DK173183B1 - Gennemstrømningsregulator - Google Patents

Description

DK 173183 Bl

Den foreliggende opfindelse angår en gennemslrømningsrégulator til udmåling af en væske- « '4 strøm med konstant vægt og med kompensering af temperaturændringer i væsken, især en brændstofregulator.

5 En brændstofregulator udmåler eksempelvis brændstof til en gasturbinemotors forbrændings-kammer. Ideelt er vægtstrømmen, dvs. vægten af gennemstrømmet brændstof pr. tidsenhed, konstant for enhver given driftstilstand, hvor hastighed og tilgangsluftens tæthed er konstant. Temperaturen af det brændstof, som ledes til regulatoren, kan Imidlertid typisk variere i området *50"C tit 110*C. Over et sådant område kan brændstoffets massefylde ændres omkring 7%.

10 Brændstofregulatorer er sædvanligvis Indrettet til at udmåle en konstant volumenstrøm, og hvis brændstoffets massefylde varierer, vil der udmåles forkert vægt. Kendte regulatorer er derfor typisk indrettet til at justere trykfaldet over regulatoren som en funktion af temperaturen for at holde vægtstrømmen konstant.

15 En regulator af denne art kendes fra EP-A-0 106 781, der angår en regulator med udmålingsorganer og trykfaldstyreorganer. Et udmålende ventilelement i denne kendte regulator har et udmålende vindue, der regulerer væskestrømmen i forbindelse med en passage i huset. I udmåleelementet er anbragt en trykfaldstyrebøsning, der samvirker med et trykfaldstyrevindue i udmåleelementet. Trykfaldstyrebøsningen er bevægelig I overensstemmelse med trykket op-20 strøms og nedstrøms udmålevinduet og i overensstemmelse med en temperaturføler, der skifter længde, når temperaturen I væskestrømmen ændres.

Nogle højhastigheds militære flymotorer har efterbrændere, hvor udstødningen fra gasturbinemotoren opvarmes til en højere temperatur ved tilsætning af yderligere brændstof for at frem-25 bringe større udstrømningshastighed og dermed reaktionskraft. Efterbrændere benyttes generelt i kortere perioder og kan forblive ude af drift i lange perioder. Efterbrænderens brændstofregulator og dens indhold af brændstof kan blive meget varm under sådanne stilstandsperioder. Når efterbrænderen tændes, vil meget koldt brændstof blive tilført regulatoren fra brændstoftankene. En hurtig temperaturændring vil da medføre en hurtig massefyldeændring, hvorfor 30 vægtstrømsfejlen bliver ganske stor. Konventionelle kompenseringsmetoder virker forholdsvis langsomt. Sædvanligvis er efterbrænderen atter slukket, inden kompenseringsbestræbelserne ^ når at have nogen praktisk betydning.

Formålet med opfindelsen er at anvise en gennemstrømningsregulator med meget hurtig kom-35 penserlng for ændringer i massefylde for brændstof, der passerer regulatoren med henblik på nøje styring af vægtstrømmen.

Dette opnås ifølge opfindelsen ved den i krav 1 anviste konstruktion.

2 DK 173183 B1

Kompenseringen opnås direkte uden at involvere den elektroniske brændstofregulering.

Ved en udførelsesform for opfindelsen består det temperaturfølende organ af et første metallisk element og et andet, koaksialt, metallisk element omgivende det førstnævnte, hvilket andet 5 element har flere åbninger, således at den overvågede væske let kan aflastes af de to elementer. Da det temperaturfølende organ er anbragt inde i den udmålende ventil, er det udsat for det strømmende brændstof, når dette indtræder i regulatoren. Herved følges nøje den aktuelle temperatur af det brændstof, som udmåles til efterbrænderen.

10 Den logaritmiske udformning af vinduesorganerne tillader en procentvis ændring af vægtstrømmen svarende til en procentvis ændring af det temperaturfølende organs længde.

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere i forbindelse med tegningen, hvor 15 fig. 1 skematisk viser en gennemstrømningsregulator ifølge opfindelsen delvis gennemskåret, fig. 2 i udfoldet tilstand en I regulatoren indgående, cylinderformet bøsning, fig. 3 en i regulatoren indgående temperaturføler, og fig. 4 en del af en åbning i bøsningen ifølge fig. 2.

20 Den på tegningen viste regulator er beregnet for brændstof til efterbrænderenheder (ikke vist) for en (heller ikke vist) turbofan- eller turbojetmotor. Regulatoren 10 omfatter et hus 14, en måleventil 16, en temperaturføler 12 og et antal spærre- og trykregulerende ventiler 18.

Måleventilen 16 regulerer den mængde af brændstof, som strømmer til efterbrænderenhedeme 25 gennem reguleringsventilerne 18 og ledninger 20 og 22. Hver ventil 18 åbner for gennemstrømning efter behov og regulerer trykfaldet over måleventilen, men er i øvrigt den foreliggende opfindelse uvedkommende. Måleventilen omfatter en stort set cylinderformet bøsning 24, som passer tæt for frem* og tilbagegående bevægelse i en cylinderformet føring 26 i huset 14. Bøsningen har flere åbninger 28 (vist med punkteret streg i fig. 2), som modsvarer særligt ud-30 formede vinduer 30 i foringen. Hvert vindue står i forbindelse med en ventil 18 via en ledning 20.

En cylinderformet flange 32 strækker sig udad fra den i fig. 1 venstre ende af bøsningen 24 inde I en forstørret del 34 af foringen 26. Hydraulisk fluidum kan ledes til de to sider af flangen 32 via 35 ledninger 36 og 38. En digital elektronisk brændstofstyring (ikke vist) styrer en elektrohydraulisk ventil 40, som regulerer fluidumtrykket i de to ledninger 36,38, således at flangen og dermed bøsningen 24 kan forskydes aksialt i foringen 26. Denne forskydning medfører ændring af 3 DK 173183 B1 gennemstrømningsarealet gennem åbningerne 28 og de modsvarende vinduer 30 og dermed af _ > mængden af brændstof, som tilføres hver efterbrænderenhed.

Temperaturføleren 12 er anbragt koaksialt i bøsningén 24 og omfatter en ydre kappe 42, en stav 5 44 og en tilbagekoblingsmekanisme 46. Kappen og staven er fremstillet af forskellige metaller (AMS 5630 stål henholdsvis en nikkellegering, såsom eksempelvis INVAR® fra General Aerospace. Plainvlew, New York) for at udgøre et temperaturfølsomt, bimetallisk element. Kappen (se tig. 3) er hul, tyndvægget, perforeret og har fem koakslale dele. Kappen har en første del 45 med størst diameter og fastgjort til bøsningen, en konisk anden del 46, hvis diameter aftager 10 mod venstre i fig. 3, en cylinderformet tredje del 48, som strækker sig mod venstre fra den anden del, en konisk fjerde del 50, hvis diameter aftager mod venstre fra den tredje del, og en cylinderformet femte del 52, som strækker sig mod venstre fra den fjerde del. Den venstre ende af den femte del er forsynet med et indvendigt gevind 54. Kappen har, som tidligere nævnt, fere gennemgående huller, som tillader, at brændstoffet passerer det indre af kappen og sta-15 ven. Når brændstoffet passerer fra venstre mod højre i bøsningen 24, vil væsketrykket have tendens til at falde fra venstre mod højre, efterhånden som brændstof ledes til efterbrænderen-hederne. Temperaturfølerens ovennævnte form tjener til at opretholde brændstoftrykket i hele bøsningens længde.

20 Staven 44 har en første gænget ende 56 for samvirke med gevindet 54 i kappens femte del 52.

En anden ende 58 af staven er fastgjort til tilbagekoblingsmekanismen 46, som kan omfatte en lineær variabel transducer. Staven er monteret for frem- og tilbagegående bevægelse i en lejefade 60 i huset. Tilbagekoblingsmekanismen afgiver signal til den ikke viste digitale elektroniske brændstofstyring.

25

Vinduerne 30 er særligt udformet for at muliggøre en logaritmisk strømning. Det er kendt, at Q = KA (6PS) 5 30 hvor Q = motorbrændstofstrøm A = måleventilvinduesareal 5P = måleventiltrykfald, S = brændstofmassefylde , K = mundingsstrømningskonstant.

35

Det ses, at en ændring af brændstofstrømmen Q er afhængig af en ændring i massefylden S: 4 DK 173183 B1 dQ dA _ , ds q; = x"0,5s· . Da det er ønskeligt, at Q forbliver konstant ved ændringer i S. skal _ dA _ c ds _ dA „ds 5 --0,5 — = o eller — = 0,5 —

AS AS

Det ses, at en ændring på 1% i S skal medføre en ændring på 0,5% iA.

Kappen og staven i varmeføleren har forskellig temperaturudvidelseskoefficient. Ved passende 10 udformning på kendt måde kan man opnå en lille differentiel udvidelse (dx) i akseretningen: dx = kdT, hvor k er en konstant.

Det er også kendt, at brændstoffets massefylde kan udtrykkes ved: 15 S = aT + C, hvor a og C er konstanter.

Tilsvarende gælder 20 dx = aDT.

Af ovenstående findes ved indsættelse λ «dS dx = k— a 25

En ændring af brændstoffets massefylde som følge af en temperaturændring medfører altså en forskydelig dx. En bevægelse x af bøsningen 42 udtrykkes ved x = cln(Q), hvor c er en konstant, og 30

. dQ

dx = c —

Q

Da = —, når S = en konstant, er

Q A

35 k ΤΓ = c ΤΓ eller

S Q

; i 5 DK 173183 B1

, dS dA

k — = CT

> a A

En procentvis ændring i forskydningsbevægelsen x vil frembringe en tilsvarende procentvis ændring i Q eller A. Da en konstant Q kræves, ønskes en ændring af A. Hvis en forskydning dx af 5 passende størrelse realiseres mellem måleventilen 16 og tilbagekoblingsmekanismen 46. vil måleventilen kompensere for brændstofmassefyldeændringer, der opstår ved temperaturændringer, ved en fast procentuel ændring af strømmen uafhængigt af dennes faktiske størrelse. Temperaturføleren 42 fremkalder en sådan forskydning dx.

10 Det logaritmiske vindue har pr. definition følgende x- og y-koordinater (fig. 4):

x = cln Q

x = c(lnQ - In Qmin) eller x = cln(Q/Qmin), 15 som er vindueslængden, og da 6P = (Qmin ln(Qmax/Qmin))/(b ymin xmax) 20 hvor b er en konstant og 6P kendt, bestemmes y af δΡ således: y = (——) ymin y 'Qmin hvor y er vinduesbredden.

25

Under drift ledes brændstof ind i bøsningen 24. hvor det overspuler temperaturføleren 12. Kappen 42 og staven 44 reagerer hurtigt på temperaturændringen på grund af de store overfladearealer og kappens ringe tykkelse, brændstoffets lette adgang til staven gennem kappens perforeringer samt placeringen af føleren i væskestrømmen. Reaktionen på temperaturændrin-30 ger er, at staven bevæges i lejefladen 60 og påvirker tilbagekoblingsmekanismen 46. Et styre-signal fra denne medfører, at den elektrohydrauliske ventil 40 påvirker bøsningens flange 32 til forskydning (nulstilling) af bøsningen 24. Da vinduerne 30 er udformet til at give en logaritmisk strøm, vil en procentvis ændring i brændstoffets massefylde medføre en arealændring mellem ” vinduerne 30 og åbningerne 28 i måleventilen, som tillader en tilsvarende procentuel ændring i 35 brændstofstrømmen. Den elektroniske styring har ikke behov for at kende den aktuelle temperatur.

6 DK 173183 B1

Fordelene ved den anviste udformning er følgende: Temperaturføteren er placeret direkte i '· » brændstofstrømmen og kan reagere meget hurtigt (2-4 sek.), føleren er meget stiv og derfor mekanisk stabil, og den aktuelle brændstoftemperatur behøver ikke at være kendt.

Claims (5)

7 DK 173183 B1

1. Gennemstrømningsregulator til udmåling af en væskestrøm med konstant vægt og med kompensering af temperaturændrlnger i væsken, og omfattende 5 en ventil (16) til udmåling af den konstante vægtstrøm, hvilken måleventil har vinduesorganer (30) med logaritmisk form og en bøsning (24), som af aktiveringsorganer kan bevæges langs en akse for at regulere det åbne gennemstrømningsareal i vinduesorganeme (30) til udmåling af en konstant vægtstrøm derigennem, et temperaturfølende organ (12) til at aftaste en ændring af temperaturen, hvilket temperaturfø-10 lende organ (12) er anbragt inde i bøsningen (24) I væskestrømmen, og hvilket temperaturfølende organ (12) ændres en given procentdel i længden i retning af den nævnte akse, når temperaturen af væsken ændres, og organer til aftastntng af den nævnte længdeændring og til at styre nævnte bøsningsaktiverende organer på en sådan måde, at når det temperaturfølende organ (12) ændres en given procent-15 del i længden, ændres en tilsvarende procentdel af det åbne gennemstrømningstværsnit i vinduesorganerne (30), således at en konstant vægtstrøm opretholdes.

2. Gennemstrømningsregulator ifølge krav 1, kendetegnet ved, at vinduesorganemes (30) form udtrykt ved x-y koordinaterne er 20 x = cln(Q/Qmin) og y = (——:-) ymin 'Qmin'1 hvor c er en konstant 25. vægtstrømmen ymin er bestemt af 5P = (Qmin ln(Qmax/Qmin))/(b ymin xmax) 30 hvor b er en konstant, og trykfaldet 6P er kendt.

3. Gennemstrømningsregulator ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at det temperaturfølende organ (12) omfatter et første element (42) med en første termisk udvidelseskoefficient - ' og med den ene ende fastgjort til bøsningen (24), og et andet element (44) omsluttet afen del af 35 det første element (42) og med en anden termisk udvidelseskoefficient, hvilket andet element (44) har en endedel (56), der er fastgjort til den anden ende af det første element (42). hvorhos I DK 173183 B1 8 der ved den anden endedel (58) af det andet element (44) findes en tilbagekoblingsmekanisme (46) til aftastning a? det temperaturfølende organs (12) længdeændring.

4. Gennemstrømningsregulator ifølge krav 3. kendetegnet ved, at det første element 5 (42) er en tynd perforeret kappe, og det andet element (44) er en I kappen anbragt stav.

5. Gennemstrømningsregulator ifølge krav 4, kendetegnet ved, at kappens (42) diameter aftager i væskestrømmens retning. 10 r