-
Diese
Erfindung betrifft Gasturbinenmaschinen-Brennstoffsteuerungen im
Allgemeinen und Gasturbinenmaschinen-Brennstoffströmungssteuerventile
im Speziellen.
-
Brennstoffsteuerventile
für ein
Hochleistungsgasturbinen-betriebenes Flugzeug müssen mit einem hohen Grad an
Genauigkeit in einem weiten Bereich von Betriebsbedingungen arbeiten.
Ein Ventil, das zu der Brennkammer zu wenig oder zu viel Brennstoff
dosiert, könnte
eine Brennkammer "ausblasen" ("blowout", Flammausfall) lassen
oder könnte
eine Wiederzündung
in der Brennkammer behindern. Um solche Probleme zu vermeiden, zieht
die Ventilauslegung den Druckunterschied über das Brennstoffsteuerventil
und die Massenströmungsrate von
Fluid durch das Ventil in Betracht. Diese zwei Parameter werden
im Allgemeinen benutzt, um die benötigte Funktion des Brennstoffsteuerventils
in dem Flugzeugflugeinsatzbereich zu definieren. Der Drukkunterschied
(Δp) "über" das Ventil ist durch Konsens
definiert als der Unterschied zwischen dem Druck des aus der Brennstoffpumpe
ausgestoßenen Brennstoffs
abzüglich
Komponenten- und Rohrleitungshauptverlusten zwischen dem Pumpenauslass und
dem Steuerventil (PFPD) und dem Druck des
in die Brennstoffkammer(n) abgegebenen Brennstoffs abzüglich Komponenten- und Rohrleitungshauptverlusten
zwischen dem Steuerventil und der Brennstoffkammer (PFC).
-
Die
Massenströmungsrate
von Fluid, welches durch das Ventil strömt, kann andererseits durch
die Gleichung bestimmt werden:
wobei W
f die
Massenströmungsrate
von Fluid wiedergibt, K eine Konversionsfaktorkonstante wiedergibt, C
d einen Ausstoßkoeffizienten für den Ventildurchlass
verlassende Strömung
wiedergibt, A
v die Querschnittsfläche des
Ventil durchlasses wiedergibt, und p die Dichte des Fluids wiedergibt.
Der Ausstoßkoeffizient
(C
d) ist ein Koeffizient, der eine weniger
als reibungslose/ideale Strömung
durch einen Durchlass kompensiert und eine Funktion ist von: (1)
der Geometrie des Durchlasses relativ zu einer stromaufwärtigen Durchgangsgeometrie;
und (2) der Reynolds-Zahl des Fluids, welches durch den Durchlass strömt. Die
Reynolds-Zahl des Fluids, welches durch den Durchlass strömt, trägt wiederum
der Geschwindigkeit des Fluids in dem Durchlass, den Abmessungen
des Durchlasses und der kinematischen Viskosität des Fluids Rechnung. In Fällen, bei
denen das Verhältnis
von Drücken über das
Ventil (P
FPD/P
FC) nicht
größer als
sechs (6) ist, kann der Ausstoßkoeffizient
(C
d) als eine Konstante für einen
speziellen Punkt in dem Flugeinsatzbereich angenommen werden. Dies
liegt teilweise an einer relativ geringen Fluidgeschwindigkeit durch
den Durchlass. In solchen Fällen
kann die Massenströmungsrate
von Fluid (W
f), und daher die Leistungseinstellung
der Maschine, einfach durch Ändern
lediglich der Querschnittsfläche
des Ventildurchlasses (A
v) gesteuert werden.
-
In
Fällen,
bei denen das Verhältnis
von Drücken über existierende
Ventile sechs überschreitet, wird
der Ausstoßkoeffizient
(Cd) häufig
jedoch aufgrund von Kavitation instabil und kann nicht als eine Konstante
für einen
speziellen Punkt in dem Flugbetriebsbereich angesehen werden. Insbesondere
ist bei Druckverhältnissen
größer als
sechs die Geschwindigkeit von Fluid, welches durch den Durchlass
strömt,
groß genug,
um Kavitation zu bewirken, was wiederum verhindert, dass ein konsistenter Cd-Wert empirisch bestimmt werden kann. Eine
Steuerung einer Brennstoffströmungsrate
durch das Ventil muss daher in diesen Fällen mindestens zwei Variablen
in Betracht ziehen, von denen eine instabil ist. Unter diesen Umständen ist
eine genaue Brennstoffströmungssteuerung
durch das Ventil im besten Fall schwierig.
-
Um
zu vermeiden, dass man ein Verhältnis von
Drücken über das
Brennstoffsteuerventil von mehr als sechs hat, ist es bekannt, einen
hydromechanischen Druckhöhenregulator
zu verwenden, was eine Vorrichtung ist, welche dazu ausgelegt ist,
einen speziellen Δp über
ein Brennstoffsteuerventil unter allen Bedingungen aufrechtzuerhalten.
Obwohl Druckhöhenregulatoren
zu dem Vorteil eines konstanten Δp über
das Brennstoffströmungssteuerventil
führen, füh ren sie
auch zu einigen deutlichen Nachteilen. Zum Beispiel tendieren Druckhöhenregulatoren,
welche bei Hochdruckanwendungen verwendet werden, dazu, eine wesentliche
Größe und ein
wesentliches Gewicht zu haben, was beides nicht erwünscht ist. Druckhöhenregulatoren
fügen dem
Brennstoffsteuersystem auch eine zweite Komplexitätsebene
hinzu; zum Beispiel benötigen
sie eine Sensoreingabe zum Arbeiten und ein Strömungsventil, um eine konstante Druckhöhe über ein
Dosierventil zu regulieren. Die Sensoren und Ventile in dem Druckhöhenregulator führen zu
zusätzlichen
potenziellen Ausfallmöglichkeiten,
welche schwierig, wenn nicht unmöglich,
zu diagnostizieren sind. Druckhöhenregulatoren
tragen auch im wesentlichen zu den Kosten der meisten Gasturbinen-Brennstoffströmungssteuersysteme bei.
Kurz ausgedrückt,
stehen dem Vorteil eines konstanten Δp über das
Steuerventil mehrere, deutliche Nachteile entgegen.
-
US 4 876 857 zeigt ein Beispiel
eines Brennstoffsteuerventils mit Einlass- und Auslassöffnungen, welche
unabhängig
betrieben werden.
-
Was
daher benötigt
wird, ist ein präzises Brennstoffsteuerventil
für eine
Gasturbinenmaschine, das hohe Druckunterschiede über das Ventil aufnimmt und
das nicht zum Gewicht, den Kosten oder der Komplexität des Brennstoffströmungssteuersystems
beiträgt.
-
In
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Ventil zum
Steuern der Strömung
von Brennstoff wie in Anspruch 1 beansprucht vorgesehen.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Hülse des Brennstoffströmungssteuerventils
in einem Komponentengehäuse
angeordnet. Das Gehäuse
weist eine Fluideinlasseinrichtung und eine Fluidauslasseinrichtung
jeweils ausgerichtet mit der Einlassöffnung und der Auslassöffnung der
Ventilhülse
auf.
-
Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass ein genaueres Brennstoffströmungssteuerventil für eine Gasturbinenmaschine
bereitgestellt wird. Das vorliegende Brennstoffströmungssteuerventil
ermöglicht
dem Druckabfall über
das gesamte Ventil, in zwei diskrete Druckabfälle unterteilt zu werden und so
die durch jeden Durchlass verlaufende Fluidgeschwindigkeit zu senken.
Ein Senken der Fluidgeschwindigkeit durch die Durchlässe minimiert
Kavitation und die damit verbundene Cd-Instabilität.
-
Ein
Unterteilen des Druckabfalls über
das Ventil in zwei diskrete Abfälle
hilft auch, schädliche Erosion
zu vermeiden. Kavitation kann Erosion von dem Kavitationspfad benachbarter
Hardware bewirken, und die Bedeutung der Erosion steigt im Allgemeinen
mit dem Grad der Kavitation. Die vorliegende Erfindung hilft, Erosion
zuerst durch Minimieren von Kavitation zu minimieren. Die vorliegende
Erfindung minimiert auch die nachteiligen Effekte von Erosion durch
Variieren des Betrags von Δp, der über
die Einlassöffnung
auftritt, gegenüber
demjenigen an der Auslassöffnung.
Ein Vorsehen einer Einlassöffnungsgeometrie,
welche bewirkt, dass ein höherer
Prozentanteil des Δp über
der Einlassöffnung
anstatt über der
Auslassöffnung
auftritt, bewirkt, dass die meiste oder die gesamte Kavitation,
die auftritt, dies innerhalb des Brennstoffströmungssteuerventils tut, wo erosionsrestistente
Materialien eingesetzt werden können.
-
Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie für eine Verbesserung
bei einem Leckageverhalten durch das Ventil sorgt. Herkömmliche
Brennstoffsteuerventile mit einer einzelnen Öffnung mit einem großen Druckabfall über die Öffnung unterliegen
häufig
wesentlicher Leckage aufgrund von: (1) dem wesentlichen Druckunterschied über die Öffnung,
welcher das Fluid antreibt; und (2) Druck-induzierter, mechanischer
Verwindung, welche zu Leckpfaden für das Fluid führt. Die
Leckage beeinflusst das Verhalten des Ventils negativ durch Ändern der
angestrebten Strömungsrate.
Die vorliegende Erfindung hingegen unterteilt den Druckabfall über das gesamte
Ventil in zwei diskrete Zonen. Der kleinere Druckabfall über jede Öffnung führt zu weniger
Leckage, weil: (1) der Druckunterschied, welcher das Fluid antreibt,
geringer ist; und (2) mechanische Verwindung in dem Ventil geringer
ist.
-
Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass eine Brennstoffströmung durch
das Ventil einfach zu steuern ist. Die bevorzugte Ausführungsform
sieht ein Paar variabler Durchlässe
vor, welche durch Verlagern entweder des Ventilblocks oder der Öffnung relativ
zueinander manipuliert werden. Beide Durchlässe werden daher durch eine
einzelne Betätigungseinrichtung
gesteuert, welche durch eine einzelne Positionssteuereinrichtung
erfasst ist. Eine Person mit Fachkenntnissen wird erkennen, dass
es ein bedeutender Vorteil ist, mechanische Vorrichtungen zu vereinfachen
und die Anzahl von benötigten
Steuerungen zu minimieren, wo immer dies möglich ist.
-
Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nun nur im Wege eines Beispiels beschrieben unter
Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, bei denen:
-
1 eine schematische Seitenansicht
ist, welche die Komponentenhülse
und das Brennstoffsteuerventil im Querschnitt zeigt. Das Ventil
ist in einer geschlossenen Position gezeigt.
-
2 eine schematische Seitenansicht
ist, welche die Komponentenhülse
und das Brennstoffströmungssteuerventil
im Querschnitt zeigt. Das Ventil ist in einer offenen Position gezeigt.
-
3 eine schematische Draufsicht
ist, welche die Komponentenhülse
im Querschnitt zeigt. Das Ventil ist in einer geschlossenen Position
gezeigt.
-
Bezugnehmend
auf 1 weist ein Brennstoffströmungssteuerventil 10 für eine Gasturbinenmaschine
(nicht gezeigt) einen Ventilblock 12, der in einer Hülse 14 angeordnet
ist, eine Einrichtung 16 zum Verlagern entweder der Hülse 14 oder
des Ventilblocks 12 relativ zueinander, und eine Einrichtung 17 zum
Erfassen der Verlagerung der Hülse 14 oder des
Ventilblocks 12 relativ zueinander auf. Die Hülse 14 ist
in einem Komponentengehäuse 18 angeordnet,
welches an der Peripherie einer Gasturbinenmaschine angebracht ist.
Die Hülse 14 ist
zylindrisch geformt und weist ein Paar von Einlassöffnungen 20, ein
Paar von Auslassöffnungen 22 und
einen internen Hohlraum 24 auf. Jede Einlassöffnung 20 ist
diametral gegenüber
der anderen Einlassöffnung 20. Jede
Auslassöffnung 22 ist
diametral gegenüber
der anderen Auslassöffnung 22. "O"-Ringe 26, wel che in in der
Außenfläche 30 der
Hülse 14 angeordneten Nuten 28 positioniert
sind, dichten zwischen dem Komponentengehäuse 18 und der Hülse 14 ab.
-
Der
Ventilblock 12 weist ein Paar von Einlasssperren 32 und
ein Paar von Auslasssperren 34 auf. Die Sperren 32, 34 sind
um einen Abstand separiert, der ausreicht, um eine Kommunikation
mit den Einlass- und Auslassöffnungen 20, 22 zu
ermöglichen,
wenn der Ventilblock 12 in der Hülse 14 angeordnet
ist. Die Geometrien der Öffnungen 20, 22 (siehe 3) und Sperren 32, 34 sind
derart gewählt, dass
für Strömungscharakteristiken
für jedwede
zur Verfügung
stehende Anwendung gesorgt wird. Insbesondere können verschiedene Geometrien
zu verschiedenen Strömungsraten
von Änderungen
führen, wenn
der Ventilblock 12 und die Hülse 14 relativ zueinander
versetzt werden; z. B. eine Stufenfunktionsänderung oder eine exponentielle Änderung
oder eine lineare Änderung
bei der Strömungsrate.
Bei den in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen ist
der Ventilblock 12 zylindrisch geformt und weist Öffnungen 36 auf,
welche zwischen den Einlass- und Auslassgattern 32, 34 angeordnet
sind. "O"-Ringe 38,
welche in in der Außenfläche 42 des
Ventilblocks angeordneten Nuten 40 positioniert sind, dichten
zwischen der Hülse 14 und
dem Ventilblock 12 ab.
-
Das
Komponentengehäuse 18 weist
einen Einlasskanal 44 und einen Auslasskanal 46 auf,
welche in einer Bohrung 48 zum Aufnehmen der Hülse 14 angeordnet
sind. Die Kanäle 44, 46 sind
durch Passageneinrichtungen 50, 52 verbunden,
welche Brennstoff ermöglichen,
in den Einlasskanal 44 einzutreten und aus dem Auslasskanal 46 auszuströmen. Wenn
die Hülse 14 in
der Bohrung 48 aufgenommen ist, bildet jeder Kanal 44, 46 einen
Ring um die Peripherie der Hülse 14.
Die zuvor genannten "O"-Ringe 26,
welche in der Außenfläche 30 der
Hülse 14 angeordnet
sind, dichten zwischen dem Komponentengehäuse 18 und der Hülse 14 ab.
-
Die
Einrichtung 16 zum Verlagern entweder der Hülse 14 oder
des Ventilblocks 12 relativ zu dem/der anderen ist als
eine elektromechanische Vorrichtung 54 vom Solenoid-Typ
gezeigt. Der Kolben 56 des Solenoids 54 ist an
dem Ventilblock 12 angebracht und kann derart betätigt werden,
dass der Ventilblock 12 relativ zu der Ventilhülse 14 verlagert
wird. Alternativ kann der Solenoid 54 an der Hülse 14 angebracht
sein zum Versetzen der Hülse 14 relativ
zu dem Ventilblock 12. Andere Linearaktuatoren einschließlich eines
hydraulischen Aktuators, der mit einem hydraulischen Servoventil
(nicht gezeigt) gekoppelt ist, können
alternativ eingesetzt werden. Eine lineare Verlagerung entweder
der Hülse 14 oder des
Ventilblocks 12 relativ zu dem/der anderen kann als axiale
Verlagerung beschrieben werden.
-
Die
Einrichtung 17 zum Erfassen einer Verlagerung der Hülse 14 oder
des Ventilblocks 12 relativ zu dem/der anderen ist ein
linearer, variabler Verlagerungswandler 19 (linear variable
displacement transducer, LVDT), schematisch in den 1 bis 3 gezeigt.
Ein Fachmann erkennt, dass eine Vielzahl von LVDTs 19 zum
Erfassen einer linearen Verlagerung zur Verfügung stehen einschließlich magnetischer,
optischer und elektrischer Vorrichtungen. In allen Fällen ist
die Ausgabe des LVDT 19 kalibriert, um die Position des
Ventilblocks 12 und der Hülse 14 relativ zueinander
anzugeben.
-
Beim
Betrieb des Brennstoffströmungssteuerventils 10 kann
das Ventil 10 bei einer geschlossenen Position gestartet
werden, wie in 1 gezeigt. In
der geschlossenen Position sind die Einlass- und Auslasssperren 32, 34 jeweils
ausgerichtet mit den Einlass- und Auslassöffnungen 20, 22 und
verhindern so eine Fluidströmung
durch die Öffnungen 20, 22 in
den Hohlraum 24 der Hülse 14.
Die "O"-Ringe 26,
welche zwischen der Außenfläche 30 der
Hülse 14 und
dem Komponentengehäuse 18 angeordnet sind,
hindern Treibstoff daran, in den Hohlraum 24 der Hülse 14 oder
das Komponentengehäuse 18 einzudringen,
egal ob irgendein Leckagepfad zwischen der Hülse 14 und dem Gehäuse 18 existiert
oder nicht.
-
In
der vollständig
offenen Position hindern die Einlasssperren 32 die Brennstoffströmung 57 (siehe 2) nicht daran, in den Hohlraum 24 der Hülse 14 über die
Einlassöffnung 20 anzutreten.
In gleicher Weise hindern die Auslasssperren 34 die Brennstoffströmung 58 nicht
daran, den Hohlraum 24 über
die Öffnungen 36 und
die Auslassöffnungen 22 zu
verlassen. Weniger als eine maximale Brennstoffströmungsrate
kann erreicht werden, indem der Ventilblock 12 relativ
zu der Hülse 14 (oder
umgekehrt) derart verlagert wird, dass ein Teil der Sperren 20, 22 mit
den Öffnungen 32, 34 ausgerichtet
ist und so die Strömungspassage
durch diese hindert. Folglich sind die Einlass- und Auslassöffnungen 20, 22 erste
und zweite variable Durchlässe.
In allen Fällen
ist ein Referenzsignalwert, der in einer Steuerung (nicht gezeigt)
gespeichert ist, einer speziellen Ventilposition und einem Brennstoffströmungsbetrag
zugeordnet.
-
Der
Ventilblock 12 wird versetzt, bis das LVDT-Signal 19 positiv
mit dem Referenzsignalwert übereinstimmt.
-
In
den Hohlraum 24 über
die Einlassöffnungen 20 eintretender
Brennstoff wird durch einen Druckunterschied zwischen dem die Brennstoffpumpe
(nicht gezeigt) verlassenden Brennstoff und den Brennstoff in dem
internen Hohlraum 24 der Hülse 14 angeregt. Ein
Drucksensor 58 in Verbindung mit der Kavität 24 wird
verwendet, um den Druck in dem Hohlraum 24 zu bestimmen.
Den Hohlraum 24 über die
Auslassöffnung 22 verlassender
Brennstoff wird durch einen Druckunterschied zwischen dem Brennstoff
in dem Hohlraum 24 und dem Brennstoff in der (den) Gasturbinenmaschinenbrennkammer(n)
(nicht gezeigt) angeregt.
-
Abhängig von
der Anwendung des Brennstoffströmungssteuerventils 10 kann
es vorteilhaft sein, entweder die Einlass- oder die Auslassöffnungen 20, 22 derart
einzurichten, dass sie als eine Drosseldüse arbeiten, und dass die jeweils
anderen als eine Dosierdüse
arbeitet. Wenn die Einlassöffnung 20 als
eine Drossel wirkt und die Auslassöffnung 22 als ein
Dosiermeter wirkt, kann der Druckunterschied zwischen dem internen
Hohlraum 24 und der (den) Brennkammer(n) (nicht gezeigt)
verwendet werden, um die Brennstoffströmungsrate durch das gesamte
Ventil 10 zu berechnen. Ein Messen der Brennstoffströmungsrate über nur
eine der Einlass- oder Auslassöffnungen 20, 22 eliminiert
jedwede Ungenauigkeiten, welche mit dem zusätzlichen Durchlass verbunden
sein können;
z. B. Querschnittsflächenungenauigkeiten
der Öffnung,
Druckdifferenzungenauigkeiten, etc.
-
Auf
jeden Fall kann das Ventil 10 derart konfiguriert und betrieben
werden, dass der Druckabfall über
die Einlassöffnung 20 größer ist
als derjenige über
die Auslassöffnung 22.
Dies bewirkt, dass Kavitation in dem Brennstoffversorgungssystem
im wesentlichen in dem Ventil 10 auftritt, wo erosionsrestistente
Materialien benutzt werden können.
-
Obwohl
diese Erfindung mit Bezug auf deren detaillierte Ausführungsformen
gezeigt und beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass
verschiedene Änderungen
in Form und Detail daran durchgeführt werden können, ohne
vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel wurde die Betätigung entweder
des Ventilblocks 12 oder der Hülse 14 relativ zu
dem/der anderen hierin zuvor als lineare Betätigung beschrieben. In einer
alternativen Ausführungsform
kann entweder der Ventilblock 12 oder die Hülse 14 relativ
zu dem/der anderen rotiert werden, um die Öffnungen 20, 22 des
Ventils 10 zu öffnen
und zu schließen.
Ein rotierendes Verlagern entweder der Hülse 14 oder des Ventilblocks
relativ zu dem/der anderen kann als radiale Verlagerung beschrieben
werden. In der oben beschriebenen Ausführungsform wurden sowohl die
Hülse 14 als
auch der Ventilblock 12 als zylindrisch geformt beschrieben.
In alternativen Ausführungsformen
kann die Hülse 14 oder
der Ventilblock 12 oder beide nicht-zylindrische Formen annehmen.
-
Aus
der obigen Beschreibung ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung
in ihren bevorzugten Ausführungsformen
ein Brennstoffsteuerventil zur Verfügung stellt, welches eine Brennstoffströmung präzise dosiert,
welches große
Druckdifferenzen über
das Ventil aufnimmt, welches einfach zu steuern ist und welches
Erosion aufgrund von Kavitation minimiert.
