des Motors und regelt durch
Bewegen des Regelelementes 33 des Ventils 28 die Kraftstoffzufuhr
zum Motor, damit die Motordrehzahl entsprechend dem geschwindigkeitsgesteuerten
Regelsystem des Flugzeuges aufrechterhalten wird. Der elektronische
Regelkreis 30 umfasst eine Überdrehzahl-Erkennungseinrichtung,
die, für
den Fall, dass die Motordrehzahl die geforderte Drehzahl um einen
vorgegebenen Betrag überschreitet,
die Betätigung
des Drehmomentmotors des Ventils 36 bewirkt, damit der
Zustand des Ventils 36 von dem dargestellten Zustand aus
in den zweiten Zustand wechselt, in dem das Regelelement 42 den
Einlass 37 schließt und
für die Öffnung 39 die
Kommunikation mit der Austrittsöffnung 38 herstellt.
-
Ein Überdrehzahlzustand
kann sich beispielsweise als Folge des Ausfalls des Ventils 28 ergeben.
Zum Beispiel kann das Ventil 28 in einer Weise ausfallen,
bei der es in einem stärkeren
Maße schließt als es
vom elektronischen Regelkreis gefordert wurde, wodurch sich der
Druck in der Leitung 35 erhöht und das Regelelement 13 des
Ventils 11 zu einer weiter geöffneten Position getrieben
wird, so dass dem Motor mehr Kraftstoff zugeführt wird als es für die geforderte
Betriebsdrehzahl des Motors erforderlich ist. Wie oben erwähnt, kann
die Motorüberdrehzahl
bewirken, dass es beim Flugzeug als Folge eines Schubungleichgewichts
zwischen Motoren an entgegengesetzten Seiten des Flugzeuges zu einer Gierbewegung
kommt. Durch Ändern
des Betriebszustandes des Ventils 36 wird die Leitung 35 von
der Kammer 27 getrennt und somit das Ventil 11 von
etwaigen weiteren Druckschwankungen in der Leitung 35 isoliert,
die durch die ungeforderte Betätigung
des Ventils 28 entstehen könnten. Indem die Kammer 27 über die Öffnung 39 und
die Austrittsöffnung 38 mit dem
Ablass 22 verbunden wird, kann gleichzeitig der Druck in
der Kammer 27 abnehmen und somit kann sich das Ventilelement 13 hin
zu seiner geschlossenen Position bewegen, was die Menge des Kraftstoffes
verringert, die dem Überdrehzahlmotor
zugeführt wird.
-
Die
vorhandene Drosseleinrichtung 4l in der Leitung zwischen
dem Auslass 38 und dem Niederdruckablass regelt die Geschwindigkeit,
mit der der Druck in der Kammer 27 abnimmt und regelt somit die
Geschwindigkeit, mit der die Kraftstoffzufuhr zum Motor verringert
wird. Bei einem Nichtvorhandensein der Drosseleinrichtung 41 wäre es möglich, dass
die Kraftstoffzufuhr zum Motor so schnell verringert würde, dass
es zum Flammriss des Motors kommen könnte und in der Phase vor dem
Landeanflug des Flugzeugflugzyklus könnte ein Motorflammriss auf
einer Seite des Flugzeuges eindeutig katastrophale Folgen haben.
-
Damit
das Ventil 11 als Reaktion auf einen Überdrehzahl-Störungszustand
nicht ganz schließt und
stattdessen eine vorgegebene Kraftstoffzufuhr zum Motor aufrechterhält, so dass
der Motor weiter zweckmäßig mit
niedriger Drehzahl läuft,
ist die Aussparung 45 so angeordnet, dass sie mit dem Kanal 43,
wie oben beschrieben, kommuniziert, bevor das Regelelement 13 einen
Punkt erreicht, an dem es die Öffnung 20 schließt, wodurch
die Kommunikation zwischen den Kanälen 15 und 16 unterbrochen
wird. Somit wird in dem Maße,
wie das Element 13 sich seiner geschlossenen Position nähert, ein
Flüssigkeitsdruck
von der Leitung 35 über
die Leitung 44, den Kanal 43, die Aussparung 45 und
die Innenkanäle 46 auf
die Druckkammer 27 aufgebracht. Die Druckkammer 27 bleibt über die
Drosseleinrichtung 41 zum Niederdruckablass hin entlüftet und
es wird eine Gleichgewichtsposition erreicht, an der der Druck in
der Kammer 27 aufrechterhalten wird, der zur Erhaltung
des vorgegebenen Kraftstoffflusses zum Motor dient. Sollte sich
der Druck in der Leitung 35 beispielsweise aufgrund eines
ungeforderten weiteren Schließens
des Ventils 28 erhöhen,
dann erhöht
sich der Druck in der Kammer 27 und das Element 13 hat
das Bestreben, sich hin zu seiner geöffneten Position zu bewegen.
In dem Moment, in dem jedoch eine solche Bewegung erfolgt, wird
die Kommunikation zwischen dem Kanal 43 und der Aussparung 45 unterbrochen
und somit wird der Kammer 27 kein Druck mehr von der Leitung 35 zugeführt. Der Druck
der Kammer 27 nimmt somit aufgrund der Verbindung über die
Drosseleinrichtung 41 mit dem Niederdruckablass ab und
das Element 13 kehrt wieder zu seiner geschlossenen Position
zurück,
bis die Kommunikation zwischen dem Kanal 43 und der Aussparung 45 erneut
hergestellt ist. Somit wird unabhängig von den Betriebsschwankungen
des Ventils 28 die vorgegebene Kraftstoffzufuhr zum Motor
aufrechterhalten, so dass der Motor weiter läuft und ein gewisses Maß an Schub
bereitstellt, wodurch der Pilot oder Autopilot des Flugzeuges die
Kontrolle behalten kann.
-
Sobald
eine Überdrehzahlsituation
aufgetreten ist, bleibt das Ventil 36 bis zum Rücksetzen
durch den Piloten in seinem zweiten Zustand. Wenn das Regelsystem
des Flugzeuges einen Störungszustand
erkennt, der sich auf den Betrieb des Ventils 28 auswirkt,
dann wird natürlich
jeder Versuch vom Piloten, das Ventil 36 rückzusetzen,
außer
Kraft gesetzt. Das oben beschriebene System stellt daher sicher, dass
bei einem Überdrehzahlzustand
die Kraftstoffzufuhr zum Überdrehzahlmotor
in einer kontrollierten Weise verringert wird, was einen unbeabsichtigten Flammriss
vermeidet, und dass außerdem
die Kraftstoffzufuhr auf einem gefahrenlosen niedrigen Niveau aufrechterhalten
wird, so dass der Motor, unabhängig
von den Schwankungen bezüglich
der Einstellungen des Ventils 28, weiter laufen kann.
-
Wenn
der Motor abgeschaltet werden soll, wird der Kraftstofffluss zu
den Motorbrennern absichtlich unterbrochen, und zwar durch Öffnen eines in
Strömungsrichtung
vorgeschalteten Überströmventils,
um Kraftstoff zurück
zur Versorgung zu leiten, oder/und durch Schließen eines in Strömungsrichtung
nachgeschalteten Kraftstoffabsperrventils.