DE60220625T2

DE60220625T2 - Verbesserungen an Turbomaschineninjektoren

Info

Publication number: DE60220625T2
Application number: DE60220625T
Authority: DE
Inventors: Marion Michau; Jose Rodrigues; Alain Tiepel
Original assignee: Hispano Suiza SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2022-11-20
Also published as: US20030093998A1; US6758043B2; FR2832492A1; RU2293920C2; EP1312863B1; FR2832492B1; EP1312863A1; ES2287230T3; DE60220625D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen an Kraftstoffinjektoren für den Motor einer Turbomaschine. Sie betrifft insbesondere die Regelung der in eine Turbomaschinenbrennkammer eingespritzten Kraftstoffmenge.
Bekannterweise umfaßt ein Motor einer Turbomaschine mehrere Injektoren, die ermöglichen, die Brennkammer während des Starts und des Normalbetriebs des Motors der Turbomaschine mit Kraftstoff und Luft zu versorgen. Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Injektoren, nämlich die sogenannten „aeromechanischen" Injektoren, die für zwei Kraftstoffmengen (primäre und sekundäre) entsprechend den Betriebsphasen des Motors (Zünden, von schwache auf volle Leistung) ausgelegt sind, und die sogenannten „aerodynamischen" Injektoren, die nur einen einzigen Kraftstoffkreis für alle Betriebsphasen aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Injektoren, die zu dieser ersten Kategorie gehören.
Das Dokument US-A1-4 491 272 beschreibt einen aeromechanischen Kraftstoffinjektor für den Motor einer Turbomaschine, der zwei Kraftstoffversorgungskreise umfaßt, nämlich einen primären Kreis, der den geringen Mengen entspricht (der beispielsweise für eine Zündphase und eine Betriebsphase des Motors mit geringer Leistung bestimmt ist) sowie einen sekundären Kreis, der für die mittleren und großen Mengen zum Einsatz kommt (der beispielsweise für die Phasen des späteren Betriebs bis zur vollen Leistung bestimmt ist).
Diese Art von Injektor umfaßt vor allem ein Absperrventil, das dazu bestimmt ist, sich für einen ersten vorbestimmten Kraftstoffversorgungsdruck zu öffnen und jenseits dieses Druckes geöffnet zu bleiben, um den primären Kraftstoffkreis zu versorgen. Auf der anderen Seite ermöglicht ein Dosierventil, das angeordnet ist, um sich unter einem zweiten vorbestimmten Versorgungsdruck, der über dem ersten vorbestimmten Druck liegt, zu öffnen und um als Reaktion auf eine Erhöhung dieses Druckes geöffnet zu bleiben, die Kraftstoffversorgungsmenge des sekundären Kreises zu liefern. Die Regelung dieser sekundären Menge erfolgt über Dosierschlitze, die im Bereich eines Tellers des Ventils vorgesehen sind und deren Durchlaßquerschnitte in Abhängigkeit des angelegten Versorgungsdruckes variieren, d.h. je größer dieser Druck ist, um so größer sind die Durchlaßquerschnitte der Schlitze.
In der Praxis stellt man fest, daß in einer Brennkammer, die über mehrere Injektoren wie demjenigen, welcher oben beschrieben ist, mit Kraftstoff versorgt wird, in der Phase, die den Durchschnittsmengen entspricht, eine Mengenheterogenität vorliegt, wenn diese Injektoren einem gleichen Versorgungsdruck ausgesetzt sind. Diese Heterogenität ist hauptsächlich auf die Fertigungsabweichungen zwischen ihren jeweiligen Dosierventilen zurückzuführen und kann bis zu 10% erreichen. Die Fertigungs- oder Bearbeitungstoleranzen der Dosierventile und ihrer Dosierschlitze führen dazu, daß die Kraftstoffdurchschnittsmengen nicht für alle Injektoren eines gegebenen Motors gleich sein können. 3 verdeutlicht die Mengenabweichungen ΔD₁ und ΔD₂, die im Bereich von zwei verschiedenen Injektoren 100, 102 einer gleichen Brennkammer im Vergleich zu einer berechneten theoretischen Menge 104 auftreten können. Hieraus ergibt sich eine Heterogenität im Bereich der Durchschnittsmengen zwischen Injektoren, die für das richtige Funktionieren des Motors der Turbomaschine von Nachteil ist.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Ziel der vorliegenden Erfindung liegt folglich darin, derartige Nachteile dadurch zu beheben, daß sie einen Kraftstoffinjektor vorschlägt, der ermöglicht, die Mengenheterogenität zwischen Injektoren zu verringern. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Injektor vorzuschlagen, der ermöglicht, die Ausführung zu vereinfachen und die Leistungen der Regelung der durchschnittlichen Kraftstoffmengen zu verbessern.
Zu diesem Zweck ist ein Kraftstoffinjektor für den Motor einer Turbomaschine vorgesehen, umfassend einen Injektorkörper mit Mitteln für die Zufuhr von unter Druck stehendem Kraftstoff, einem ersten Ventil, das stromabwärts der Mittel für die Zufuhr von unter Druck stehendem Kraftstoff angebracht und angeordnet ist, um sich als Reaktion auf einen vorbestimmten Kraftstoffdruck, der einen ersten Schwellendruck definiert, zu öffnen, um Kraftstoff in den Injektorkörper einzulassen, einem zweiten Ventil, das stromabwärts des ersten Ventils angeordnet ist und das sich als Reaktion auf einen über dem ersten Schwellendruck liegenden zweiten Kraftstoffschwellendruck öffnen kann, um wenigstens einen Teil des in den Injektorkörper eingelassenen Kraftstoffs in Richtung von Mitteln zur Verwendung dieses Kraftstoffs zu dosieren, wobei die in Richtung der Verwendungsmittel dosierte Kraftstoffmenge von Durchlaßquerschnitten, die im Bereich des zweiten Ventils ausgebildet sind, abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine Drossel umfaßt, die zwischen den Mitteln für die Zufuhr von unter Druck stehendem Kraftstoff und dem ersten Ventil angeordnet ist, um die in den Injektorkörper eingelassene Kraftstoffmenge auf einen bestimmten Wert festzulegen.
Die in den Injektorkörper eingelassene Kraftstoffmenge ist vor allem von der Drossel abhängig. Sie wird auf einen bestimmten Wert dadurch festgelegt, daß eine Öffnung der Drossel in Abhängigkeit der jedem Injektor einer gleichen Brennkammer eigenen technischen Merkmale gewählt wird. Genauer gesagt wird eine Drossel für jeden Injektor in Abhängigkeit seiner Mengenabweichungen gegenüber einer berechneten Durchschnittsmenge gewählt. So ist jeder Injektor einer gleichen Brennkammer mit einer Drossel versehen, die von einem Injektor zum anderen variieren kann. Auf diese Weise wird jedwedes Risiko von Mengenabweichungen zwischen den verschiedenen Injektoren beseitigt. Ferner ist die Drossel leicht auszuwechseln, da hierfür nicht der Ausbau der zwei Ventile erforderlich ist.
Vorteilhafterweise umfaßt der Injektor außerdem Regelungsmittel, um einen über dem zweiten Schwellendruck liegenden dritten Kraftstoffschwellendruck zu definieren, ab dem die in Richtung der Verwendungsmittel dosierte Kraftstoffmenge lediglich vom Kraftstoffversorgungsdruck abhängig ist.
Die Regelungsmittel zum Definieren eines dritten Kraftstoffschwellendrucks umfassen vorteilhafterweise einen Anschlag, um den Weg des zweiten Kraftstoffdosierventils zu begrenzen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen hervorgehen, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ohne jeden einschränkenden Charakter darstellen. In den Figuren zeigen:
1 eine Längsschnittansicht eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors einer Turbomaschine;
2 eine Kurve, welche ein Beispiel für die Regelung der Einspritzmenge bei einer Turbomaschine unter Verwendung des Injektors der 1 veranschaulicht; und
3 eine Grafik, welche ein Beispiel für Abweichungen bei der Regelung der Einspritzmenge bei einer Turbomaschine des Standes der Technik zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNGSFORM
Es wird auf 1 Bezug genommen, die einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor für den Motor einer Turbomaschine im Längsschnitt darstellt.
Dieser Injektor ist vom aeromechanischen Typ, d.h. daß er dafür ausgelegt ist, zwei Kraftstoffmengen zu liefern, nämlich eine primäre Menge während einer Startphase der mit diesem Injektor ausgestatteten Turbomaschine und während einer Betriebsphase mit geringer Leistung, sowie eine sekundäre Menge für die Phasen des späteren Betriebs und bis zur vollen Leistung.
Erfindungsgemäß umfaßt der Kraftstoffinjektor 2 in einem Injektorkörper 4 eine Kraftstoffeinlaßöffnung 6, welche dazu bestimmt ist, den aus einer (nicht dargestellten) geeigneten Pumpe stammenden unter Druck stehen Kraftstoff aufzunehmen, der in eine Voreinlaßkammer 8a mündet, nachdem er Filtermittel 9 vom Typ Filtersieb durchlaufen hat. Ein Dichtungsventil 10, das zu bestimmt ist, die Dichtigkeit des Injektors bei Stillstand sicherzustellen, ist in einer Einlaßkammer 8b angebracht, die in Strömungsrichtung des Kraftstoffs stromabwärts der Voreinlaßkammer 8a angeordnet ist. Es ist herkömmlicherweise von einem Ventilteller 12 und einem Ventilschaft 14 gebildet und wird mittels eines einen Ventilhalter bildenden rohrförmigen Mittelteils 16 in Position gehalten. Das rohrförmige Mittelteil 16 ruht ferner mit einer zylindrischen Schulter 17 auf einem ersten Ende eines zylindrischen Umfangsteils 18, das sich stromabwärts von dem Mittelteil aus über einen großen Teil des verbleibenden Innenvolumens des Injektorskörpers 4 erstreckt und das eine Ringkammer für primären Kraftstoff 20 sowie eine Ringkammer für sekundären Kraftstoff 22 begrenzt.
Die Ringkammer für primären Kraftstoff 20 steht über eine Vielzahl von seitlichen Löchern 24 und über ein Filtersieb 25, das feste Durchlaßquerschnitte definiert, mit der Einlaßkammer 8b in Verbindung. Die Ringkammer für sekundären Kraftstoff 22 ist über Längsbohrungen 26, die gleichmäßig in der zylindrischen Schulter 17 des Ventilhalters 16 ausgebildet sind, mit der Einlaßkammer 8b verbunden. Der Sitz des Dichtungsventils 10 ist von einem Rand eines Zylindermantels 28 gebildet, der auf der zylindrischen Schulter 17 des rohrförmigen Mittelteils 16 aufliegt und durch ein Dichtungsmittel 30 vom Typ Dichtung auf dichte Weise in dem Injektorkörper 4 gehalten wird. Eine Schraubenfeder 32 ist zwischen dem Ventilhalter 16 und dem Ventilteller 12 angeordnet, um eine Einstellung eines vorbestimmten Kraftstoffversorgungsdruckes zu ermöglichen, der einen ersten Schwellendruck S1 definiert, jenseits dessen sich das Dichtungsventil 10 öffnet. Der in der Voreinlaßkammer 8a vorhandene Kraftstoff dringt dann in die Einlaßkammer 8b ein und strömt über die seitlichen Löcher 24 in die Ringkammer für primären Kraftstoff 20, bevor er zu einem mittleren Kanal zum Ausstoßen des primären Kraftstoffs 33, der erste Mittel zur Verwendung des Kraftstoffs definiert, abgeführt wird.
Eine Kraftstoffdosiervorrichtung 34 ist außerdem direkt in der Ringkammer für sekundären Kraftstoff 22 angeordnet, so daß der von dieser Kammer abströmende Kraftstoff dosiert wird. Sie umfaßt herkömmlicherweise ein rohrförmiges Dosierventil 36, das an einem ersten Ende einer Öffnung 38, die in eine Längsbohrung 40 zum Zuführen des sekundären Kraftstoffs mündet, sowie an einem einen Boden bildenden zweiten Ende einer im wesentlichen kreisförmigen Schulter, die den Ventilteller 42 bildet und ein zweites Ende des zylindrischen Umfangsteils 18 trägt, vorgesehen ist. Das Dosierventil 36 weist auch Seitenausgänge 44 für das Abströmen des sekundären Kraftstoffs auf. Der Ventilteller 42 weist an seinem Umfang Schlitze 46 zum Dosieren des Kraftstoffs auf, die sich in die Längsbohrung 40 öffnen und variable Durchlaßquerschnitte zu zweiten Mitteln zur Verwendung des Kraftstoffs definieren. Diese Schlitze 46 sind sehr präzise ausgebildet, um die Kraftstoffmenge zu dosieren, die von der Ringkammer für sekundären Kraftstoff 22 zu einer Aufnahmekammer 48 strömt, welche in dem Injektorkörper 4 ausgebildet ist und in Richtung eines ringförmigen Kanals zum Ausstoßen des sekundären Kraftstoffs 50 mündet, der den mittleren Kanal zum Ausstoßen des primären Kraftstoffs 33 umgibt.
Das Dosierventil 36 kann in einer Zylinderbuchse 52 gleiten, deren eines Ende eine einen Ventilsitz bildende kreisförmige Ausnehmung 54 aufweist. Diese Buchse wird mit Hilfe eines Dichtungsmittels 56 vom Typ Dichtung auf dichte Weise an dem zylindrischen Umfangsteil 18 gehalten. Die Buchse 52 bildet auch eine Stützfläche für ein Ende einer Schraubenfeder 58, deren gegenüberliegendes Ende in einem ringförmigen Halteelement 60 angebracht ist, das über das erste Ende des Dosierventils 36 gestreift und mit Hilfe eines C-förmigen Rings 62 an diesem befestigt ist. Ein ringförmiger Keil 64 ist zwischen dem C-förmigen Ring 62 und dem ringförmigen Halteelement 60 angeordnet, so daß die Last der Feder 58 eingestellt wird und ein über dem ersten Schwellendruck S1 liegender zweiter Schwellendruck S2 definiert wird, für den sich das Dosierventil 36 öffnet. Diese Last der Feder wird derart gewählt, daß dem Dosierventil ermöglicht wird, sich für den zweiten Schwellendruck S2 zu öffnen und als Reaktion auf eine Erhöhung des Versorgungsdruckes geöffnet zu bleiben, wobei die gelieferte Menge dann von den Durchlaßquerschnitten der Dosierschlitze 46 abhängig ist.
Der Injektor 2 ist ferner mit einer Drossel 66 ausgestattet, die zwischen der Einlaßöffnung 6 und dem Dichtungsventil 10 angeordnet ist. Genauer gesagt ist die Drossel 66 in der Voreinlaßkammer 8a stromaufwärts – in Strömungsrichtung des Kraftstoffs – des auf dem zylindrischen Umfangsteil 18 ruhenden Zylindermantels 28 angeordnet. Diese Drossel ermöglicht, die in die Einlaßkammer 8b eingelassene Kraftstoffmenge auf einen bestimmten Wert festzulegen. Die Öffnung der Drossel wird in Abhängigkeit der dem Injektor eigenen Merkmale (Herstellung und Bearbeitung des Dosierventils und seiner Schlitze, Spannung der Feder, Wirkungen der Reibungen zwischen dem Ventil und der Buchse, in der es gleitet) sowie entsprechend seiner Mengenabweichungen gegenüber einer berechneten Durchschnittsmenge gewählt. Diese Wahl wird folglich derart getroffen, daß die Kurve der durchschnittlichen Mengen in Abhängigkeit des Kraftstoffversorgungsdruckes eine zuvor erstelle Toleranz-Hüllkurve nicht verläßt. Diese Toleranz-Hüllkurve wird zuvor in Abhängigkeit einer berechneten theoretischen Mengendurchschnittskurve erstellt. Sie kann beispielsweise durch eine maximale Mengenabweichung in der Größenordnung von ± 5% gegenüber dieser theoretischen Durchschnittskurve definiert werden.
Nach einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung umfaßt der Kraftstoffinjektor ferner Regelungsmittel, um einen über dem zweiten Schwellendruck S2 liegenden dritten Kraftstoffschwellendruck S3 zu definieren, ab dem die in Richtung der zweiten Verwendungsmittel dosierte Kraftstoffmenge einzig und allein von dem Kraftstoffversorgungsdruck abhängig ist. Diese Regelungsmittel liegen in Form eines Anschlags 68 vor, der beispielsweise im Bereich der Buchse 52 angebracht ist, so daß er mit dem ringförmigen Halteelement 60 zusammenwirkt, um den Weg des Dosierventils 36 zu begrenzen. Dieser Anschlag 68 ist für einen vorbestimmten Kraftstoffdruck eingestellt, der einer Menge nahe der vollständigen Öffnung entspricht. Es ist auch möglich, in Betracht zu ziehen, einen (nicht dargestellten) Ring an dem ersten Ende des Dosierventils 36 anzubringen, wobei dieser Ring ebenfalls ermöglicht, den Weg des Dosierventils zu begrenzen.
2 verdeutlicht die Wirkung der Drossel 66 auf die Durchschnittsmengenabweichungen, die im Bereich eines Injektors 200 einer Brennkammer vorhanden sein können, gegenüber einer Kurve berechneter Menge 202. In dieser Figur sind auch zwei Kurven 204 und 204' dargestellt worden. Sie bilden eine Toleranz-Hüllkurve, jenseits derer die Mengenabweichungen gegenüber der theoretischen Durchschnittskurve 202 als zu groß betrachtet werden. Für diese Toleranz-Hüllkurve wurde eine maximale Mengenabweichung von ± 5% gewählt. So ermöglicht das Vorliegen der Drossel 66, die Heterogenität im Bereich der durchschnittlichen Mengen zwischen mehreren Injektoren einer gleichen Brennkammer erheblich zu reduzieren. Darüber hinaus ist ab dem dritten Schwellendruck S3 die Kraftstoffmenge nicht mehr von den Bearbeitungsmerkmalen der Feder und der Schlitze sowie von der Reibung des Ventils des Injektors, sondern von dem Kraftstoffversorgungsdruck und dem Durchlaßquerschnitt des in Anschlag befindlichen Ventils abhängig. Ab diesem dritten Schwellendruck S3 verhält sich das Dosierventil somit wie eine feste Drossel.

Claims

Kraftstoffinjektor (2) für den Motor einer Turbomaschine, umfassend einen Injektorkörper (4) mit Mitteln für die Zufuhr von unter Druck stehendem Kraftstoff (6), einem ersten Ventil (10), das stromabwärts der Mittel für die Zufuhr von unter Druck stehendem Kraftstoff angebracht und angeordnet ist, um sich als Reaktion auf einen vorbestimmten Kraftstoffdruck, der einen ersten Schwellendruck (S1) definiert, zu öffnen, um Kraftstoff in den Injektorkörper einzulassen, einem zweiten Ventil (36), das stromabwärts des ersten Ventils angeordnet ist und das sich als Reaktion auf einen über dem ersten Schwellendruck liegenden zweiten Kraftstoffschwellendruck (S2) öffnen kann, um wenigstens einen Teil des in den Injektorkörper eingelassenen Kraftstoffs in Richtung von Mitteln (48) zur Verwendung dieses Kraftstoffs zu dosieren, wobei die in Richtung der Verwendungsmittel dosierte Kraftstoffmenge von Durchlaßquerschnitten (46), die im Bereich des zweiten Ventils ausgebildet sind, abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine Drossel (66) umfaßt, die zwischen den Mitteln für die Zufuhr von unter Druck stehendem Kraftstoff und dem ersten Ventil angeordnet ist, um die in den Injektorkörper eingelassene Kraftstoffmenge auf einen bestimmten Wert festzulegen.
Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner Regelungsmittel (68) umfaßt, um einen über dem zweiten Schwellendruck liegenden dritten Kraftstoffschwellendruck (S3) zu definieren, ab dem die in Richtung der Verwendungsmittel dosierte Kraftstoffmenge lediglich vom Kraftstoffversorgungsdruck abhängig ist.
Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungsmittel einen Anschlag (68) umfassen, um den Weg des zweiten Kraftstoffdosierventils zu begrenzen.
Kraftstoffinjektor (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß: – das erste Ventil (10) den Kraftstoff zu ersten Verwendungsmitteln ausstößt, wobei die ausgestoßene Kraftstoffmenge von Durchlaßquerschnitten (24), die im Bereich des ersten Ventils ausgebildet sind, abhängig ist, – das zweite Ventil (36) den Kraftstoff zu zweiten Mitteln (48) zur Verwendung dieses Kraftstoffs ausstößt, – Regelungsmittel (68) einen über dem genannten zweiten Schwellendruck liegenden dritten Kraftstoffschwellendruck (S3) definieren, ab dem die in Richtung der zweiten Verwendungsmittel dosierte Kraftstoffmenge lediglich von dem Kraftstoffversorgungsdruck abhängig ist.
Injektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungsmittel einen Anschlag (68) umfassen, um den Weg des zweiten Kraftstoffdosierventils zu begrenzen.