DE60212774T2 - Hydraulische Ventilvorrichtung - Google Patents

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DE60212774T2
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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hydraulikventilanordnung. Die Erfindung betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, eine Ventilanordnung, die für den Einsatz beim Regeln des Stroms von Treibstoff zu den Zünddüsen eines Gasturbinentriebwerks geeignet ist.
  • In einem mehrstufigen Gasturbinentriebwerk beinhaltet die Brenneranordnung im Allgemeinen einen Satz von Pilotbrennern, die stets brennen, wenn das Triebwerk läuft, sowie einen oder mehrere Sätze von Hauptbrennern. Während der Triebwerksstartsequenz wird mit einem Satz von Zünddüsen das Zünden der Pilotbrenner eingeleitet. Die Pilotbrenner zünden die Hauptbrenner, die in Stufen je nach zunehmendem Schubbedarf gezündet werden.
  • Im Flugzeugtreibstoffsystem für ein Gasturbinentriebwerk wird Treibstoff von den Haupttreibstofftanks (gewöhnlich in den Tragflächen des Flugzeugs) mit einer ersten, elektrisch betätigten ,Hubpumpe' gepumpt. Die Hubpumpe erzeugt einen Treibstoffeingang zu einer vom Triebwerk betriebenen ,Niederdruck'-Pumpe, die wiederum eine vom Triebwerk betriebene ,Hochdruck'-Pumpe speist, gewöhnlich in Form einer Zahnradpumpe. Die Zahnradpumpe erzeugt einen Treibstoffvorrat, der auf ein relativ hohes Druckniveau gebracht wird, um das Triebwerk mit Treibstoff zu versorgen.
  • In bekannten Treibstoffzufuhrsystemen für Gasturbinentriebwerke wird ein erstes Druckregelungs- und -absperrventil (PRSOV) im Versorgungspfad zu den Pilotbrennern vorgesehen, damit der Fluss von Treibstoff zu diesen Brennern abgeschaltet werden kann. Ein zweites PRSOV ist im Versorgungsweg zu den Hauptbrennern für denselben Zweck vorgesehen. Der Strom von Treibstoff von den Zünddüsen wird vom Pilotbrenner-Versorgungsweg an einer Position oberhalb des ersten PRSOV abgegriffen und es ist ein Regelventil zum Regeln des Stroms von Treibstoff zu den Zünddüsen vorgesehen. Es ist aufgrund der Kosten- und Gewichtsnachteile nicht erwünscht, ein weiteres PRSOV im abgegriffenen Versorgungsweg zu den Zünddüsen vorzusehen.
  • Nach dem Start des Triebwerks, wenn Treibstoff in den Hauptbrennersätzen gezündet wird und das Triebwerk vollständig angelaufen ist, ist es von Vorteil, eine relativ niedrige Treibstoffströmungsrate zu den Zünddüsen aufrechtzuerhalten. Eine geringe Treibstoffströmungsrate bzw. Treibstoffdurchflussmenge zu den Zünddüsen hat eine Kühlfunktion für den Brenner und dient zum Verhüten einer Verkohlung im Brenner und in den Treibstoffzufuhrrohren, die sonst die Zünddüsen blockieren könnte. Zusätzlich ermöglicht in dem Fall, dass die Triebwerksflamme in einem der Hauptbrenner ausgeht, die permanente Zufuhr von Neuzündungstreibstoff zu den Zünddüsen ein sofortiges Neuzünden.
  • Wenn das Flugzeug am Boden und das Triebwerk abgeschaltet ist, dann ist es wichtig, dass der Strom von Treibstoff zu den Zünddüsen beendet wird. Es gibt Umstände, unter denen es wünschenswert ist, die Hubpumpe zu betätigen, wenn das Flugzeug am Boden ist, z.B. für Prüfzwecke oder wenn das Flugzeug nur für eine kurze Zeitperiode gelandet ist, und unter solchen Umständen wird ein geringer Druck-Treibstoffstrom im System aufrechterhalten. Aufgrund des Vorhandenseins des ersten und zweiten PRSOV's, die mit einer relativ hohen Federkraft in den geschlossenen Zustand vorgespannt werden, kann solcher Treibstoff nicht in die Hauptbrenner oder die Pilotbrenner auslaufen. Die Feder für das Zünddüsensteuerventil erzeugt jedoch eine geringere Vorspannkraft und das Ventil ist so konfiguriert, dass jeder geringe Treibstoffdruck im System ausreicht, um die relativ schwache Federkraft zu überwinden, so dass Treibstoff zu den Zünddüsen gelangen kann. Jedes Austreten von Treibstoff in das Triebwerk, wenn das Flugzeug gelandet und das Triebwerk gestoppt ist, ist äußerst unerwünscht, da dies zur Entstehung von Rauch im Triebwerk beim nächsten Triebwerksstart und im Extremfall zu einer Explosion führen kann. Jedes Treibstoffleck vom Triebwerk stellt auch eine Umweltgefahr dar und erhöht das Risiko eines Bodenbrands. Ferner kann, wenn das Triebwerk nach dem Abschalten noch heiß ist, ein geringer Strom von Treibstoff durch die Zünddüsen, wenn er sich oft wiederholt, zu einer Blockierung der Düsen durch Verkohlung des leckenden Treibstoffs führen.
  • Das oben erwähnte Treibstoffleckproblem kann mit Hilfe eines weiteren PRSOV's im Strömungsweg zu den Zünddüsen überwunden werden, aber diese Lösung hat Kosten- und Gewichtskomplikationen, die sie ausschließen.
  • Eine Ventilanordnung des Standes der Technik ist aus dem Dokument US 5294089 A bekannt, das ein durch Fluiddruck betätigtes Ventil und ein solenoidbetätigtes Ventil beschreibt.
  • Durch Betätigen des solenoidbetätigten Ventils mit einer Pulsbreitenmodulationsspannung öffnet das durch Druck betätigte Ventil um einen bestimmten Grad je nach der Frequenz der Modulation.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ventilanordnung bereitzustellen, mit der die oben erwähnten Nachteile überwunden werden können.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Hydraulikventilanordnung mit einem durch Fluiddruck betätigten Ventil bereitgestellt, das zwischen einer ersten Position, in der Fluidfluss durch das Ventil verhindert wird, und einer zweiten Position betätigt werden kann, in der Fluidfluss durch das Ventil mit einer ersten Geschwindigkeit ermöglicht wird, und einem zweiten Ventil, das zwischen einem offenen Zustand, in dem Treibstoff mit einer zweiten Geschwindigkeit durch das zweite Ventil fließt, und einem geschlossenen Zustand betätigt werden kann, in dem kein Fluss durch das zweite Ventil erfolgt, wobei das durch Fluiddruck betätigte Ventil so angeordnet ist, dass nach der anfänglichen Betätigung des zweiten Ventils in seinen offenen Zustand das durch den Fluiddruck betätigte Ventil veranlasst wird, sich in die zweite Position zu bewegen, und wodurch das durch den Fluiddruck betätigte Ventil nach dem nachfolgenden Schalten des zweiten Ventils zwischen dem offenen und dem geschlossenen Zustand in der zweiten Position bleibt, so dass die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Durchflussmenge von Treibstoff durch die Hydraulikventilanordnung durch Schalten des zweiten Ventils variiert werden kann.
  • Die Erfindung ist besonders vorteilhaft, wenn sie in einem Flugzeugtreibstoffsystem für ein Gasturbinentriebwerk eingesetzt wird, bei dem die Hydraulikventilanordnung zum Variieren der Treibstoffströmungsrate zu den Zünddüsen des Triebwerks zwischen der nach dem Starten des Triebwerks benötigten relativ hohen Geschwindigkeit und der niedrigen Geschwindigkeit verwendet wird, die benötigt wird, wenn die Triebwerksbrenner voll in Betrieb sind. Die Erfindung bietet auch den Vorteil, dass nach dem Landen des Flugzeugs, wenn ein Treibstoffstrom zu den Zünddüsen unerwünscht ist, sowohl das mit Fluiddruck betätigte Ventil als auch das zweite Ventil weit genug geschlossen werden können, um ein Austreten von Treibstoff zum Triebwerk zu verhindern.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung beinhaltet das durch Fluiddruck betätigte Ventil ein elastisch vorgespanntes Kolbenelement, das zwischen einer Position, in der Fluidfluss durch das durch Fluiddruck betätigte Ventil verhindert wird, und einer zweiten Position beweglich ist, in der Fluidfluss durch das durch Fluiddruck betätigte Ventil mit einer relativ beschränkten Geschwindigkeit erfolgt. Das Kolbenelement ist vorzugsweise in einer Bohrung in einem Ventilgehäuse beweglich.
  • Das mit Fluiddruck betätigte Ventil beinhaltet vorzugsweise eine erste und zweite Steuerkammer für Fluid, so dass die Position des Kolbenelementes durch Regeln des Fluiddrucks in wenigstens einer der Steuerkammern gesteuert wird.
  • Das durch Fluiddruck betätigte Ventil ist praktischerweise in einem primären Strömungsweg für Fluid angeordnet, der mit einer ersten Verengung versehen ist, durch die Fluid mit der relativ beschränkten Geschwindigkeit strömt, wenn das Ventil in seiner zweiten Position ist.
  • In einer Ausgestaltung umfasst das zweite Ventil ein Umgehungsventilelement, z.B. ein sphärisches Ventilelement, das in einen Sitz eingreifen kann, um den Fluidstrom durch einen Umgehungsströmungsweg zu regeln, so dass Fluid, wenn das Umgehungsventilelement aus seinem Sitz gehoben wird, mit einer zweiten, relativ hohen Geschwindigkeit durch den Umgehungsströmungsweg fließen kann.
  • Das durch Fluiddruck betätigte Ventil und das zweite Ventil sind vorzugsweise so angeordnet, dass nach einer anfänglichen Betätigung des zweiten Ventils in den offenen Zustand Fluid durch den Umgehungsströmungsweg in die zweite Steuerkammer fließt, so dass eine Kraft auf das Kolbenelement aufgebracht wird, um das Kolbenelement in die zweite Position zu drücken.
  • Das Ventilelement kann praktischerweise mit einem elektromagnetischen Stellglied bzw. Aktuator betätigt werden.
  • Wenn die Hydraulikventilanordnung in einem Treibstoffversorgungssystem für ein Triebwerk angewendet wird, dann lässt die Hydraulikventilanordnung, wenn sich das durch Fluiddruck betätigte Ventil nach der Betätigung des zweiten Ventils in seine zweite Position bewegt hat, eine Variation der Treibstoffströmungsgeschwindigkeit einfach durch Schalten des zweiten Ventils zwischen seinem offenen und seinem geschlossenen Zustand zu. Die Hydraulikventilanordnung ist so konfiguriert, dass bei einem nachfolgenden Umschalten des zweiten Ventils das durch Fluiddruck betätigte Ventil in seiner zweiten Position gerastet bleibt (d.h. ein gerasteter offener Zustand). So kann beim Gebrauch nach dem völligen Start des Triebwerks, wenn nur ein relativ langsamer Treibstoffkühlstrom zu den Zünddüsen benötigt wird, die Strömungsgeschwindigkeit durch Bewegen des zweiten Ventils in seinen geschlossenen Zustand umgeschaltet werden, und in diesem Fall kann Treibstoff nur mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit zu den Zünddüsen strömen. Im Falle des Erlöschens des Triebwerks (Flame-out), so dass eine höhere Treibstoffströmungsgeschwindigkeit zu den Zünddüsen benötigt wird, um die Brenner neu zu zünden, kann dies fast augenblicklich durch Umschalten des zweiten Ventils in seinen offenen Zustand geschehen, so dass Treibstoff die Verengung im primären/Zünddüsen-Strömungsweg umgehen kann, indem er durch den relativ ungedrosselten Umgebungsströmungsweg strömt.
  • Nach dem Abschalten des Triebwerks führt eine Reduzierung des Treibstoffdrucks im primären Versorgungsweg, wenn die Versorgungssystempumpen deaktiviert sind, zu einem Entrasten des durch Fluiddruck betätigten Ventils (d.h. Bewegen in seine erste Position), um den Strom von Treibstoff durch den primären Strömungsweg zu beenden. Wenn das zweite Ventil in seinen geschlossenen Zustand geschaltet wird, dann wird auch der Strom durch den Umgehungsströmungsweg beendet. Wenn beide Ventile geschlossen sind, wird ein Austreten von Treibstoff zum Triebwerk vermieden.
  • Die erste Steuerkammer des durch Fluiddruck betätigten Ventils wird geeigneterweise mit Treibstoff unter niedrigem Druck aus einem Niederdrucktreibstoffreservoir gespeist, wobei der durch Treibstoff in der ersten Steuerkammer erzeugte Treibstoffdruck in Kombination mit einer Federkraft wirkt, um das Kolbenelement in Richtung auf die erste Position zu drängen.
  • Es ist wichtig, dass die Strömungskapazität der Zünddüsen, oder eine Drosselung des Treibstoffstroms unterhalb der Verbindungsstelle zwischen dem primären und dem Umgehungsströmungsweg geringer ist als die Strömungskapazität durch das zweite Ventil. Auf diese Weise bewirkt Treibstoffdruck in der Verbindung mit den Zünddüsen, dass Treibstoff nach der Betätigung des zweiten Ventils über den Umgehungsströmungsweg in die zweite Steuerkammer strömt. Dies gewährleistet, dass das Kolbenelement von seiner ersten Position weg in seine zweite Position gedrängt wird und beim nachfolgenden Umschalten des zweiten Ventils in seiner zweiten Position ,gerastet' bleibt.
  • Die Erfindung wird nun, jedoch nur beispielhaft, mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
  • 1 ein Blockdiagramm eines Treibstoffzufuhrsystems für ein Gasturbinentriebwerk, das die Hydraulikventilanordnung der vorliegenden Erfindung umfasst;
  • 2 eine Ansicht der Hydraulikventilanordnung, die Teil des Treibstoffzufuhrsystems in 1 im geschlossenen Zustand bildet, und
  • 3 eine Ansicht eines Teils der Hydraulikventilanordnung in 2 in einem gerasteten offenen Zustand.
  • Gemäß 1 wird ein Treibstoffsystem für ein Gasturbinentriebwerk, das einen ersten und einen zweiten Satz 10, 12 Haupttriebwerksbrenner und einen Satz 14 Zünddüsen umfasst, mit Treibstoff aus einem Treibstofftank 16 gespeist. In einem Flugzeugtreibstoffsystem befindet sich der Treibstofftank 16 gewöhnlich in den Tragflächen des Flugzeugs, und Treibstoff wird mit einer elektrischen Hubpumpe 18 vom Treibstofftank 16 zu einer vom Triebwerk angetriebenen ersten Niederdruckpumpe 20 gepumpt. Die Niederdrucktreibstoffpumpe 20 fördert einen Strom von Treibstoff zu einer Hochdrucktreibstoffpumpe 22, typischerweise in Form einer Zahnradpumpe, um Treibstoff auf den relativ hohen Druck zu bringen, der zum Speisen des Triebwerks und zum Antreiben hydraulisch betätigter Triebwerkskomponenten nötig ist. Ein Druckabfall-Überströmventil 24 ist an der Hochdrucktreibstoffpumpe 22 angeordnet, um zu gewährleisten, dass das Druckdifferential über die Pumpe 22 beim Gebrauch auf einem im Wesentlichen konstanten Niveau gehalten wird. Die Strömungsgeschwindigkeit von Treibstoff zu den Haupttriebwerksbrennern 10, 12 und zu den Zünddüsen 14 wird mit einer Dosierventilanordnung 26 geregelt. Durch die Dosierventilanordnung 26 strömender Treibstoff wird zu einem Haupttreibstoffversorgungsweg 28 geführt, durch den Treibstoff zu den Haupttriebwerksbrennersätzen 10, 12 geführt wird. Typischerweise kann einer der Brennersätze 10, 12 ein Satz von Pilotbrennern sein, der beim Starten des Triebwerks gezündet und zum Zünden von einem oder mehreren weiteren Sätzen der Haupttriebwerksbrenner verwendet wird. Man wird verstehen, dass die Zahl der Haupttriebwerksbrenner 10, 12 größer als die in 1 gezeigten zwei Sätze sein kann.
  • Ein Druckregelungs- und -absperrventil (PRSOV) 32 ist im Hauptversorgungsweg 28 zu den Haupttriebwerksbrennern 10, 12 angeordnet. Das Druckregelungs- und -absperrventil 32 hat typischerweise einen federnd vorgespannten Kolben (nicht dargestellt), der hydraulisch zwischen einer offenen Position, in der er aus einem Sitz abgehoben ist, so dass Treibstoff durch den Hauptströmungsweg 28 zu den Haupttriebwerksbrennern 10, 12 fließen kann, und einer geschlossenen Position betätigt werden kann, in der sich der Kolben in seinem Sitz befindet und der Strom von Treibstoff zu den Haupttriebwerksbrennern 10, 12 verhindert wird. Der Aufbau eines herkömmlichen PRSOV 32 ist derart, dass, wenn sich das Ventil in seiner geschlossenen Position befindet, kein Treibstoff durch den Hauptversorgungsweg 28 zu den Triebwerksbrennern 10, 12 austritt, da selbst dann, wenn der Treibstoff unter geringem Druck steht, Niederdrucktreibstoff auf beiden Seiten des PRSOV-Kolbens vorhanden ist und die Federkraft des PRSOV daher groß genug ist, damit der Kolben in seinem Sitz bleibt.
  • Zusätzlich zum Zuführen eines dosierten Treibstoffstroms zu den Haupttriebwerksbrennern 10, 12 wird der Strom vom Hauptversorgungsweg 28 an einer Position oberhalb des PRSOV abgegriffen und durch einen primären Strömungsweg 30 zu den Zünddüsen 14 geleitet. Der primäre Versorgungsweg 30 ist mit einer Hydraulikventilanordnung 34 versehen, wie in den 2 und 3 ausführlicher dargestellt ist, um die Treibstoffströmungsgeschwindigkeit zu den Zünddüsen 14 zu regeln.
  • Die Hydraulikventilanordnung 34 beinhaltet ein erstes Ventil, allgemein mit 36 bezeichnet, in Form eines durch Fluiddruck betätigten Ventils mit einem Kolbenelement 38, das jeweils Treibstoffdruck in der ersten und der zweiten Steuerkammer 41, 43 ausgesetzt ist (wie in 3 gezeigt). Das Kolbenelement 38 wird, teils mit einer in der ersten Steuerkammer 41 angeordneten Feder 40 und teils mit einem geringen Treibstoffdruck in der ersten Steuerkammer 41, in eine geschlossene Position vorgespannt, in der der Treibstoffstrom durch das durch Fluiddruck betätigte Ventil 36 verhindert wird. Das durch Fluiddruck betätigte Ventil 36 in 2 ist in diesem geschlossenen Zustand dargestellt. Das Kolbenelement 38 ist in einer Bohrung 39 beweglich, die in einem Ventilgehäuse 42 zum Öffnen und Schließen der Verbindung zwischen einer ersten Einlassöffnung 46 im Ventilgehäuse 42 und der zweiten Steuerkammer 43 vorgesehen ist, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird.
  • Beim Gebrauch wird, wenn das Kolbenelement 38 aus seiner geschlossenen Position in eine offene Position bewegt wird (wie in 3 gezeigt), eine Endfläche 38a des Kolbenelements 38 Fluiddruck in der zweiten Steuerkammer 43 ausgesetzt. Die zweite Steuerkammer 43 ist mit einer Auslasskammer 44 in Verbindung, die in dem Ventilgehäuse 42 definiert ist und die mit einem Zünddüsenversorgungsweg 50 unterhalb des Ventils 36 durch eine Verengung 52 im Ventilgehäuse 42 in Verbindung ist. Die erste Einlassöffnung 46 ist mit dem primären Versorgungsweg 30 oberhalb des Ventils 36 in Verbindung, so dass Hochdrucktreibstoff von der Dosierventilanordnung 26 zur ersten Einlassöffnung 46 gefördert wird. Eine Bewegung des Kolbenelementes 38 in seinen offenen Zustand wird durch Erhöhen des Treibstoffdrucks in der Auslasskammer 44, einen Treibstoffstrom durch die Auslasskammer 44 in die zweite Steuerkammer 43 und durch Beaufschlagen der Endfläche 38a des Kolbenelementes mit einer Kraft eingeleitet, um die Federkraft und die Kraft des Treibstoffdrucks in der ersten Steuerkammer 41 zu überwinden, so dass eine Bewegung des Kolbenelementes 38 bewirkt wird. Wenn der Kolben 38 in den offenen Zustand wie in 3 gezeigt bewegt wird, dann kann Treibstoff durch das durch Fluiddruck betätigte Ventil 36 mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit fließen, die durch die Größe der Verengung 52 bestimmt wird.
  • Das Ventilgehäuse 42 ist auch mit einer zweiten Einlassöffnung 48 versehen, die Treibstoff aus einem Niederdrucktreibstoffreservoir wie z.B. der Treibstofftankhubpumpe 18 erhält, wobei die Kraft des Treibstoffdrucks in der zweiten Steuerkammer das Kolbenelement 38 in der in 3 gezeigten Position (ein offener Zustand) hält, so dass Treibstoffdruck in der zweiten Steuerkammer 43 ausreicht, um die kombinierte Kraft des Treibstoffdrucks in der ersten Steuerkammer 41 und der darin angeordneten Feder 40 zu überwinden.
  • Wenn Treibstoffdruck in der zweiten Steuerkammer 43 reduziert wird, dann drückt die Wirkung der Feder 40 in Kombination mit Treibstoffdruck in der Kammer 41 das Kolbenelement 38 in eine geschlossene Position (einen geschlossenen Zustand), in der zur ersten Einlassöffnung 46 geförderter Hochdrucktreibstoff nicht in die Auslasskammer 44 strömen kann, so dass kein Strom durch das Ventil 36 zu den Zünddüsen 14 stattfindet.
  • Die Hydraulikventilanordnung 34 beinhaltet auch ein zweites Ventil, allgemein mit 54 bezeichnet, das ein Umgehungsventilelement 56 in Form eines sphärischen oder Kugelventils umfasst, das mit einem Sitz zum Regeln des Treibstoffstroms durch einen Umgehungsströmungsweg 58 in Eingriff gebracht werden kann. Das Ventilelement 56 wird durch die Kraft einer zweiten Feder 60, die auf einen mit dem Ventilelement 56 gekoppelten Anker 62 wirkt, in den Eingriff mit seinem Sitz gedrängt. Die Bewegung des Ventilelementes 56 wird mit einem elektromagnetischen Stellglied 64 gesteuert. Wenn eine Wicklung 61 des Stellgliedes 64 bestromt wird, dann wird der Anker 62 in 2 nach rechts gegen die Kraft der zweiten Feder 60 gedrängt, so dass das Ventilelement 56 aus seinem Sitz weg bewegt wird, und in dieser Position kann Treibstoff durch den Umgehungsströmungsweg 58 mit einer relativ unbeschränkten Geschwindigkeit fließen. Wenn die elektromagnetische Wicklung 61 stromlos gestellt wird, dann wird der Anker 62 durch die Federkraft in 2 nach links gedrängt und das Ventilelement 56 wird in seinen Sitz gedrückt, um einen Strom von Treibstoff durch den Umgehungsströmungsweg 58 zu verhindern.
  • Beim Gebrauch ist es nötig, wenn die Haupttriebwerksbrenner vor dem Abheben des Flugzeugs gezündet werden sollen, den Zünddüsen 14 Treibstoff zuzuführen. Wenn die Pumpen 18, 20 und 22 in Betrieb und beide Ventile 36, 54 anfangs geschlossen sind, wird die Wicklung des elektromagnetischen Stellglieds 64 bestromt, um das Ventilelement 56 aus seinem Sitz zu bewegen. durch den primären Versorgungsweg 30 strömender Treibstoff, der mit der Hochdruckpumpe 22 auf einen hohen Druck gebracht wird, kann daher durch den Umgehungsströmungsweg 58 und somit in den Zünddüsenversorgungsweg 50 fließen. Die Zünddüsen 14 drosseln den Treibstoffstrom im Zünddüsenversorgungsweg 50 stärker als die Verengung 52 in Verbindung mit dem durch Fluiddruck betätigten Ventil 36. So strömt Treibstoff durch den Umgehungsströmungsweg 58 in die Auslasskammer 44 des durch Fluiddruck betätigten Ventils 36 durch die Verengung 52, was zu einem Anstieg des Treibstoffdrucks in der Auslasskammer 44 führt. Wenn der Treibstoffdruck in der Auslasskammer 44 über einen vorbestimmten Wert hinaus ansteigt, wird das Kolbenelement 38 aus seiner geschlossenen Position gegen die Kraft der Feder 40 und des Niederdrucktreibstoffs in der Kammer 41 in seinen in 3 gezeigten offenen Zustand gedrückt, so dass die Verbindung zwischen der ersten Einlassöffnung 46 und der zweiten Steuerkammer 43 geöffnet wird. So kann ein sehr geringes Volumen an zur ersten Einlassöffnung 46 geführtem Hochdrucktreibstoff in die zweite Steuerkammer und somit in die Auslasskammer 44 durch die Verengung 52 und zu den stromabwärtigen Zünddüsen 14 strömen. Da jedoch auch das zweite Ventil 54 offen ist, strömt Treibstoff durch das zweite Ventil 54 mit einer relativ hohen Geschwindigkeit, wobei die Geschwindigkeit des zu den Zünddüsen 14 geführten Treibstoffs daher relativ hoch ist, um das Starten der Haupttriebwerksbrenner 10, 12 einzuleiten.
  • Wenn die Haupttriebwerksbrenner 10, 12 voll gezündet sind und keine relativ hohe Treibstoffströmungsgeschwindigkeit zu den Zünddüsen 14 mehr benötigt wird, dann wird die Wicklung 61 des elektromagnetischen Stellglieds 64 stromlos gestellt, so dass das Ventil 56 mit der Feder 60 in den Eingriff mit seinem Sitz gedrängt wird. Unter diesen Umständen wird die Treibstoffströmungsgeschwindigkeit in den Zünddüsenversorgungsweg 50 beim Schließen des Umgehungsströmungswegs 58 reduziert. Man wird verstehen, dass nach dem anfänglichen Öffnen des durch Fluiddruck betätigten Ventils 36 zum Bewegen des Kolbenelementes 38 in eine Position, in der die erste Einlassöffnung 46 mit der Auslasskammer 44 in Verbindung ist, der auf die Endfläche 38a des Kolbenelementes 38 wirkende Treibstoffdruck in der zweiten Steuerkammer 43 ausreicht, um das durch Fluiddruck betätigte Ventil 36 in seiner offenen Position zu halten (wie in 3 gezeigt). Wenn also das zweite Ventil 54 geschlossen ist, um den Strom von Treibstoff durch den Umgehungsströmungsweg 58 zu unterbrechen, dann wird eine relativ niedrige Treibstoffströmungsgeschwindigkeit zu den Zünddüsen 14 aufrechterhalten. Dies bietet den Vorteil, dass nach dem Start des Triebwerks, wenn die Haupttriebwerksbrenner 10, 12 gezündet sind und keine hohe Treibstoffströmungsgeschwindigkeit zu den Zünddüsen 14 mehr benötigt wird, eine relativ niedrige Treibstoffströmungsgeschwindigkeit zu den Zünddüsen 14 für Kühlzwecke aufrechterhalten werden kann. Der Treibstoffkühlfluss zu den Zünddüsen 14 mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit dient zum Verhindern von Verkohlung in den Brennern und den zugehörigen Versorgungsrohren, die sonst zu einer Verstopfung der Düsen führen könnte.
  • Ein weiterer Vorteil entsteht dann, wenn es in einem der Haupttriebwerke 10, 12 zum Erlöschen der Flamme (,Flame-out') kommt und die Brenner während des Betriebs des Triebwerks neu gezündet werden müssen. Dann kann das zweite Ventil 54 durch Bestromen der Stellgliedwicklung 61 in seinen offenen Zustand geschaltet werden, so dass Treibstoff mit einer höheren Geschwindigkeit durch den Umgehungsströmungsweg 58 fließen kann. So wird die hohe Treibstoffströmungsgeschwindigkeit zu den Zünddüsen 14 erzielt, die für eine Triebwerksneuzündung erforderlich ist.
  • Man wird verstehen, dass nach dem Bewegen des durch Fluiddruck betätigten Ventils 36 in seinen offenen Zustand, in dem das Kolbenelement 38 in eine offene Position gedrängt wird (wie in 3 gezeigt), um eine Verbindung zwischen der ersten Einlassöffnung 46 und der Auslasskammer 44 zu ermöglichen, das Ventil 36 in einem ,offen gerasteten' Zustand ist und ein nachfolgendes Umschalten des zweiten Ventils 54 zwischen seiner offenen und seiner geschlossenen Position keinen Einfluss auf das Ventil 36 hat.
  • Wenn das Flugzeug gelandet ist und kein weiterer Strom von Treibstoff zu den Zünddüsen 14 gewünscht wird, dann werden die Nieder- und die Hochdruckpumpe 20, 22 jeweils deaktiviert, so dass der Druck des in den primären Versorgungsweg 30 strömenden Treibstoffs reduziert wird. Während der zum primären Versorgungsweg 30 geförderte Treibstoffdruck reduziert wird, wird der Treibstoffdruck in der zweiten Steuerkammer 43 reduziert, so dass die Kraft der Feder 40, die in Kombination mit der Kraft des Niederdrucktreibstoffs in der ersten Steuerkammer 41 wirkt, ausreicht, um das Kolbenelement 38 wie in 2 gezeigt in seine geschlossene Position zu drängen. Wenn das Kolbenelement 38 in seine geschlossene Position bewegt wird, dann kann kein Treibstoff durch die erste Einlassöffnung 46 in die Auslasskammer 44 fließen. Wenn also die Wicklung 61 des elektromagnetischen Stellglieds 64 stromlos gestellt wird, so dass das Ventilelement 56 in seinem Sitz ist, dann kann kein Treibstoff durch das durch Fluiddruck betätigte Ventil 36 und durch das zweite Ventil 54 fließen. So wird jedes Austreten von Treibstoff zu den Zünddüsen 14 verhütet.
  • Man wird verstehen, dass selbst in Umständen, in denen die Hubpumpe 18 nach dem Landen des Flugzeugs weiter betrieben wird, die Hydraulikventilanordnung 34 sicherstellt, dass kein Treibstoff zu den Zünddüsen 14 gelangen kann. Es kann häufig wünschenswert sein, die Hubpumpe nach dem Landen des Flugzeugs weiter zu betreiben. So wird beispielsweise die Hubpumpe 18 möglicherweise für Wartungs- oder Prüfzwecke benötigt, oder es kann wünschenswert sein, einen Teil der elektrischen Lasten des Flugzeugs weiter aktiv zu halten, wenn sich das Flugzeug nur für eine relativ kurze Zeitperiode am Boden befindet. Darüber hinaus kann das Zusatzleistungsaggregat (APU) des Flugzeugs, das zum Speisen des Flugzeugs mit Leistung verwendet wird, wenn es sich am Boden befindet, mit Treibstoff von der Hubpumpe 18 versorgt werden.
  • Die vorliegende Erfindung bietet daher mehrere Vorteile gegenüber bekannten Treibstoffzufuhrsystemen für Gasturbinentriebwerke. Die Vorteile entstehen durch die Rastfunktion des durch Fluiddruck betätigten Ventils 36, da diese ein Variieren der Treibstoffströmungsgeschwindigkeit zwischen einem ersten, relativ hohen Niveau zum Einleiten des Zündens der Brenner und einem zweiten, relativ niedrigen Niveau nach dem Zünden der Brenner einfach durch Umschalten des zweiten Ventils 54 zulässt. Die Hydraulikventilanordnung gewährleistet auch, dass jede Leckströmung zu den Zünddüsen 14 nach dem Landen des Flugzeugs verhindert wird.
  • Die Hydraulikventilanordnung der vorliegenden Erfindung wurde zwar in Bezug auf ein Treibstoffsystem für ein Gasturbinentriebwerk beschrieben, aber man wird verstehen, dass das Ventil 34 auch in anderen Anwendungen eingesetzt werden kann, in denen zwischen einer ersten und einer zweiten Fluidströmungsgeschwindigkeit durch einen Strömungsweg umgeschaltet werden soll, während gewährleistet wird, dass ein Strom insgesamt verhindert wird, wenn sich das Ventil in einem ungerasteten Zustand befindet. Man wird ferner verstehen, dass das zweite Ventil 54 nicht die Form eines elektromagnetisch betätigten Ventils zu haben braucht, sondern durch alternative Mittel betätigt werden kann. Darüber hinaus kann das sphärische Ventilelement 56 durch verschiedene andere Ventilelementtypen ersetzt werden, die mit entsprechend geformten Sitzen in Eingriff gebracht werden können, um die Strömung von Treibstoff durch den Umgehungsströmungsweg 58 zu regeln.
  • Es ist zu bemerken, dass, um zu gewährleisten, dass das durch Fluiddruck betätigte Ventil 36 in der offenen, eingerasteten Position gehalten wird, wenn das zweite Ventil 54 zwischen seinem offenen und seinem geschlossenen Zustand geschaltet wird, die durch die Verengung 52 bewirkte Drosselung der Treibstoffströmung durch den Zünddüsenversorgungspfad 50 so bemessen werden muss, dass gewährleistet wird, dass der Druck in der zweiten Steuerkammer 43 hoch genug ist, um eine ausreichend hohe Kraft auf die Endfläche 38a des Kolbenelementes 38 zu halten, um der kombinierten Kraft der Feder 40 und des Niederdrucktreibstoffs in der ersten Steuerkammer 41 standzuhalten. Dies dient dazu, das Kolbenelement 38 in einer offenen Position zu halten, und gewährleistet, dass wenigstens eine relativ niedrige Treibstoffströmungsgeschwindigkeit durch den primären Versorgungspfad 30 zum Zünddüsenversorgungspfad 50 aufrechterhalten wird, bis die Zufuhr von Hochdrucktreibstoff zum Ventil 34 weggenommen wird.

Claims (9)

  1. Hydraulikventilanordnung (34) mit einem ersten, durch Fluiddruck betätigten Ventil (36), das einen Einlass und einen Auslass hat und durch Fluiddruck an seinem Auslass zwischen einer ersten Position, in der Fluidfluss durch das durch Fluiddruck betätigte Ventil (36) verhindert wird, und einer zweiten Position betätigt werden kann, in der Fluidfluss durch das durch Fluiddruck betätigte Ventil (36) vom Einlass zum Auslass mit einer ersten Geschwindigkeit ermöglicht wird, und einem zweiten Ventil (54), das einen Einlass und einen Auslass (58) hat und zwischen einem offenen Zustand, in dem Fluid mit einer zweiten Geschwindigkeit vom Einlass zum Auslass durch das zweite Ventil (54) fließt, und einem geschlossenen Zustand betätigt werden kann, in dem kein Fluss durch das zweite Ventil (54) erfolgt, und einer Ausgangsleitung (50) zum Zuführen von Fluid von der Ventilanordnung zu einem Fluidverbraucher, wobei die Auslässe der ersten und zweiten Ventile (36, 54) mit der Ausgangsleitung (50) verbunden sind, so dass die Ausgangsleitung (50) Fluid vom zweiten Ventil (54) empfängt, wenn das zweite Ventil (54) in seinen offenen Zustand bewegt wird, und Fluiddruck in der Ausgangsleitung (50) bewirkt, dass sich das erste durch Fluiddruck betätigte Ventil (36) in die zweite Position bewegt, und so dass das durch Fluiddruck betätigte Ventil (36) in der zweiten Position bleibt nach dem nachfolgenden Schalten des zweiten Ventils (54) in seinen geschlossenen Zustand, so dass die Durchflussmenge von Fluid durch die Hydraulikventilanordnung (34) durch Beendigen des Flusses durch das zweite Ventil (54) variiert werden kann, so dass ein Fluss von Fluid zur Ausgangsleitung über das offene erste Ventil (36) verbleibt.
  2. Anordnung zum Regeln der Kraftstoffzufuhr zu einem Gasturbinenmotor, mit einer nach Anspruch 1 eingebauten Hydraulikventilanordnung.
  3. Hydraulikventilanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das durch Fluiddruck betätigte Ventil (36) ein elastisch vorgespanntes Kolbenelement (38) beinhaltet, das zwischen einer ersten Position, in der Fluidfluss durch das durch Fluiddruck betätigte Ventil (36) verhindert wird, und einer zweiten Position beweglich ist, in der Fluidfluss durch das durch Fluiddruck betätigte Ventil (36) mit einer relativ beschränkten Geschwindigkeit erfolgt.
  4. Hydraulikventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das durch Fluiddruck betätigte Ventil (36) eine erste und eine zweite Steuerkammer (41, 43) für Fluid beinhaltet, so dass die Position des Kolbenelementes (38) durch Regeln des Fluiddrucks in wenigstens einer der Steuerkammern gesteuert wird.
  5. Hydraulikventilanordnung nach Anspruch 4, wobei das durch Fluiddruck betätigte Ventil (36) in einem primären Strömungsweg (30, 50) für Fluid angeordnet ist, wobei der primäre Strömungsweg mit einer ersten Verengung (52) versehen ist, durch die Fluid mit der relativ beschränkten Geschwindigkeit strömt, wenn das Ventil (36) in seiner zweiten Position ist.
  6. Hydraulikventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das zweite Ventil (54) ein Umgehungsventilelement (56) umfasst, das in einen Sitz eingreifen kann, um den Fluidstrom durch einen Umgehungsströmungsweg (58) zu regeln, so dass Fluid, wenn das Umgehungsventilelement (56) aus einem Sitz gehoben wird, mit einer relativ hohen Geschwindigkeit durch den Umgehungsströmungsweg (58) fließt.
  7. Hydraulikventilanordnung nach Anspruch 6, wobei das durch Fluiddruck betätigte Ventil (36) und das zweite Ventil (54) so angeordnet sind, dass Fluid nach einer anfänglichen Betätigung des zweiten Ventils (54) in den offenen Zustand durch den Umgehungsströmungsweg (58) in die zweite Steuerkammer (43) fließt, so dass eine Kraft auf das Kolbenelement (38) aufgebracht wird, um das Kolbenelement in die zweite Position zu drücken.
  8. Hydraulikventilanordnung nach Anspruch 7, wobei das Umgehungsventilelement (56) mit einem elektromagnetischen Aktuator (64) betätigt werden kann.
  9. Hydraulikventilanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die erste Steuerkammer (41) des durch Fluiddruck betätigten Ventils (36) so angeordnet ist, dass sie Fluid mit einem niedrigen Druck von einem Niederdruckreservoir empfängt, wobei der Druck von Fluid in der ersten Steuerkammer (41) in Kombination mit einer Federkraft wirkt, um das Kolbenelement in Richtung auf die erste Position zu drücken.
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