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Diese
Erfindung betrifft ein Kraftstoffsystem und insbesondere ein Kraftstoffsystem,
das zur Verwendung in Luft- und Raumfahrtanwendungen geeignet ist.
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1 illustriert
schematisch ein Flugzeugtriebwerk-Kraftstoffsystem, das eine Kreiselradpumpe 1 umfasst,
angeordnet, um Kraftstoff von einer Kraftstoffquelle mit verhältnismäßig niedrigem
Druck durch einen Wärmetauscher 2 und
einen Filter 3 einer Hochdruck-Zahnradpumpe 4 zuzuführen. Die Hochdruck-Zahnradpumpe 4 ist
typischerweise angeordnet, um den Kraftstoffdruck um über 200
psi zu erhöhen.
Von der Zahnradpumpe 4 wird der Kraftstoff durch ein Dosierventil 5 und
ein Druckerhöhungs- und
Sperrventil 6 einem Triebwerk zugeführt. Ein Überströmventil 7 ist angeordnet,
um überschüssigen Kraftstoff
zu dem Einlass der Zahnradpumpe 4 zurückzuführen.
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Ein
oder mehrere Flügelstellglieder 8 mit
veränderlichem
Ständer
sind angeordnet, um den Betrieb verschiedener Bauteile des Flugzeugtriebwerks zu
steuern. Die Stellglieder 8 werden durch ein Servoventil 9 gesteuert.
Das Servoventil 9 ist angeordnet, um Kraftstoff unter Druck
vom Auslass der Zahnradpumpe 4 aufzunehmen, wobei eine
Rückführungsleitung
von dem Servoventil 9 mit der Einlassseite der Pumpe 4 verbunden
ist. Um zu sichern, dass das Servoventil 9 und die Stellglieder 8 richtig arbeiten,
ist es wichtig, zu sichern, dass der Kraftstoffdruckunterschied über das
Servoventil 9 einen vorher festgelegten Druck übersteigt,
der zum Beispiel durch die Größe der Stellglieder
bestimmt wird und typischerweise in der Größenordnung von mindestens 100
psi liegt. Wenn die Zahnradpumpe 4 den Kraftstoffdruck
um über
200 psi steigert, dann ist der Kraftstoffdruckunterschied über das
Servoventil 9 deutlich ausreichend, um zu sichern, dass
das Servoventil 9 und die Stellglieder 8 richtig
arbeiten.
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Anordnungen
dieser allgemeinen Art werden in
EP
0481620 beschrieben.
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Es
ist wünschenswert,
die Zahl der Wärmetauscher,
die bei Luft- und Raumfahrtsystemen verwendet werden, zu verringern,
zum Beispiel durch Weglassen der Öl-Luft-Wärmetauscher, die zum Kühlen der
den Triebwerken zugeordneten Getriebe und elektrischen Generatoren
verwendet werden, und sich statt dessen auf die Öl-Kraftstoff-Wärmetauscher
zu verlassen, um eine solche Kühlung
zu erreichen. Da die Hochdruckanstieg-Zahnradpumpen, die bei den
typischen Anordnungen verwendet werden, beträchtliche Mengen an Wärme erzeugen,
ist es, um zu ermöglichen,
dass die Wärmetauscher
so viel Wärme
wie möglich
abnehmen, wünschenswert,
die Hochdruckanstieg-Zahnradpumpen durch Einheiten zu ersetzen,
die bei niedrig dosierten Kraftstoff-Durchflussgeschwindigkeiten
zum Triebwerk einen kleineren Druckanstieg haben, die weniger Wärme erzeugen.
Es kann eine wesentliche Reduzierung des Gewichtes erreicht werden,
wenn ein oder mehrere Wärmeaustauscher
weggelassen wird/werden.
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Die
Verwendung eines niedrigeren Pumpendruckanstiegs kann dazu führen, dass
der Druckunterschied über
das Servoventil unzureichend ist, um zu sichern, dass das Servoventil
und die Stellglieder richtig arbeiten, insbesondere, wenn das Triebwerk und
daher die Zahnradpumpe, bei niedrigen Kraftstoff-Durchflussgeschwindigkeiten
arbeitet und also die Zahnradpumpenüberström- (Rückführ-) Durchflussgeschwindigkeit
hoch ist. Obwohl die Abmessungen des Servoventils und der Stellglieder
gesteigert werden können,
um den zum Erreichen eines richtigen Betriebs notwendigen Druck
zu verringern, können
solche Veränderungen
an diesen Bauteilen dazu führen,
dass sie auf Grund ihrer Größe und ihres
Gewichts zur Verwendung in Luft- und Raumfahrtanwendungen ungeeignet
sind.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftstoffsystem
bereitzustellen, das eine Hochdruckpumpe einschließt, wobei
dieser Nachteil beseitigt oder vermindert wird.
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Nach
der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftstoffsystem bereitgestellt,
das eine Niederdruck-Kraftstoffpumpe,
die einen Auslass hat, der an den Einlass einer Hochdruckpumpe angeschlossen ist,
die bei Anwendung so angeordnet ist, dass Kraftstoff an das Triebwerk
zugeführt
wird, und wenigstens ein durch ein Servoventil gesteuertes Stellglied umfasst,
wobei das Servoventil einen Hochdruckanschluss, der an die Hochdruckseite
der Hochdruckpumpe angeschlossen ist, und einen Niederdruckanschluss
hat, der stromaufwärts
von dem Auslass der Niederdruckpumpe angeschlossen ist.
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Da
der Niederdruckanschluss des Servoventils stromaufwärts von
dem Auslass der Niederdruckpumpe, statt an der Niederdruckseite
der Hochdruckpumpe, angeschlossen ist, kann ein Druckunterschied über das
Servoventil erreicht werden, der größer ist als der durch die Hochdruckpumpe
erzeugte Druckanstieg. Es wird daher zu erkennen sein, dass eine
Hochdruckpumpe verwendet werden kann, die ausgelegt ist, um einen
niedrigeren Mindestdruckanstieg zu erzeugen, ohne die Leistung des
Servoventils und der zugeordneten Stellglieder zu beeinträchtigen.
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Zweckmäßigerweise
umfasst die Hochdruckpumpe eine Zahnradpumpe.
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Um
die Gefahr zu verringern, dass heißer Kraftstoff innerhalb des
Niederdruckanschlusses verdampft, was dazu führen kann, dass die Niederdruckpumpe
dampfgesperrt wird, falls sie die Form einer Kreiselradpumpe annimmt,
kann dem Niederdruckanschluss vor jedem Reihenwärmetauscher von der Niederdruckseite
der Hochdruckpumpe ein Kühlstrom
von Kraftstoff zugeführt
werden. Um ein Verdampfen in dem Teil des Niederdruckanschlusses stromaufwärts von
dem den Kühlstrom
aufnehmenden Teil zu vermeiden, kann in dem Niederdruckanschluss
ein Ventil bereitgestellt werden, wobei das Ventil den Kraftstoffdruck
auf einem ausreichenden Niveau hält,
um zu sichern, dass ein Verdampfen nicht auftritt. Alternativ dazu
kann der Niederdruckanschluss an einen Teil der Niederdruckpumpe
angeschlossen sein, in dem sich der Kraftstoffdruck auf einem Niveau
zwischen dem Einlass- und dem Auslassdruck der Niederdruckpumpe
befindet und ausreicht, um ein Verdampfen von Kraftstoff zu vermeiden.
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Im
folgenden wird die Erfindung als Beispiel beschrieben, unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen,
in denen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Kraftstoffsystems, wie hierin zuvor beschrieben,
ist und
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2 eine
Ansicht ähnlich 1 ist,
die ein Kraftstoffsystem nach einer Ausführungsform der Erfindung illustriert.
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Das
in 2 illustrierte Kraftstoffsystem ist ähnlich dem
von 1 und umfasst eine Niederdruck-Kreiselradpumpe 10,
die angeordnet ist, um Kraftstoff vom Auslass einer Kraftstofftank-Saugpumpe aufzunehmen,
und angeordnet ist, um den Kraftstoffdruck in Abhängigkeit
von den Triebwerksbetriebsbedingungen von ungefähr 30 psi um zwischen 60 und
180 psi anzuheben. Wenn das Triebwerk zum Beispiel mit Bodenleerlaufdrehzahl
arbeitet, wird die Kreiselradpumpe den Kraftstoffdruck um ungefähr 60 psi
steigern, wobei die Kreiselradpumpe 10 den Kraftstoffdruck
um ungefähr
90 psi steigert, während das
Triebwerk auf Flugleerlaufdrehzahl ist, und die Kreiselradpumpe 10 den
Kraftstoffdruck um ungefähr 180
psi steigert, wenn das Triebwerk unter Start- oder Steigflug-Triebwerksdrehzahlen
arbeitet.
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Der
Auslass der Kreiselradpumpe 10 ist an einen Durchgang 11 angeschlossen,
der wiederum an einen Wärmetauscher 12 angeschlossen
ist. Der Wärmetauscher 12 ist
angeordnet, um das Öl
zu kühlen, dass
in den dem Triebwerk zugeordneten Getrieben und elektrischen Generatoren
verwendet wird, wobei die von dem Öl abgenommene Wärme an den Kraftstoff
angelegt wird. Es ist anzunehmen, dass der Wärmetauscher 12 während der
kritischen Phase normaler Betriebsbedingungen die Kraftstofftemperatur
um ein beträchtliches
Maß steigern
wird. Unter einigen Umständen
kann die Temperatur um 100°C oder
mehr angehoben werden. Der Auslass des Wärmetauschers 12 ist
an einen Kraftstoff-Filter 13 angeschlossen, angeordnet,
um feste Verunreinigungen aus dem Kraftstoffstrom zu entfernen.
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Kraftstoff
vom Filter 13 wird dem Einlass einer Hochdruckpumpe 14 in
der Form einer Zahnradpumpe zugeführt. Der Auslass der Zahnradpumpe 14 ist
an ein Dosierventil 15, angeordnet, um die Geschwindigkeit
zu steuern, mit der dem Triebwerk Kraftstoff zugeführt wird,
und an ein Druckerhöhungs- und Sperrventil 16 angeschlossen,
das angeordnet ist, um zu sichern, dass dem Triebwerk Kraftstoff
mit einem Druck zugeführt
wird, der einen vorher festgelegten Mindestdruck überschreitet.
Wie illustriert, wird jeglicher Kraftstoff, der als Servostrom dient,
um das Dosierventil 15 oder das Druckerhöhungs- und
Sperrventil 16 zu steuern, durch einen Rückführungsdurchgang 17 zur
Einlassseite der Zahnradpumpe 14 zurückgeführt. Ferner wird dem Druckerhöhungs- und
Sperrventil 16 durch eine Zufuhrleitung 18 Kraftstoff
unter Druck zugeführt,
um einen richtigen Betrieb des Druckerhöhungs- und Sperrventils 16 zu
ermöglichen.
Ein Überströmventil 19 ist
parallel zu der Zahnradpumpe 14 angeordnet, um zu ermöglichen,
dass überschüssiger Kraftstoff auf
eine herkömmliche
Weise zur Einlassseite der Zahnradpumpe 14 zurückgeführt wird.
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Das
Druckerhöhungsventil 16 ist
angeordnet, um den Kraftstoffdruckanstieg über die Zahnradpumpe 14 auf
ungefähr
50 psi zu begrenzen, wenn das Triebwerk bei niedrigen Kraftstoff-Durchflussgeschwindigkeiten
arbeitet. Wenn die Kraftstoff-Durchflussgeschwindigkeit des Triebwerks
ansteigt, dann wird der durch die Zahnradpumpe 14 erreichte Druckanstieg
ebenfalls ansteigen.
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Wie
bei der typischen Anordnung werden ein oder mehrere Stellglieder 20 bereitgestellt,
um den Betrieb des Triebwerks oder anderer verbundener Bauteile
des Flugzeugs zu steuern. Die Stellglieder 20 werden unter
Verwendung eines Servoventils 21 gesteuert, das eine Hochdruckanschlussleitung 22, die
an die Hochdruckseite der Hochdruckpumpe 14 angeschlossen
ist, und eine Niederdruckanschlussleitung 23 hat, die stromaufwärts von
dem Auslass derselben an einen Teil der Niederdruckpumpe 10 angeschlossen
ist und in welcher der Kraftstoffdruck zwischen dem Kraftstoffdruck
am Einlass und am Auslass der Niederdruckpumpe 10 liegt.
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Ein
eingeschränkter
Durchgang 24 kann zwischen dem Durchgang 11, der
mit dem Auslass der Niederdruckpumpe 10 verbunden ist,
und einem Teil der Niederdruckanschlussleitung 23 bereitgestellt werden.
Da der Kraftstoffdruck innerhalb der Niederdruckanschlussleitung 23 geringer
ist als der am Auslass der Niederdruckpumpe 10, wird zu
erkennen sein, dass ermöglicht
wird, dass der Kraftstoff mit einer eingeschränkten Geschwindigkeit vom Durchgang 11 zu
der Niederdruckanschlussleitung 23 strömt, und da dieser Kraftstoff
nicht durch den Wärmetauscher 12 hindurchgegangen
ist, ist er verhältnismäßig kühl und dient
dazu, den Kraftstoff zu kühlen,
der innerhalb der Niederdruckanschlussleitung 23 strömt.
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Bei
Anwendung wird Kraftstoff durch die Niederdruckpumpe 10 durch
den Wärmetauscher 12 und
den Filter 13 der Zahnradpumpe 14 zugeführt. Die
Zahnradpumpe 14 setzt den Kraftstoff unter Druck und führt den
Kraftstoff durch das Dosierventil 15 und das Druckerhöhungs- und
Sperrventil 16 dem Triebwerk zu. Überschüssiger Kraftstoff, der durch die
Zahnradpumpe 14 zugeführt
wird, wird durch das Überströmventil 19 zur
Einlassseite derselben zurückgeführt. Kraftstoff
unter Druck wird ebenfalls durch die Hochdruckanschlussleitung 22 dem
Servoventil 21 zugeführt,
und das Servoventil 21 ist durch die Niederdruckanschlussleitung 23 an
eine Kraftstoffquelle mit verhältnismäßig niedrigem
Druck, d.h., einen Teil der Niederdruckpumpe 10 stromaufwärts vom
Auslass derselben, angeschlossen. Es wird zu erkennen sein, dass
ein solcher Anschluss der Niederdruckanschlussleitung 23 dazu
führt,
dass der Druckunterschied zwischen der Hochdruckanschlussleitung 22 und
der Niederdruckanschlussleitung 23 größer ist als der durch die Zahnradpumpe 14 erzeugte
Druckanstieg. Im Ergebnis dessen kann, selbst wenn die Zahnradpumpe 14 angeordnet
ist, um den Kraftstoffdruck nur um ein verhältnismäßig kleines Maß anzuheben,
wenn sie bei niedrigen Kraftstoffdurchflussraten des Triebwerks
arbeitet, ein ausreichender Druckunterschied an das Servoventil 21 angelegt
werden, um zu einem richtigen Betrieb des Servoventils 21 und
der Stellglieder 20 zu führen.
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Wenn
der Wärmetauscher 12 verwendet wird,
um das Öl
zu kühlen,
das in den dem Triebwerk zugeordneten Getrieben und elektrischen
Generatoren verwendet wird, dann wird der Kraftstoff am Auslass
der Zahnradpumpe 14, der anschließend zu der Niederdruckanschlussleitung 23 strömt, heiß sein, und
es besteht die Gefahr, dass die Temperatur des Kraftstoffs innerhalb
der Niederdruckanschlussleitung 23 ausreichend hoch ist,
damit der Kraftstoff in derselben verdampfen kann. Eine solche Verdampfung
ist besonders nachteilig, weil sie dazu führen kann, dass die Niederdruck-Kreiselradpumpe 10 dampfgesperrt
wird. Um die Gefahr einer solchen Verdampfung zu verringern, kann
der Durchgang 24 der Niederdruckanschlussleitung 23 einen
Kühlstrom von
Kraftstoff zuführen,
was die Kraftstofftemperatur in derselben verringert. Im Ergebnis
dessen wird die Verdampfungsgefahr verringert.
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Als
eine zusätzliche
Maßnahme
zum Verringern der Verdampfungsgefahr ist die Niederdruckanschlussleitung 23,
wie hierin zuvor beschrieben, an einen Teil der Niederdruckpumpe 10 angeschlossen, in
dem der Kraftstoffdruck zwischen dem Einlass- und dem Auslassdruck
derselben liegt. Der Teil der Niederdruckpumpe 10, an den
die Niederdruckanschlussleitung 23 angeschlossen ist, wird
gewählt, um
zu sichern, dass der Kraftstoffdruck innerhalb der Niederdruckanschlussleitung 23 ausreichend
hoch ist, damit die Gefahr einer Verdampfung von Kraftstoff verringert
wird.
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Bei
einer alternativen Anordnung kann die Niederdruckanschlussleitung 23 mit
einem Ventil 25 versehen sein, das die Geschwindigkeit
des Kraftstoffstroms längs
der Niederdruckanschlussleitung 23 einschränkt, was
den Kraftstoffdruck innerhalb des Teils der Niederdruckanschlussleitung 23 stromaufwärts von
dem Ventil 25 auf ein Niveau steigert, das ausreicht, um
zu sichern, das eine Kraftstoffverdampfung nicht auftritt, oder
um die Gefahr einer Kraftstoffverdampfung auf ein annehmbares Niveau zu
verringern. Wenn ein Kühlstrom
von Kraftstoff bereitgestellt wird, ist das Ventil 25 zweckmäßigerweise so
angeordnet, dass es die Niederdruckanschlussleitung 23 unter
Druck setzt, die durch den Kraftstoffstrom von dem Durchgang 24 zu
der Leitung 23 gekühlt
wird.
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Wenn
der Kraftstoffdruck innerhalb der Niederdruckanschlussleitung 23 unter
Verwendung einer der hierin zuvor erörterten Techniken angehoben wird,
ist es wichtig, zu sichern, dass der Kraftstoffdruck innerhalb der
Niederdruckanschlussleitung 23 ausreichend niedrig ist,
damit der Druckunterschied über
das Servoventil 21 ausreicht, um zu sichern, dass die Stellglieder 20 und
das Servoventil 21 im gesamten Bereich der Betriebsbedingungen
des Triebwerks richtig arbeiten.