SE445660B - Brenslestyranordning for styrning av brensleflodet till en gasturbinmotor - Google Patents

Description

10 15 _20 25 30 as 800590147 2 kraftigt. Ovanför tomgångshastigheterna utnyttjas emellertid inte nödvändigtvis regulatordrift, och kvotenheterna kan programmeras som svar på kompressor- utloppstrycket enbart. Ett exempel på ett regulatorsystem visas och beskrivs i US-PS 3 611719.

En ytterligare begränsning som lagts på gasturbinbränslestyranordningarna är behovet av ett absolut minimibränsleflöde till motorn för varje effektreglage- läge bortom ett frånslagningsläge. Typiskt sett har detta uppnåtts genom att anordna kompletterande bränsleflödesstyrkretsar, som verkar i förening med det minimala bränsleflöde som ges av den mekaniska regulatorn, som helt enkelt fastställer olika minimibränsleflöde i tomgångsområdet för olika effektreg- lageinställningar för låg effekt.

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 bränsiestyrsystemen. 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.

Syftena med föreliggande uppfinning innefattar att man åstadkommer ett bränslestyrsystem för turbinmotorer, som upprättar ett minimibränsleflöde för olika effektreglagelägen i lågeffektsområdet utan användning av något mekaniskt regulatorsystem.

Ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett l0 15 20 25 30 35 8005901-7 3 absolut minimibränsleflöde till motorn genom användning av samma organ som upprättar minimibränsleflödet för olika effektreglagelägen.

Ytterligare ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma en liten, ekonomisk bränslestyranordning, som är särskilt lämplig för användning vid små. turbinmotorer som används vid drift på höga höjder.

Enligt en aspekt av föreliggande uppfinning är bränslestyranordningen uppdelad i tre kretsar, som tillsammans tillför bränslet i motorn. I en första av dessa kretsar passerar bränslet genom en ventil, som reglerar bränsleflödet som svar på effektreglageläget. Bränsleflödet från denna ventil passerar sedan till en ventil, som reglerar flödet som svar på kompressorutloppstrycket. I en andra krets passerar bränslet genom en ventil, som reglerar flödet som svar på kompressorutloppstrycket. En tredje krets innefattar en ventil, som även svarar på effektreglageläget för att ombesörja ett minimiflöde, när effektreglaget befinner sig i tomgångs-retardationsområdet. När reglaget förs fram reduceras emellertid minimiflödet successivt. Trekretssystemet bildar en grupp prestanda- kurvor för kvotenheterna och motorhastigheten vid olika effektreglagelägen, som utgår från minimibränsleflödeslinjen vid tomgàngshastigheter och skär motorns stationärt tillståndslinje med hög vinkel, men vid högre motorhastigheter linjariseras, så att de ger konventionellt flacka kvotenhetskurvor som svar på motorhastigheter över tomgångshastigheterna.

Föreliggande uppfinning tillhandahåller således en bränslestyranordning, i vilken skärningarna mellan stationärt tillståndslinjen och de kvotenheter som presteras vid varje effektreglageläge är klart definierade, varigenom man eliminerar behovet av en regulator ("governor"). Dessutom finns inget behov av någon separat minimibränsleflödeskrets, eftersom svarskurvorna för effekt- reglageläget och kvotenheterna utgår från den minimibränsleflödeslinje som erhålls vid effektreglagets minimiläge. Man uppnår således betydande kostnads- besparingar.

Ytterligare syften, fördelar och särdrag med uppfinningen torde framgå och vara uppenbara för fackmannen av den detaljerade beskrivning, de patentkrav och de ritningar som följer, där: Fig. 1 är ett funktionsblockschema för ett regulator-fritt bränslestyr- ventilsystem, Fig. 2 är en kurva som visar det samband mellan kvotenheter och motorhastighet som âstadkommes av bränslestyranordningen i Fig. l, och Fig. 3 är en tvärsektionsvy av en utföringsform av ett bränslestyrsystem enligt föreliggande uppfinning.

Fig. l visar ett trekretsventilsystem l0, som reglerar bränsleflödet till 8005901-7 10 15 20 25 30 35 4 en motor (ej visad) i beroende av motorns kompressorutloppstryck (CDP) och erfordrad effekt. Fig. 2 visar det samband som upprättas av detta system l0 mellan kvotenheter (WQ/(CDP) och motorhastighet (N) vid olika lägen av effektreglageframföring (PLA).

Bränsle pumpas till en gemensam bränsleinmatningsport 12 och ström- mar ut från en gemensam bränsleutloppsport 14 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 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. 1, eftersom dess utformning och funktion är välkänd. l 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 så anordnade 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 mínimibränsleflöde 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 pâ CDP. Eftersom ventilen 28 mottar bränslet direkt från inloppskanalen l2, 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 t.ex. visas av kurvorna i Fig. 2. Detta kriterium gäller även den andra CDP-känsliga ventilen 26. l0 15 20 25 30 35 8005901-7 5 I både Fig. 1 och 2 adderas vid de lägre PLA-lägena CDP-flödes- karakteristikorna för ventilerna 26, 28 till minimiflödeskarakteristikorna för ventilen 21+. Vid låg hastighet (dvs. omrâdet 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 bränsleílödet (Wi) 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 CDP-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. I-luvudor- saken till detta är att samtliga PLA-kurvor utgår från samma maximikvotenhets- punkt 36, som definieras av det absoluta minimivärdet av Wi för CDP noll. Detta åstadkommas av minimiflödesventilen 24, vilken som tidigare angivits, tillför ett absolut minimibränsleflöde till motorn vid minimi-PLA-läget, oberoende 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 tillståndslinjen 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 lâghastighetsom- råde 29, där det är kritiskt för hastighetsprecisionen, eftersom stationärt tillstândskurvan som synes där har noll- och negativ lutning. När skärningsvinkeln i detta område av stationärt tillståndskurvorna blir mindre, blir motorhastighets-v regleringsprecisionen direkt lidande, eftersom skärningspunkterna samman- smälter, vilket ger oprecisa arbetspunkter för varje PLA i lâghastighetsområdet.

Genom att införa stor skärningsvinkel ger bränsleregleringen följaktligen hög hastighetsprecision i lâghastighetsomrâdet. 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- ll) _15 20 25 30 35 8005961-7 6 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- 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 brânslestyrsystem.

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. Effektreglageventilen 48 har tvâ 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 bränslestyranordningsutlopp 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 6D till en dubbelfönsterventil 6l 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 kompensation av negativ karaktär till servot på ett sätt som beskrivs i detalj i den samtidigt inlämnade ansökningen 8005900-9. Flapperventilen 72 är ansluten till en lågtrycksida 74 hos servot.

Lågtrycksidan 74 är via en strypning 76 ansluten till högtrycksidan 78, som står i ._ -s-w-v-.w-...É-»mwfl 10 15 20 25 30 35 8005901-7 7 förbindelse med ventilen 70 via en strypning 71 och en ledning 77. Högtrycksidan 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 lâgtrycksidan hos servot, som dä förskjuts till vänster Sir. En minskning i CDP förorskar emellertid förflyttning till höger genom att öka trycket på lâgtrycksidan, 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 reducerar flödet genom strypningen 76 till "no1l"-nivå, som håller servot i läge mot fjädern. En minskning i CDP resulterar i motsatt reaktion: servot förflyttas så att ventilerna öppnas till nollbrânslepunkten. 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 fluidtillförsellednlngen 38 och bränslestyranordningens utlopp. På liknande sätt varierar förflyttníngen 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 åstadkommas genom förflyttningen av ventilen 6l till vänster.

Omvänt förflyttas ventilen till höger och reducerar bränsleflödet, när CDP Vid lågt CDP (dvs. start) är fönstren 88, 90 stängda. Pâ liknande sätt är vid start fönstret 56 stängt och bränsle tillförs från minimibränsleflödesfönst- reduceras. ret 54. 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. 1. Fönstret 88 motsvarar ventilen 28 och fönstret 90 motsvarar ventilen 26. På liknande sätt ombesörjer effektreglageventilen funktionen hos ventilerna 16, 24 däri: fönstret 51! motsvarar minimiflödesventilen 21+, och fönstret 56 motsvarar ventilen 16.

Trycket över ventilerna hålls konstant för användning av ett regler- ventilsystem 41+. På detta sätt åstadkommes ett konstant AP (Fig. 1).

Reglerventilsystemet arbetar på konventionellt sätt genom att avkänna fluid- trycket 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 , _......-_...._.-... _ ...........,.............-.. »w- - ~ _..- . ...<~........-~ 8005901-7 10 '15 20 25 30 35 beräkningsenheten (ECU). , Inbegripen i bränslestyranordningen är en elektrisk momentmotor 100 som mottar elektriska signaler från ECU:n via ledningarna 102. Som svar pâ dessa signaler öppnar momentmotorn en flapperventil 104, som normalt är stängd i frånvaro av en signal. Som nämnts tidigare i beskrivningen bildar ECUm och momentmotorn en elektrisk anpassning till den hydromekaniska bränslestyranord- ningen för att förse motorn med lämpliga bränslekvotenheter i förhållande till effektreglageförflyttning, motorhastighet, temperatur, acceleration och omgiv- ningskarakteristika, och därigenom sörja för säker motordrift i frånvaro av ECU- kontroll. I själva verket kan ECUzn programmeras att sluta slingan för olika motorparametrar, såsom motorhastighet och avgastemperatur och förändra kvotenhetsvärdena, tills de korrekta kvotenheterna uppnås för motorn vid varje driftsförhållande. ECU:n 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. ECUm 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 bränsleregler- system är att man genom styrning av momentmotorn kan "modifiera" bränsle- flödesbehoven 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 51+, 56 i effektreglageventilen #8 som är i förbindelse med strypníngen 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 108, som rör sig så att vägen stängs mellan ledningen 42 och en förbiledning 110, 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

Claims (4)

10 15 20 25 30 8005901-7 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 de följande patentkraven. ' PATEN TKRAV l. Bränslestyranordning för styrning av bränsleflödet till en gasturbinmotor som svar på olika motoreffektsinställningar, innefattande tre parallella bränsleflödeskretsar mellan en gemensam bränsleinlopps- port (12) och en gemensam bränsleutloppsport (14) och som har ventilfönster- organ i desamma, och organ för att upprätthålla konstant bränsletryck mellan nämnda inlopps- och utloppsportar (12, 14), kännetecknad avatt en första av nämnda kretsar innefattar ventilfönsterorgan (24), som ger ett minimibränsleflöde till motorn vid en förvald minimieffektinställning, motsvarande en minimidriftsnivå för motorn, varvid minimiflödet avtar i omvänt förhållande till effektinställningen, en andra av nämnda kretsar innefattar ventilfönsterorgan (28) som ger ett bränsle-flöde som en funktion av motorns kompressorutloppstryck, och en tredje av nämnda kretsar innefattar ventilfönsterorgan (l6, 26) för att ge ett bränsieflöde som ökar i direkt samband med effektinställningen och är en funktion av kompressorutloppstrycket.

2. Bränslestyranordning enligt patentkravet l, k n n e t e c k n a d av att de andra och tredje kretsarna är stängda, när motorn drivs vid och under nämnda miniminivâ. 8005901-7 10

3. Bränslestyranordning enligt patentkravet 1, som kan anslutas till motorns effektkontrollreglage (18), k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar: ett första ventilaggregat (#8) anslutet till effektreglaget (18), varvid nämnda första ventilaggregat (48) innehåller första och andra kopplade bränsle- flödesstyrningsfönster (54, 56), varvid nämnda första fönster (54) tillför nämnda minimibränsleflöde till motorn vid en förvald minimieffektreglageinställning, som svarar mot en minimidriftsnivâ hos motorn, och minskar minimiflödet allteftersom effektreglaget (18) förs framåt, ett andra ventilaggregat (61) som svarar på kompressorutloppstrycket och innehåller tredje och fjärde bränslestyrningsfönster (90, 88) för tillförsel av bränsle till motorn, varvid nämnda tredje fönster (90) mottar bränsle från det andra fönstret (56) och styr flödet därifrån till motorn i ett förvalt samband med utlopps- trycket, varvid det andra fönstret (56) tillför ett ökande bränsleflöde till det tredje fönstret (90) allteftersom efíektreglaget (18) förs framåt, och varvid nämnda fjärde fönster (88) tillför bränsle till motorn som svar på kompressorutloppstrycket.

4. Bränslestyranordning enligt patentkravet 3, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda andra, tredje och fjärde fönster (56, 90, 88) är stängda, när motorn drivs vid och under nämnda miniminivâ.