SE439517B - Brenslesystem - Google Patents

Description

8005902-5 10 15 20 25 30 35 2 bränsleflöde för olika lågeffekts (tomgångs) inställningar ökas skärningsvinklarna kraftigt. Ovanför tomgångshastigheterna utnyttjas emellertid inte nödvändigtvis regulatordrift, och kvotenheterna kan programmeras som svar pâ kompressor- utloppstrycket enbart. Ett exempel på ett regulatorsystem visas och beskrivs i US-PS 3 611 719.

En ytterligare begränsning som lagts på gasturbinbränslestyranordningar- na är behovet av ett absolut minimibränsleflöde till motorn för varje effekt- reglageläge bortom ett frânslagningsläge. Typiskt sett har detta uppnåtts genom att anordna kompletterande bränsleflödesstyrkretsar, som verkar i förening med det minimala bränsleflölde som ges av den mekaniska regulatorn, som helt enkelt fastställer olika minim-ibränsleflöde i tomgångsomrâdet för olika lågeffekts effektreglageinställningar. i En annan funktion hos en gasturbinbränslestyranordning är att modifiera bränsleflödet till motorn i förhållande till olika parametrar, såsom motorhastig- het, .acceleration och temperatur, och omgivningstemperatur och -tryck. Skälet till detta är dubbelt: att öka motorns driftsverkningsgrad och att förhindra motordrift vid vissa hastigheter och kvotenheter för att undvika arbete i motorns område med ojämn gång. Nyliga framsteg vid bränslestyranordningar utmärks av ökad användning av elektroniska anpassningar med hydromekaniska bränslestyr- anordningar för att åstadkomma dessa bränsleflödesmodifieringsegenskaper.

Viktigast bland dessa nyliga framsteg är användningen av datorbaserade system, som avkänner de olika parametrarna för att bilda signaler som modifierar bränsleflödet i den hydromekaniska delen av systemet. Eftersom tillförlitlighet är en viktig faktor vid alla bränslestyranordningar, fortsätter det att anses viktigt att sörja för motordrift separat och utan den elektroniska delen. Med andra ord skall den elektroniska delen inte användas som enda organ för styrning av bränslestyranordningen utan i stället som organ för modifiering av en basstyrning som ges av den hydromekaniska delen.

De föregående teknikerna för att uppnå stabil, effektiv motordrift och upprätta minimalt bränsleflöde ökar avsevärt kostnaden, underhållet och stor- leken på bränslestyrsystemen. Medan således funktionen hos sådana styranord- ningar varit utmärkt, finns det ett klart behov av mindre, lättare bränslestyr- anordningar som åstadkommer samma resultat till avsevärt mindre kostnad.

Detta gäller särskilt för bränslestyranordningar för mindre turbinmotorer, såsom sådana som används i små, privata jetplan och liknande.

Ett syfte med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett gas- turbinbränslestyrsystem, i vilket det ingår en hydromekanisk del för att åstadkomma en grundbränslestyrning till motorn och en elektromekanisk an- 15 20 25 30 35 8005902-5 3 passning till det hydromekaniska systemet, genom vilken bränsleflödet kan modifieras som svar på olika motordriftsparametrar, såsom motortemperatur, acceleration och hastighet, och omgivningsparametrar, såsom temperatur och barometertryck.

Enligt föreliggande uppfinning tillför en hydromekanlsk bränslestyr- anordning grundbränslebehoven för gasturbinmotorn över hela området av effektreglagelägen. Denna bränslestyranordning utnyttjar variabla fönsterven- tiler, över vilka bränsletrycket hålls vid en konstant nivå. Allteftersom fönstren öppnas och stängs som svar på en effektreglageförflyttning och ändringar av kompressorutloppstrycket, modifieras bränsleflödet till motorn. En momentmotor aktiveras för att öppna en ventil, som åstadkommer en tryckför- ändring över fönstren och således förorsakar att flödet genom fönstren ändras.

Eftersom det modifierade flödet genom ventilerna till motorn inte erhålls från momentmotorn utan istället genom en förändring i det tryck den alstrar, är motorns effekt- och storleksbehov små. Den är därför ytterst känslig och väsentligen fri från sådana negativa egenskaper som hysteres, som uppträder i motsatta system, där ventilen direkt styr bränsleflödet och ventilstyrmotorn därför måste vara större och starkare för korrekt ventilmanövrering.

Ett särdrag för föreliggande uppfinning är att den kan användas helt eller delvis med de bränslestyrsystem som beskrivs i de ovannämnda ansök- ningarna.

Det föregående och andra syften, fördelar och särdrag med uppfinningen kommer att framgå och vara uppenbara för fackrnannen genom den detaljerade beskrivning Qçh det patentkrav som följer samt ritningarna, där: Fig. l är ett funktionsblockschema för ett regulatorfritt bränslestyr- ventilsystem, Fig. 2 är en kurva som visar det samband mellan kvotenheter och motorhastighet som åstadkommes av bränslestyranordningen i Fig. l, och Fig. 3 är en tvärsektionsvy av en utföringsform av ett bränslestyrsystem enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 1 visar ett trekretsventilsystem 10, som reglerar bränsleflödet till en motor (ej visad) i beroende av motorns kompressorutloppstryck (CDP) och erfordrad effekt. Fig. 2 visar det samband som upprättas av detta system 10 mellan kvotenheter (WR/(CDP) och motorhastighet (N) vid olika lägen av effektreglageframföring (PLA).

Bränsle pumpas till en gemensam bränsleinmatningsport l2 och ström- mar ut från en gemensam bränsleutloppsport lll under vägen till motorn. En första variabel fönsterventil 16 är mekaniskt kopplad till motorns effektreglage 18, som kan föras fram mellan ett helt stängt läge 20 och ett helt öppet läge 22 10 15 20 25 30 35 8005902-5 4 för val av motorhastighet i omrâdet från tomgång (NL) till full effekt (NH). En andra variabel fönsterventil 24 är också ansluten till effektreglaget 18. Bränslet som strömmar genom ventilen 16 går till en annan variabel fönsterventil 26, som svarar på CDP på så sätt att dess fönsteröppning ökar när CDP ökar. En annan variabel fönsterventil 28 svarar också på CDP på samma sätt, men den mottar bränsle direkt från inmatningsporten 12. Följaktligen är det bränsle som tillförs till motorn vid porten 14 summan av det bränsle som lämnar ventilerna 24, 26 och 28.

Bränsletrycket mellan inloppet och utloppet i ventilarrangemanget hålls vid ett konstant tryck med hjälp av en tryckregulator, som inte visas i Fig. l, eftersom dess utformning och funktion är välkänd. I Fig. 3 visas emellertid en typisk tryckregulator i ett hydromekaniskt bränslesystem, som är en konkret utföringsform av systemet 10 och beskrivs i en senare del av beskrivningen.

Ventilerna 16 och 24 är såanordnade i sin förbindelse med effekt- reglaget 18, att när reglaget befinner sig vid minimieffektläget 20, fönstret i ventilen 16 är helt stängt och fönstret i ventilen 24 är helt öppet. Ventilen 24 ger således. ett absolut minimibränsleflöde till motorn utan hänsyn till CDP. Med andra ord så tillhandahålls, även om CDP hypotetiskt är noll, ett minimibränsle- flöde från ventilen' 24 för att upprätthålla motordriften. Allteftersom effekt- reglaget förs fram (PLA ökas) mot läget 22, stängs ventilen 24 successivt och reducerar således minimibränsleflödet. Samtidigt öppnas emellertid fönstret i ventilen 16, vilket således ökar bränsleflödet till ventilen 26, vars fönsteröppning regleras som svar på CDP. Eftersom ventilen 28 mottar bränslet direkt från inloppskanalen 12, är flödet därigenom och till motorn helt enkelt en funktion av CDP, och generellt sett, när_CDP ökar (N ökar), så ökar fönsteröppningen enligt ett förutbestämt samband för att ombesörja större bränsleflöde. Sambandet mellan CDP och bränsleflödet härrör huvudsakligen från fönsterkonstruktionsut- formningen, och med användning av välkända tekniker kan sambandet skräddarsys så att man uppnår en speciell bränsleflödesförändring som svar på CDP över hela CDP-området, såsom Lex. visas av kurvorna i Fig. 2. Detta kriterium gäller även den andra CDP-känsliga ventilen 26.

I både Fig. 1 och 2 adderas vid de lägre PLA-lägena CDP-flödes- karakteristikorna för ventilerna 26, 28 till minimiflödeskarakteristikorna för ventilen 24. Vid låg hastighet (dvs. området 29) är emellertid flödet från CDP- ventilerna 26, 28 litet jämfört med minimiflödet, eftersom CDP är lågt. I detta område är därför bränsleflödet (Wi) i huvudsak en olika konstant för varje PLA, som ger upphov till den avtagande negativa lutningen för minimiflödesdelarna (dvs. 30, 31) när PLA ökar.

När motorhastigheten (N) ökar med ökande PLA, blir bränsleflödet (Wi) 10 15 20 25 30 35 8005902-5 5 i ökande grad en funktion huvudsakligen av CDP och PLA. Detta ger den utflackning som visas i kurvorna i Fig. 2 allteftersom motorhastigheten (N) ökar, och den sker huvudsakligen på grund av att, när PLA ökar, minimiflödet från ventilen 24 minskas, flödet till den CUP-känsliga ventilen (26) ökas (genom den ökade öppningen hos fönstret i ventilen 16) och flödet genom ventilerna 26 och 28 ökas, allteftersom CDP ökar med (N).

Vid lägre PLA-lägen sker skärningarna (dvs. 34) mellan motorns stationärt tillståndslinje och PLA-kurvorna med en betydande vinkel. Huvud- orsaken till detta är att samtliga PLA-kurvor utgår från samma maximikvot- enhetspunkt 36, som definieras av det absoluta minimivärdet av Wi för CDP noll.

Detta âstadkommes av minimiflödesventilen 24, vilken som tidigare angivits, tillför ett absolut minimibränsleflöde till motorn vid minimi-PLA-läget, oberoen- de av motorhastighet och CDP.

Eftersom skärningsvinkeln är stor (vid både låga och höga hastigheter) är det kvotenhetsläge som är förbundet med varje PLA-läge för en speciell motorhastighet pâ stationärt tillstândslinjen ytterst väldefinierat. Det är således hög upplösning, vilket innebär att varje PLA-läge resulterar i en specifik motorhastighet. Upprättandet av minimibränsleflödesdelen med konstant lutning (dvs. 30, 31) för varje PLA ger stor skärningsvinkel i motorns låghastighetsom- råde 29, där det är kritiskt för hastighetsprecisionen, eftersom stationärt tillståndskurvan som synes där har noll- och negativ lutning. När skärningsvinkeln i detta område av stationärt tillstândskurvorna blir mindre, blir motorhastighets- regleringsprecisionen direkt lidande, eftersom skärningspunkterna samman- smälter, vilket ger oprecisa arbetspunkter för varje PLA i låghastighetsomrâdet.

Genom att införa hög skärningsvinkel ger bränsleregleringen följaktligen hög hastighetsprecision i lâghastighetsområdet. Vid höga hastigheter är stationärt tillståndskurvans lutning stor, och skärningen med PLA-kurvorna innebär därför inte något problem för hastighetsprecisionen.

Fig. 3 visar ett bränslestyrsystem 35, som innefattar ventilarrange- manget 10. Detta system innefattar en elektronisk beräkningsenhet (ECU) 36 som övervakar olika motordriftsparametrar och omgivningsparametrar för att styra driften av bränslestyranordningen för att modifiera det bränsleflöde som tillförs motorn. Ett utmärkande särdrag för detta bränslestyrsystem är att motordriften kan fortsätta utan någon betydande försämring i frånvaro av ECU-reglering.

Huvudorsaken till detta är att hydromekaniska delar upprättar det minimiflöde till motorn som krävs för hastighetsökning och -minskning som svar på förflyttning av effektreglaget. Å andra sidan modifierar den elektroniska beräkningsenheten 36 detta "bas"-flöde i beroende av vissa motor- och omgiv- 10 15 20 25 30 MJ \.'| 8005902-5 6 ningsparametrar. På detta sätt åstadkommer man tillförlitligheten hos ett rent hydromekaniskt system tillsammans med de egenskaper vad gäller exakt bränsleregleringsjustering som kan erhållas från ett kontinuerligt övervakande elektroniskt bränslestyrsystem.

Bränsle tillförs till en inloppskanal 38 från en bränslepump 40. Bränslet strömmar genom en ledning 42 till ett reglerventilaggregat 44 och sedan genom en annan ledning 46 till en effektreglageventil 48, som är ansluten till effektreglaget 18. Ventilen 48 är ansluten till en potentiometer 49, som används för att tillföra en elektronisk signal till ECUm via ledningar 50. Signalen anger effektreglageläget. Eífektreglageventilen 48 har två variabla öppningsfönster 54, 56 och ett motoravstängningsfönster 57, som avbryter allt bränsleflöde till motorn, när reglaget 18 är tillbakadraget till ett visst avstängningsläge.

Fönstret 54 utgör ett minimiflödesfönster, som ombesörjer minimibränsleflöde genom en ledning 55 till ett bränslestyranordnlngsutlopp 58, som är förbundet med motorns bränsleinlopp 59. Med effektreglaget i sitt minimiläge är fönstret 54 helt öppet och sörjer för ett absolut minimibränsleflöde till motorn. Det andra fönstret 56 är ett accelerationsfönster, som öppnas när effektreglaget förs framåt, vilket samtidigt stänger minimiflödesfönstret 54. Bränslet från fönstret 56 strömmar in i en ledning 60_till en dubbelfönsterventil 61 ansluten till ett servo 62. Servot 62 avkänner kompressorutloppstrycket (CDP) på en kanal 64.

När CDP ökar, skjuter det en bälg 66 uppåt 68 och vrider därigenom en vinkelhävarm eller arm 67 moturs. När vinkelhävarmen 67 vrids moturs, öppnar den successivt en positiv flapperventil 70 och en negativ flapperventil 72. När CDP minskar, vrids vinkelhävarmen 67 medurs och ventilerna 70, 72 stängs successivt. Tillsammans ger ventilerna 70, 72 negativ belastníngskompensation till servot på ett sätt som beskrivs i detalj i den samtidigt inlämnade ansökningen 8005900-9. Flapperventilen 72 är ansluten till en lâgtrycksida 74 hos servot.

Lâgtrycksidan 74 är via en strypning 76 ansluten till högtrycksidan 78, som står i förbindelse med ventilen 70 via en strypning 71 och en ledning 77. l-lögtrycksidan har en verksam yta som är mindre än lågtrycksidans yta (t.ex. hälften).

Högtrycksidan 78 är via en ledning 80 ansluten till bränsletillförselledningen 38.

När exempelvis CDP ökar, ökar bränsleflödet genom strypningen 76 allteftersom ventilen 72 öppnas. Detta minskar trycket på lågtrycksidan hos servot, som då förskjuts till vänster 84. En minskning i CDP förorskar emellertid förflyttning till höger genom att öka trycket på lågtrycksidan, när bränsleflödet genom ventilen 72 minskar. Servot förflyttar ventilen 61, som genom en fjäder 87 är kopplad till vinkelhävarmen. Servot drar ventilen 61 i riktningen 84 när CDP ökar, vilket drar vinkelhävarmen i en riktning som får flapperventilerna 70, 72 att stängas och 10 I5 20 25 30 35 8005902-5 7 reducerar flödet genom strypningen 76 till "noll"-nivå, som håller servot i läge mot fjädern. En minskning i CDP resulterar i motsatt reaktion: servot förflyttas så att ventilerna öppnas till nollbränslepunkten. När CDP ändras, förflyttar följaktligen servot ventilen så att ventilerna 70, 72 återförs till nolläget. När ventilen 61 förflyttas, varierar den öppningen hos ett fönster 88, som är anslutet via en ledning 89 mellan fluidtillförselledningen 38 och bränslestyranordningens utlopp. På liknande sätt varierar förflyttningen hos ventilen 61 öppningen hos ett andra fönster 90, som mottar bränsle från effektreglagefönstret 56 över ledningen 60 och reglerar dess flöde till utloppet 58 över ledningen 89. Således ökar bränsleutmatningen från styrenheten med CDP på grund av den ökande fönsterarea som åstadkommes genom förflyttningen av ventilen 61 till vänster.

Omvänt förflyttas ventilen till höger och reducerar bränsleflödet, när CDP reduceras. Vid lågt CDP (dvs. start) är fönstren 88, 90 stängda. På liknande sätt är vid start fönstret 56 stängt och bränsle tillförs från minimibränsleflödes- fönstret 51:. Det torde då vara uppenbart att servots och ventilens 61 verksamhet ger den funktionella verkan hos ventilerna 26, 28 i det förenklade trekretssystem som visas i Fig. l. Fönstret 88 motsvarar ventilen 28 och fönstret 90 motsvarar ventilen 26. På liknande sätt ombesörjer effektreglageventilen funktionen hos ventilerna 16, 21+ däri: fönstret 51+ motsvarar minimiflödesventilen 214, och fönstret 56 motsvarar ventilen 16.

Trycket över ventilerna hålls konstant för användning av ett regler- ventilsystem 44. På detta sätt åstadkommas ett konstant A P (Fig.l). Reglerventil- systemet arbetar på konventionellt sätt genom att avkänna fluidtrycket på en sida 92 och relatera det till en fjäder 94, som anbringar en kraft på den andra sidan av ventilen. Som beskrivs i den senare delen av denna beskrivning kan emellertid trycket över ventilerna modifieras, så att man uppnår dynamiska förändringar i kvotenheterna under styrning av den elektroniska beräkningsen- heten (ECU).

Inbegripen i bränslestyranordningen är en elektrisk momentmotor 100 som mottar elektriska signaler från ECU:n via ledningarna 102. Som svar på dessa signaler öppnar momentmotorn en flapperventil 104, som normalt är stängd i frånvaro av en signal. Som nämnts tidigare i beskrivningen bildar ECU:n och momentmotorn en elektrisk anpassning till den- hydromekaniska bränslestyranord- ningen för att förse motorn med lämpliga bränslekvotenheter i förhållande till effektreglageförílyttning, motorhastighet, temperatur, acceleration och omgiv- ningskarakteristika, och därigenom sörja för säker motordrift i frånvaro av ECU- kontroll. I själva verket kan ECU:n programmeras att sluta slingan för olika motorparametrar, såsom motorhastighet och avgastemperatur och förändra 10 15 20 25 30 35 8 0 0 5 9 0 2 - 5 8 kvotenhetsvärdena, tills de korrekta kvotenheterna uppnås för motorn vid varje driftsförhållande. ECUzn åstadkommer detta genom att anbringa en korrektions- signal på momentmotorn för att modifiera det bränsleflöde som produceras av den hydromekaniska delen för att uppnå de exakta kvotenhetsvärdena. ECU:n kan bestå av en hârdvarubaserad krets för modifiering av bränslereglering eller kan användas med andra kända elektroniska övervakningssystem. Modifieringarna av kvotenheterna som svar på sådana parametrar beror uppenbarligen på de specifika egenskaperna hos den gasturbin vid vilken bränslestyranordningen används. Således är det uppenbart, att ett särdrag med detta bränslereglersys- tem är att man genom styrning av momentmotorn kan "modifiera" bränsleflödes- behoven på ett stort antal sätt för att skräddarsy motorns prestanda.

När momentmotorn öppnar flapperventilen 104, föreligger det ett bränsleflöde genom en ledning 105, som går till en strypning 106, vilken står i förbindelse med bränslestyranordningens utlopp 58. Det ökade flöde som förorsakas av flapperventilens öppning ger ett tryckfall över strypningen 106, och detta tryckfall ökar tryckfallet över fönstren 88, 90 i ventilen 61 och fönstren 54, 56 i effektreglageventilen 48 som är i förbindelse med strypningen 106 på grund av sina parallella anslutningar till bränsleutloppet 58. Tryckreglerventilen 41+ upprätthåller konstant tryck uppströms fönstren vid #2. Den åstadkommer detta genom förflyttning av ventilen l08, som rör sig så att vägen stängs mellan ledningen 42 och en förbiledning ll0, när trycket över strypningen 106 ändras.

Detta reducerar förbiflödet och förorsakar ett större flöde till fönstren genom ledningen 46. På detta sätt ökas bränsleflödet genom bränsleutloppet indirekt genom drift av momentmotorn. Det är viktigt att det är en betydande "förstärkning" mellan flödet genom momentmotorns flapperventil och den verkliga ökningen i bränsleflödet vid bränsleutloppet som härrör från den tryckförändring den åstadkommer. Till följd härav kan en liten momentmotor med låg effekt användas. Vanligtvis innebär detta att den har mycket liten hysteres, vilket gör det möjligt att få ytterst exakta modifieringar av bränsleflödet.

Det föregående är en detaljerad beskrivning av en föredragen utförings- form av föreliggande uppfinning och kan för fackmannen på området antyda olika modifieringar och variationer av densamma utan att avvika från den verkliga omfattningen och grundtanken för uppfinningen sådan den beskrivits häri och anges i det följande patentkravet.

Claims (1)

1. l0 15 8005902-5 PATENTKRAV Bränslestyrsystem, kännetecknat avattdetinnefattar en bränslestyrkrets med en bränsleinloppsport (38) för att motta bränsle från en bränsletillförselledning, och ett bränsleutlopp (58) för att tillföra bränsle till en utloppsledning (59), varvid nämnda krets upprättar bränsleflöde mellan nämnda inlopp (38) och utlopp (58), en bränsletryckregulator (#4) för att upprätthålla ett förvalt konstant tryck på tillförselledningen genom referens till en bränsletryckreferens (90), varvid nämnda referens kan ökas genom anbringande av ett förstärkningstryck på inloppsporten hos regulatorn (44), och organ för att öka bränsleflödet som svar på en elektrisk signal genom ökning av nämnda tryckreferens, varvid dessa organ innefattar: ett stryporgan (106) med sitt inlopp anslutet till regulatorinloppet (105) och sitt utlopp anslutet till reglerkretsens utlopp (58), och en ventil (104) som kan regleras av en momentmotor (l00) som svar på nämnda signal íör att tillföra fluid från bränsletillförselledningen till stryp- organsinloppet (l06), varvid nämnda flöde ökar trycket mellan styrkretsens utlopp (58) och nämnda referens och därigenom ökar trycket mellan styrkretsens in- och utlopp och ökar bränsleflödet däremellan.