DE60015977T2

DE60015977T2 - Kraftstoffverteilungs- und umweltschutzsystem für eine gasturbine

Info

Publication number: DE60015977T2
Application number: DE60015977T
Authority: DE
Inventors: W. Paul FUTA; R. Kevin SHARP; F. Steven FISHER
Original assignee: AlliedSignal Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1999-07-27
Filing date: 2000-07-18
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2020-07-19
Also published as: US6334296B2; US6314998B1; ES2230164T3; EP1198665B1; EP1198665A1; DE60015977D1; US20010027640A1; WO2001007766A1; US20010025482A1; US6484510B2; US6385962B2; US6422021B1; ATE282768T1; US20020095936A1; US20020053208A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kraftstoffzufuhrsysteme für Motoren, speziell Gasturbinentriebwerke für Flugzeuge, und insbesondere Umweltschutz- und Kraftstoffflussverteilungsfunktionen für solche Kraftstoffzufuhrsysteme.
Einige Kraftstoffzufuhrsysteme für Gasturbinentriebwerke erfordern mehrere Kraftstoffverteiler zum Trennen verschiedener Typen von Kraftstoffdüsen, um eine optimale Triebswerksleistung zu erreichen. Darum wird ein Mittel zum Verteilen dieses Flusses zwischen den Kraftstoffverteilern benötigt. US-Patent 5,809,771 an Wernberg offenbart ein Umweltschutzventil und ein Kraftstoffflussverteilungsventil mit einem einzelnen Kolben, der in zwei verschiedenen Bereichen arbeitet: ein Bereich zum Modulieren des Flusses zu primären und sekundären Triebwerksdüsen in Abhängigkeit von Kraftstoffdruck und ein weiterer Bereich, wo der Fluss zu primären und sekundären Triebwerksdüsen durch die unveränderliche Portgeometrie bestimmt wird. Es ist sehr schwierig, dieses Konzept auf mehr als zwei eigenständige Verteiler auszudehnen. EP 0 761 946A1 offenbart ein Kraftstoffsteuerungssystem mit einem zusammenwirkenden Ventilpaar.
Einige Triebwerke erfordern auch eine Umweltschutzfunktion, die bei Beendigung des Triebwerksbetriebes eine festgelegte Menge Kraftstoff von dem Kraftstoffverteiler bzw. den Kraftstoffverteilern abzieht. Dieses Abziehen von Kraftstoff ist aus zwei Gründen erforderlich. Erstens verhindert es, dass Kraftstoff in die Atmosphäre verdampft. Zweitens verhindert es, dass Kraftstoff in den Kraftstoffdüsen des Triebwerks verkokt – ein Zustand, der die Düsenleistung mindert. Für Umweltschutzsysteme nach dem Stand der Technik wurde eine Anordnung aus Kolben, Rückschlagventilen, Rohrleitungen, Speicherbehältern und Pumpen verwendet, um diese Aufgabe zu bewältigen. Bei Triebwerken, in denen mehrere Kraftstoffverteiler benötigt werden, wurden mehrere Umweltschutzventile oder ein Mehrkammer-Umweltschutzventil verwendet. Diese Bauweisen führen zu komplexen, teuren und schweren Umweltschutzsystemen. In dem oben erwähnten US-Patent 5,809,771 an Wernberg wird ein Zweikammerventil offenbart. Bei dem System von Wernberg wird Kraftstoff gleichzeitig aus den beiden Verteilern abgezogen, und für jeden Triebwerksverteiler wird eine separate Kammer benötigt, um bei Triebwerksabschaltung einen diskreten Kraftstoffaustrag aus diesen Verteilern zu gewährleisten. Es ist ebenfalls sehr schwierig, dieses Konzept auf mehr als zwei eigenständige Triebwerksverteiler auszudehnen. Das System von Wernberg verwendet mindestens ein Rückschlagventil stromabwärts des Umweltschutzventils zum Umleiten eines Teils des modulierten Flusses vom primären zum sekundären Verteiler. Eine solche stromabwärtige Ventilanordnung ermöglicht ein gewisses Maß an unerwünschtem Übersprechen zwischen den Verteilerzuleitungen und kann die Zuverlässigkeit des Kraftstoffflusses mindern oder die Belastung der Kraftstoffzufuhrpumpe erhöhen.
Es ist wünschenswert, den Kraftstoff, der beim Abschalten einer Turbine in einem Kraftstoffverteiler zurückbleibt, zu minimieren und eine kompakte, ökonomische Umweltschutzfunktion für Kraftstoffzufuhrsysteme bereitzustellen. Es ist des Weiteren wünschenswert, eine solche Umweltschutzfunktion mittels eines einfachen Ventils, das einen Kolben mit einem einheitlichen Durchmesser aufweist, zu erreichen, welches allein durch ein Signal von einem Druckventil gesteuert wird, und die Umweltschutzfunktion zu bewerkstelligen, ohne dass es zu einem Übersprechen zwischen den verschiedenen Verteiler-Kraftstoffzuleitungen kommt, wodurch die Integrität des Kraftstoffdrucks in diesen verschiedenen Leitungen erhalten bleibt. Es ist des Weiteren wünschenswert, dieses Übersprechen zu vermeiden und dabei eine Kraftstoffverteilungsfunktion zu erreichen, die in der Lage ist, Kraftstoff richtig auf mehrere Kraftstoffverteiler zu verteilen.
Die vorliegende Erfindung stellt Lösungen für die oben erwähnten Probleme in Form eines Kraftstoffverteilungs- und Umweltschutzsystems bereit, das für ein Triebwerk gedacht ist, das drei diskrete Kraftstoffverteiler benötigt. Ein Verteiler enthält Zerstäuberdüsen (für den Triebswerksstart), und zwei Verteiler enthalten Luftblasdüsen: eine, welche die untere Hälfte des Triebwerks versorgt, und eine andere, welche die obere Hälfte des Triebwerks versorgt. Für die Flussverteilungsfunktion beinhaltet das System mehrere Ventile, um einen kalibrierten Verbrennungsfluss richtig auf diese drei Kraftstoffverteiler aufzuteilen. Dieses System bewerkstelligt die Umweltschutzfunktion mittels eines Einkammerstufenventils und Modifizieren des Hauptkraftstoffsteuerungs-Druckventils dergestalt, dass es eine Druckumschaltfunktion aufweist. Dieses Konzept beschränkt die Umweltschutzkomponenten auf einen Umweltschutzventilkolben und eine installierte Leitung vom Druckventil, um es zu steuern. Die Kraftstoffverteilungsfunktion wird durch ein erstes Verteilerventil, das den Kraftstofffluss von einem Druckventil zwischen Zerstäuber- oder Anlassdüsen und Luftblas- oder Hauptbetriebsdüsen aufteilt, sowie durch ein zweites Verteilerventil, das den Fluss zwischen den oberen und unteren Verteilern unterteilt, bewerkstelligt.
Gemäß einer Form der Erfindung hat ein Umweltschutzventil, welches das Ansammeln von Kraftstoff in einem Triebwerkssystem mit mehreren Kraftstoffverteilern beim Abschalten des Triebwerks minimiert, einen Steuerport, der an ein Kraftstoffanlagen-Druckventil angekoppelt ist und allein durch dieses Kraftstoffanlagen-Druck ventil gesteuert wird, und ein Gehäuse mit einem Kolben, der sich in diesem Gehäuse zwischen einer ersten äußersten Position und einer zweiten äußersten Position hin und her bewegen kann. Der Kolben definiert zusammen mit dem Gehäuse eine volumenveränderliche Kammer, um der Reihe nach Kraftstoff von jedem der Kraftstoffverteiler abzuziehen, wenn die Turbine abgestellt wird, wobei der Kolben sich von der ersten äußersten Position zu der zweiten äußersten Position bewegt, wodurch der Kraftstoff aus den Verteilern entleert wird. In dem Gehäuse befindet sich eine Feder, die eine Kraft auf den Kolben ausübt, um ihn zu der zweiten äußersten Position zu drängen, wobei der Kolben auf einen hohen Druck am Steuerport des Umweltschutzventils reagiert, wobei die Kraft dieses Drucks die Federkraft überwindet, um den Kolben in die erste äußerste Position zu bewegen. Es gibt eine Mehrzahl von Seitenwand- oder Umweltschutzports in dem Gehäuse, die wahlweise durch die Kolbenbewegung geöffnet bzw. geschlossen werden, um die volumenveränderliche Kammer und bestimmte Kraftstoffverteiler miteinander zu verbinden.
Gemäß einer anderen Form der Erfindung wird eine verbesserte Kraftstoffflussverteilungsanordnung zwischen einem Druckventil und einer Mehrzahl von Kraftstoffverteilern angeordnet, um den Kraftstofffluss richtig unter den Verteilern aufzuteilen. Die Anordnung enthält ein zusammenhängendes Paar Zweiwege-Verteilerventile, von denen eines den Kraftstofffluss zwischen einem Zerstäubungsdüsenverteiler und den übrigen Verteilern verteilt. Ein anderes Verteilerventil verteilt den stromabwärtigen Kraftstofffluss von dem ersten Verteilerventil zwischen einem oberen und einem unteren Luftblasdüsenverteiler. Das zweite Verteilerventil stellt während des Anlassens der Turbine ein Paar niedrigvolumiger Kraftstoffströmungswege zu dem oberen und dem unteren Verteiler bereit und stellt während des normalen Turbinenbetriebes ein zweites Paar hoch volumiger Kraftstoffströmungswege zu dem oberen und dem unteren Verteiler bereit. In dem niedrigvolumigen Kraftstoffströmungsweg zum unteren Verteiler gibt es ein Druckhöheneffektventil zum Mindern des Kraftstoffflusses, um durch Höhenunterschiede verursachte Kraftstoffflussdifferenzen zwischen den oberen und unteren Verteilern infolge geringer Verbrennungsraten auszugleichen. Das erste Verteilerventil stellt während des Anlassens der Turbine einen niedrigvolumigen Kraftstoffströmungsweg zu dem zweiten Verteilerventil bereit und stellt während des normalen Turbinenbetriebes einen zweiten, hochvolumigen Kraftstoffströmungsweg zu dem zweiten Verteilerventil bereit und schaltet Kraftstoff, der zu den Zerstäuberdüsen geleitet wird, vom Druckventilauslassdruck auf den Druck des unteren Verteilers um.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schemadarstellung einer veranschaulichenden Flugzeugkraftstoffanlage mit einer Umweltschutzfunktion gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine detaillierte Querschnittsansicht des Druckventils mit dem Kraftstofffluss- und Umweltschutzmodul von 1 in der Triebwerk-Aus-Stellung.
3 ist eine Querschnittsansicht ähnlich der von 2, wobei gezeigt ist, wie sich das Druckventil zu öffnen beginnt, bevor das Triebwerk angelassen wird und bevor Kraftstoff von dem Umweltschutzventil abgelassen wird.
4 ist eine Querschnittsansicht ähnlich der von 2 und 3, wobei eine zweite Stufe des Kraftstoffablasses von dem Umweltschutzventil gezeigt ist.
5 ist eine Querschnittsansicht ähnlich den 2–4, wobei eine dritte Stufe des Kraftstoff ablasses von dem Umweltschutzventil gezeigt ist.
6 ist eine Querschnittsansicht ähnlich den 2–5, wobei die Triebwerksanlass-Zustände der Verteilerventile gezeigt sind.
7 ist eine Querschnittsansicht ähnlich den 2–6, wobei das Kraftstofffluss- und Umweltschutzmodul in der Konfiguration des normalen Triebswerkslaufes gezeigt ist.
8 ist eine Querschnittsansicht ähnlich den 2–7, wobei jedoch eine alternative Ausführungsform des Druckhöheneffektventils des Kraftstofffluss- und Umweltschutzmoduls während der Konfiguration des normalen Triebswerkslaufes gezeigt ist.
In den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen bezeichnen entsprechende Bezugszeichen entsprechende Teile.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In der Beschreibung werden für verschiedene Drücke die folgenden Abkürzungen verwendet:

PIN: Kraftstoffsteuerungseingangsdruck
POF: Pumpenzwischenstufendruck vor dem Filter
PO: Pumpenzwischenstufendruck nach dem Filter
P1: Förderdruck der Hochdruckpumpe
P2: Auslassdruck des Zumessventils
P3: Auslassdruck des Druckventils
PAT: Verbrennungsflussdruck zu den Zerstäuberdüsen
PAB: Verbrennungsflussdruck zu den Luftblasdüsen
PABL: Verbrennungsflussdruck zu den unteren Luftblasdüsen
PABU: Verbrennungsflussdruck zu den oberen Luftblasdüsen
PXE: Steuerdruck des Umweltschutzventils

1 ist ein Blockschaubild, das ein Gasturbinenkraftstoffverteilungs- und Umweltschutzmodul sowie die zugehörigen stromaufwärtigen und stromabwärtigen Kraftstoffanlagenkomponenten zeigt. In 1 enthält eine veranschaulichende Flugzeugkraftstoffversorgungsanlage einen Zufuhrtank 11, aus dem Kraftstoff zur Förderpumpe 13 und einem Filter 21 zu einer Hochdruckpumpe 14 geleitet wird. Der Förderdruck P1 der Hochdruckpumpe 14 wird zu einem Zumessventil 15 mit variabler Öffnung und durch ein Druckventil 17 und ein Kraftstoffverteilungs- und Umweltschutzmodul 19 hindurch zu einem Triebwerk geleitet. Das Druckventil 17 erhält einen Referenzdruck P2 auf der stromabwärtigen Seite 24 des Zumessventils 15 aufrecht, und das Umgehungsventil 23 leitet Kraftstoff selektiv von der Leitung 25 zurück durch die Leitung 27 zum Einlass der Hochdruckpumpe 14 um, um eine konstante Druckhöhe bzw. einen konstanten Druckabfall am Zumessventil 15 aufrecht zu erhalten. Kraftstoff, der vom Druckventil 17 kommend in die Kraftstoffverteiler 31 und 33 des Triebswerks eintritt, fließt durch die Leitung 37, ein erstes Kraftstoffflussverteilerventil 39 und ein zweites Kraftstoffflussverteilerventil 41. Kraftstoff, der vom Druckventil 17 kommend in die Zerstäuberdüsen in den Kraftstoffverteilern 31 eintritt, fließt direkt vom ersten Kraftstoffflussverteilerventil 39 zum Triebwerksverteiler. Das Druckventil 17 öffnet, wenn der Verbrennungsflussdruck ausreichend größer ist als der Rückflussdruck, d. h. wenn der Druckunterschied zwischen P2 in der Leitung 24 und PO in der Leitung 51 ausreichend groß wird, und schließt, wenn dieser Druckunterschied unter eine bestimmte Schwelle abfällt. Das Druckventil 17 enthält entsprechende Wände und Nuten, um das abgestufte Umweltschutzventil 43 mittels der Steuerleitung bzw. des Steuerports 45 wahlweise entweder an den Kraftstoffsteuerungseingangsdruck in Leitung 47 oder an den Auslassdruck des Zumessventils 15 mittels der Leitung 24 anzukoppeln. Die Komponenten des Kraftstoffverteilungs- und Umweltschutzmoduls 19 sind in den 2–7 in größerer Detailliertheit gezeigt.
In den 2–7 enthält das Umweltschutzventil 43 ein Ventilgehäuse 44 mit den Umweltschutzports 50, 52 und 54, die an die Kraftstoffverteiler 31 und 33 angekoppelt sind. Das Umweltschutzventil enthält außerdem einen Steuerport 46, der mit einem entsprechenden Steuerport des Kraftstoffdruckventils 17 verbunden ist. In dem Ventilgehäuse 44 ist ein beweglicher Kolben 63 gelagert, der sich entlang einer Achse hin und her bewegen kann. Der Kolben 63 unterteilt das Ventilgehäuse in eine volumenveränderliche Steuerkammer 71 (siehe 3), die an den Steuerport 46 angekoppelt ist, und einen volumenveränderlichen Kraftstoffspeicherbehälter 55. Der Kolben 63 hat eine äußerste Position (5, 6 und 7), in der ein Seitenwandport 64 zu einem Port 54 hin offen ist, um den Kraftstoffspeicherbehälter 55 an einen ersten oder oberen Kraftstoffverteiler 33 anzukoppeln, während die übrigen Ports 52 und 50 geschlossen sind und dadurch den Speicherbehälter von dem unteren Kraftstoffverteiler 31, welcher den Luftblasverteiler 31a und den Zerstäuberverteiler 31b aufweist, isolieren. Der Kolben 63 hat eine zweite äußerste Position (2), in der ein Port 50 offen ist, um den Kraftstoffspeicherbehälter 55 an die Hybriddüsen des Zerstäuberverteilers 31b der zweiten oder unteren Kraftstoffverteiler 31 anzukoppeln, während die übrigen Ports 52 und 54 geschlossen sind und dadurch den Speicherbehälter von dem Luftblasverteiler 31a der unteren Verteiler 31 und von dem übrigen oberen Kraftstoffverteiler 33 isolieren. In einer bevorzugten Form gibt es genau drei Ports, die durch die Bewegung des Kolbens selektiv geöffnet und geschlossen werden, wobei der Port 52 nur dann öffnet, um den Kraftstoffspeicherbehälter an die unteren Kraftstoffverteiler 31 anzukoppeln, während der Kolben sich in einer Übergangsphase befindet und die beiden anderen Ports 50 und 54 schließt, wie bei dem Übergang von 3 zu 4. Somit hat der Kolben 63 eine äußerste Position (5–7), in der er wenigstens einen Port, wie beispielsweise Port 50, schließt, und eine zweite äußerste Position (2), in der er wenigstens einen anderen Port 54 schließt. Es wird Kraftstoff der Reihe nach aus den Verteilern 33, 31a und 31b abgezogen. Es gibt drei Verteiler (31a, 31b und 33) und drei Trenn-Zeitintervalle – einen für jeden Verteiler -, während denen Kraftstoff aus genau einem Verteiler abgezogen oder genau einem Verteiler zugeführt wird. Sowohl das Abziehen von Kraftstoff aus jeweils einem Verteiler als auch die Zufuhr von Kraftstoff zu jeweils einem Verteiler ist im Wesentlichen beendet, bevor das Abziehen von Kraftstoff aus einem anderen Verteiler bzw. das Zuführen von Kraftstoff zu einem anderen Verteiler beginnt.
2 zeigt das Druckventil 17 in geschlossenem Zustand, wobei es den Strömungsweg P2/P3 sperrt und wobei seine Umschaltfunktion den PXE-Druck in Leitung 45 (1) mit dem PIN-Druck in Leitung 47 mittels der Nut 59 im Kolben 57 verbindet. Wie in 2 veranschaulicht, übt dieser geringe Druck PIN am Steuerport 46 des Umweltschutzventils auf den Kolben 63 eine Kraft aus, die geringer ist als die Kraft, die durch die Feder 48 ausgeübt wird, um den Kolben 63 in seine oberste Position zu drängen, wie veranschaulicht – ein Zustand, der einen Turbinenstillstand anzeigt. Das Umweltschutzventil 43 ist dadurch in einem mit Kraftstoff gefüllten Zustand gezeigt, und die Triebwerksverteiler sind entleert. Es wurden festgelegte Mengen Kraftstoff aus den Verteilern in den Federhohlraum 55 des Ventils hinein abgezogen. Die Kraftstoffflussverteilerventile 39 und 41 und das Druckhöheneffektventil 53 befinden sich ebenfalls in ihren geschlossenen Positionen. Dies sind die Triebwerk-Aus-Stellungen aller Ventile.
3 zeigt den Kolben 57 des Druckventils 17 in der fast bzw. teilweise geöffneten P2/P3-Position, wobei seine Umschaltfunktion den PXE-Druck in Leitung 45 mit dem P2-Druck in dem Kanal 49 über die Nut 61 verbindet. In dieser Stellung, bei gesperrtem P2/P3-Strömungsweg, ist die Kraftstoffsteuerungs-Druckbeaufschlagung aktiv, und der Verteilerdruck (sowie die Federseite des Umweltschutzventils) ist deaktiviert. Es ist dargestellt, wie der Kolben 63 des Umweltschutzventils 43 sich in seine energiebeaufschlagte Position bewegt, wo er den Rücklauf von gespeichertem Kraftstoff aus der Kammer 55 auf der Federseite des Ventils zu den Verteilern bewirkt. In diesem Zustand des Umweltschutzventils wurde Kraftstoff aus der Kammer 55 zum Zerstäubungsverteiler 31b (PAT-Druck) mittels der Leitung 65 zurückgeleitet. Dieser Prozess erfolgt während des Beschleunigens der Turbine (vor dem Start).
4 zeigt die Position der zweiten Stufe des Umweltschutzventils 43, wo Kraftstoff mittels der Leitung 67 zu den unteren Luftblaskraftstoffverteilern 31 (PABL-Druck) zurückgeleitet wurde. Das Druckventil 17 und die Kraftstoffflussverteilerventile 39 und 41 bleiben in den gleichen Funktionspositionen, wie es in 3 gezeigt ist.
5 zeigt die Endposition (letzte Stufe) des Umweltschutzventils 43, wo Kraftstoff durch die Leitung 69 zum oberen Luftblaskraftstoffverteiler 33 (PABU-Druck) zurückgeleitet wurde. Das Druckventil 17 und die Kraftstoffflussverteilerventile 39 und 41 bleiben in den gleichen Funktionspositionen, wie es in den 3 und 4 gezeigt ist, bis zu dem Moment, wo das Umweltschutzventil 43 seine vollständig energiebeaufschlagte harte Anschlagposition erreicht, wobei die Kammer 71 (beim Druck PXE) ihr maximales Volumen aufweist. Es ist zu beachten, dass alle drei Verteiler 31a, 31b und 33 mit dem Kraftstoffvolumen aufgefüllt wurden, das aus der Kammer 55 des Umweltschutzventils herausgedrückt wurde.
Beim Vergleich der 2–5 wird man feststellen, dass der Kolben 63 den einzelnen Seitenwandport 64 aufweist, der nacheinander mit den Seitenwandports 50, 52 und 54 des Gehäuses 44 in strömungsmäßiger Verbindung steht. Das heißt, das Umweltschutzventil 43 hat einen ersten Seitenwandport 50, der von dem Kolben 63 verschlossen wird, wenn sich der Kolben in seiner untersten (5) äußersten Position befindet, einen zweiten Seitenwandport 52, der von dem Kolben 63 verschlossen wird, wenn sich der Kolben in seiner untersten (5) sowie in seiner obersten (2) äußersten Position befindet, und einen dritten Seitenwandport 54, der von dem Kolben 63 verschlossen wird, wenn sich der Kolben in seiner obersten äußersten Position befindet. Der zweite oder mittlere Seitenwandport 52 öffnet während der Kolbenbewegung zwischen seinen äußersten Positionen, um die volumenveränderliche Kammer 55 mit den unteren Kraftstoffverteilern 31 zu koppeln. Obgleich es Kolbenpositionen geben mag, wie beispielsweise in 4 veranschaulicht, wo der Port 64 für einen Moment mit zwei Seitenwandports, beispielsweise 52 und 54, in strömungsmäßiger Verbindung steht, schließt der Kolben im Wesentlichen in allen Kolbenpositionen wenigstens zwei Seitenwandports. Es sind niemals alle drei Ports gleichzeitig offen.
6 zeigt das Druckventil 17 im geöffneten Zustand, so dass ein kalibrierter Kraftstofffluss durch die Leitung 37 zum Kraftstoffverteilungs- und Umweltschutzmodul 19 (KVUM) gelangen kann. Wenn der Kraftstofffluss in das KVUM 19 eintritt, so schiebt sich der Kolben 75 des Zerstäuber-/Luftblaskraftstoffflussverteilerventils 39 aus seinem weichen Sitz 74 heraus, so dass Kraftstoff mit PAT-Druck durch die Leitung 73 zum Zerstäubungsverteiler 31b fließen kann und ein geminderter Fluss durch den Port 83 und die Leitung 42 über sequenzielle Seitenwandöffnungen 77 und 78 im Kolben 75 zum Kraftstoffflussverteilerventil 41 des oberen/unteren Luftblasverteilers (PAB-Druck) gelangen kann. Der Kolben 79 des Kraftstoffflussverteilerventils 41 des oberen/unteren Luftblasverteilers schiebt sich aus seiner geschlossenen Stellung heraus, so dass ein Fluss durch die Leitungen 81 und 69 mit PABU-Druck zum oberen Verteiler 33 möglich ist. Die Schiebebewegung des Kolbens 79 ermöglicht außerdem einen einseitig überwiegenden Kraftstofffluss zum unteren Verteiler 31 (PABL-Druck) durch das Druckhöheneffektventil 53 und die Leitung 67. Der Fluss mit PABL-Druck wird durch das Druckhöheneffektventil 53 einseitig verstellt, das Höhenunterschiede und Leitungsverluste zwischen den oberen und unteren Verteilern ausgleicht. Ohne diesen Ausgleich würden die unteren Verteiler 31a und 31b mehr Kraftstoff strömen lassen als der obere Verteiler 33, insbesondere bei geringen kalibrierten Verbrennungsflussraten. 6 veranschaulicht die ungefähren Positionen der Ventile während eines Triebwerkstarts.
7 zeigt die in 6 definierten Bedingungen, aber mit einer höheren Verbrennungsflussrate. Mit zunehmendem Fluss öffnet sich das Druckventil 17 weiter, was einen zusätzlichen kalibrierten Kraftstofffluss zum KVUM 19 durch die Leitung 37 gestattet. Der Kolben 75 des Zerstäuber/Luftblaskraftstoffflussverteilerventils 39 schiebt sich weiter aus seiner geschlossenen Stellung heraus, wodurch der Port 83 geöffnet wird, so dass zusätzlicher Kraftstoff zum Kraftstoffflussverteilerventil 41 des oberen/unteren Luftblasverteilers (PAB-Druck) gelangen kann, um den Fluss zu erhöhen, der zuvor durch die Seitenwandöffnungen 77 und 78 im Kolben 75 verlief. Die Seitenwandöffnungen 77 und 78 sind so abgestuft, dass, wenn die Öffnung 77 sich schließt, die zweite Öffnung 78 sich öffnet, so dass die Öffnungsfläche und der Fluss ungemindert bleiben. In dieser Position des Ventils 75 wird Kraftstoff, der zu der Kombination aus Zerstäuber- und Luftblasdüsen (Hybriddüsen) des Zerstäubungsverteilers 31b geleitet wurde, nicht vom Auslassdruck P3 des Druckventils 17, sondern vom Druck des unteren Verteilers (PABL) über die Leitungen 76 und 73 und die Öffnung 80 des Ventils 39 zugeführt. Der Grund für das Zuführen des Druckes des unteren Luftblasverteilers (PABL) zum Zerstäubungsverteiler 31b ist das Angleichen des Gesamtflusses einer Hybriddüse im Verteiler 31b an den Fluss einer Luftblasdüse im Luftblasverteiler 31a (siehe 1). Der Kolben 79 des Kraftstoffflussverteilerventils 41 des oberen/unteren Luftblasverteilers schiebt sich weiter aus seiner geschlossenen Position heraus, wodurch sich die Ports 85 öffnen, so dass zusätzlicher Kraftstoff zum oberen (PABU-Druck-) Verteiler 33 und zu den unteren (PABL-Druck-) Verteilern 31 fließen kann, während ein gleich großer Fluss zu diesen Verteilern aufrecht erhalten wird.
Beim Vergleich der 6 und 7 ist zu sehen, dass das Verteilerventil 39 – während des Anlassens der Turbine – mittels der Seitenwandöffnungen 77 und 78 einen niedrigvolumigen Kraftstoffströmungsweg zum Verteilerventil 41 bereitstellt und – während des normalen Turbinenbetriebes – über den Port 83 (parallel und zusätzlich zu dem ersten) einen zweiten, hochvolumigen Kraftstoffströmungsweg zu dem Verteilerventil 41 bereitstellt. Wie dem Vergleich der 6 und 7 ebenfalls zu entnehmen ist, stellt das Verteilerventil 41 – während des Anlassens der Turbine – mittels des Kanals 81 und des Druckhöheneffektventils 53 ein Paar niedrigvolumiger Kraftstoffströmungswege zum oberen Verteiler 33 bzw. zu den unteren Verteilern 31 bereit und stellt – während des normalen Turbinenlaufs – ein zweites Paar hochvolumiger Kraftstoffströmungswege 69 und 67 zum oberen Verteiler 33 bzw. zu den unteren Verteilern 31 bereit. Das Druckhöheneffektventil 53 zum Mindern des Kraftstoffflusses befindet sich in dem niedrigvolumigen Kraftstoffströmungsweg zu den Verteilern 31, um durch Höhenunterschiede verursachte Kraftstoffflussdifferenzen zwischen den oberen und unteren Verteilern infolge geringer Verbrennungsraten auszugleichen. 7 veranschaulicht die ungefähren Positionen der Ventile für einen Turbinenlaufzustand. Es ist zu beachten, dass sich der Kolben 63 des Umweltschutzventils 43 während aller Turbinenbetriebszustände (6 und 7) in einer vollständig energiebeaufschlagten Position gegen den entsprechenden harten Anschlag befindet, wodurch das Umweltschutzventil 19 zu einer nicht-dynamischen Komponente in Bezug auf den kalibrierten Verbrennungsfluss zum Triebwerk wird.
Der Prozess des Durchlaufs durch die verschiedenen Betriebszustände eines Triebwerks aus einem Aus-Zustand der Turbine heraus über das Anlassen und den Lauf der Turbine mit im Wesentlichen voller Last bis hin zum anschließenden Abschalten der Turbine und zurück in den Aus-Zustand sollte nunmehr klar sein. Wenn der Pilot oder ein anderer Bediener einen Befehl zum Starten des Triebwerks gibt, so wird der Druck P2 über die Leitung 45 zum Ausdehnen der Kammer 71 und zum Ablassen einer Menge Kraftstoff aus dem Umweltschutzspeicherbehälter 55 mittels des Ports 50 in den Verteiler 31b zugeführt. Eine weitere Bewegung des Kolbens 63 drängt Kraftstoff aus dem Speicherbehälter 55 in die beiden anderen Verteiler 31a, 33. Weiterer Kraftstoff wird dem Verteiler 31b zugeführt, und eine begrenzte Menge weiteren Kraftstoffs von der Kraftstoffquelle 11 wird den Verteilern 31a und 33 zugeführt, um die Turbine zu starten. Die Kraftstoffzufuhr zu allen Verteilern wird erhöht, um das Triebwerk im Wesentlichen auf Volllast zu bringen. Später gibt der Pilot oder ein anderer Bediener einen Abschaltbefehl, der die Kraftstoffzufuhr zu allen Verteilern unterbricht, um die Triebwerksabschaltung einzuleiten. Die Leitungen 45 und 47 werden durch das Druckventil 17 wieder angeschlossen, und der Kolben 63 bewegt sich unter der Krafteinwirkung der Feder 48 aufwärts, wobei nacheinander Kraftstoff aus den Verteilern abgezogen wird, der anschließend im Umweltschutzspeicherbehälter 55 gespeichert wird, um während eines nachfolgenden Triebswerksstarts verbrannt zu werden.
8 veranschaulicht die Flugzeugkraftstoffanlage von 7, enthält jedoch eine alternative Ausführungsform für das Druckhöheneffektventil 53, wobei das Gewichts- oder Lastelement 92 und der druckbeaufschlagte Stift 91 dazu dienen, das Kugel- oder Ventilelement 93 gegen seinen Sitz zu drängen. Während des normalen Turbinenlaufs werden die PAT- und PABL-Drücke in den Leitungen 73 und 67 aneinander angeglichen, wie es auch in 7 gezeigt ist, wobei am Stift 91 kein Druckunterschied anliegt. In diesem Zustand wird die Kugel 93 allein durch diejenige Kraft gegen ihren Sitz gedrängt, die durch das kombinierte Gewicht des Stifts 91 und des Gewichts 92 ausgeübt wird, wobei nur der Druckhöheneffekt und Leitungsverluste ausgeglichen werden. während Turbinenanlassbedingungen, wie in 6 veranschaulicht, ist der PAT-Druck in der Leitung 73 und an ihrer zugehörigen Öffnung (siehe 8) – und der auf das Ende des Stifts 91 einwirkt – größer als der PABL-Druck auf das andere Ende des Stifts, wodurch eine zusätzliche Kraft erzeugt wird, die das Kugelventil 93 gegen seinen Sitz drängt. Dadurch wird der Kraftstofffluss, der den Luftblasdüsen des unteren Verteilers über die Leitung 67 zugeführt wird, weiter gedrosselt oder gemindert, wodurch der größere Fluss kompensiert wird, der den Zerstäuberdüsen des unteren Verteilers über Leitung 73 während des Triebswerkstarts zugeführt wird. Das führt unter allen Zuständen, einschließlich des Anlassens der Turbine, zu einem gleich großen Fluss zur oberen und zur unteren Hälfte des Triebwerks. Es ist zu beachten, dass das Gewicht 92, das in dem Druckhöheneffektventil 90 von 8 gezeigt ist, durch eine Feder ersetzt werden kann, wie in den 2–7 gezeigt, und die Feder oder das Gewicht, die bzw. das in den 2–8 gezeigt ist, könnte durch ein beliebiges anderes äquivalentes Bauteil oder eine beliebige andere äquivalente Konstruktion ersetzt werden, das bzw. die eine ausreichende Last auf das Kugelventil ausübt.

Claims

Kraftstoffsteuerungssystem für die Zufuhr bemessener Mengen Kraftstoff von einer Kraftstoffzufuhr (11) über eine Kraftstoffpumpe (13), ein Zumessventil (15) und ein Druckventil (17) zu einer Mehrzahl von Kraftstoffverteilern (31a, 31b, 33), dadurch gekennzeichnet, dass das System folgendes aufweist: ein Umweltschutzventil (43) mit einem Steuerport (46), der an das Druckventil (17) angeschlossen ist und ausschließlich durch das Druckventil (17) gesteuert wird, wobei das Umweltschutzventil (43) ein Gehäuse (44) und einen Kolben (63) enthält, der in dem Gehäuse (44) angeordnet ist und zwischen einer ersten äußersten Position und einer zweiten äußersten Position bewegt werden kann, wobei der Kolben (63) zusammen mit dem Gehäuse (44) eine volumenveränderliche Kammer (55) definiert, um der Reihe nach Kraftstoff von jedem der Kraftstoffverteiler (31a, 31b, 33) abzuziehen, wenn die Turbine abgestellt wird, wobei der Kolben (63) sich von der ersten äußersten Position zu der zweiten äußersten Position bewegt, wodurch der Kraftstoff aus den Verteilern (31a, 31b, 33) entleert wird.
Kraftstoffsteuerungssystem nach Anspruch 1, das des Weiteren in dem Gehäuse (44) ein Federmittel (48) aufweist, das den Kolben (63) in Eingriff nimmt und eine Kraft auf ihn ausübt, um ihn zu der zweiten äußersten Position zu drängen, wobei auf den Kolben (63) ein hoher Druck am Steuerport (46) des Umweltschutzventils einwirkt, wobei die Kraft dieses Drucks die Federkraft überwindet, um den Kolben (63) in die erste äußerste Position zu bewegen, bzw. wobei auf den Kolben (63) ein geringe rer Druck am Steuerport (46) des Umweltschutzventils einwirkt, wobei die Kraft des geringeren Drucks auf den Kolben (63) geringer ist als die Federkraft, wobei der geringere Druck die Beendigung des Turbinenbetriebes anzeigt, woraufhin der Kolben sich in die zweite äußerste Position bewegt.
Kraftstoffsteuerungssystem nach Anspruch 1, das des Weiteren in dem Gehäuse (44) eine Mehrzahl von Seitenwandports (50, 52, 54) enthält, um die volumenveränderliche Kammer (55) und bestimmte Kraftstoffverteiler wahlweise anzukoppeln, und einen ersten Seitenwandport (50) enthält, der durch den Kolben (63) geschlossen wird, wenn sich der Kolben in der ersten äußersten Position befindet, und einen zweiten Seitenwandport (52) enthält, der durch den Kolben (63) geschlossen wird, wenn sich der Kolben in der ersten äußersten Position befindet, und durch den Kolben (63) geschlossen wird, wenn sich der Kolben (63) in der zweiten äußersten Position befindet, und einen dritten Seitenwandport (54) enthält, der durch den Kolben geschlossen wird, wenn sich der Kolben (63) in der zweiten äußersten Position befindet; wobei der zweite Seitenwandport (52) während der Bewegung des Kolbens (63) von einer äußersten Position in die andere äußerste Position öffnen kann, um die volumenveränderliche Kammer (55) an einen Kraftstoffverteiler (31) anzukoppeln.
Kraftstoffsteuerungssystem nach Anspruch 3, wobei der Kolben (63) im Wesentlichen in allen seinen Positionen wenigstens zwei Seitenwandports (50, 52, 54) schließen kann.
Kraftstoffsteuerungssystem nach Anspruch 1, das des Weiteren Kraftstoffflussverteilungsmittel (39, 41) enthält, die zwischen dem Druckventil (17) und den Kraftstoffverteilern (31a, 31b, 33) angeordnet sind und dem bedarfsweisen Verteilen des Kraftstoffflusses unter der Mehrzahl von Kraftstoffverteilern (31a, 31b, 33) dienen.
Kraftstoffsteuerungssystem nach Anspruch 5, wobei die Kraftstoffverteiler (31a, 31b, 33) einen Zerstäubungsdüsenverteiler (31b), einen oberen Luftblasdüsenverteiler (33) und einen unteren Luftblasdüsenverteiler (31a) enthalten und wobei das Kraftstoffflussverteilungsmittel (39, 41) ein zusammenhängendes Paar Zweiwege-Verteilerventile (39, 41) enthält, und zwar ein erstes Verteilerventil (39) zum Verteilen des Kraftstoffflusses zwischen dem Zerstäubungsdüsenverteiler (31b) und den übrigen Verteilern (31a, 33) und ein zweites Verteilerventil (41) stromabwärts des ersten Verteilerventils (39), das den Kraftstofffluss zwischen dem oberen (33) und dem unteren (31a) Luftblasdüsenverteiler verteilen kann.
Kraftstoffsteuerungssystem nach Anspruch 6, wobei der kombinierte Kraftstofffluss des Zerstäubungsdüsenverteilers (31b) und des unteren Luftblasdüsenverteilers (31a) im Wesentlichen ebenso groß sein kann wie der Kraftstofffluss des oberen Luftblasdüsenverteilers (33).
Kraftstoffsteuerungssystem nach Anspruch 6, wobei das erste Verteilerventil (39) während des Anlassens der Turbine einen niedrigvolumigen Kraftstoffströmungsweg zu dem zweiten Verteilerventil (41) bereitstellen kann und während des Turbinenbetriebes einen zweiten, hochvolumigen Kraftstoffströmungsweg zu dem zweiten Verteilerventil (41) bereitstellen kann.
Kraftstoffsteuerungssystem nach Anspruch 8, wobei das erste Verteilerventil (39) während des Anlas sens der Turbine eine höhere Kraftstoffströmungsrate zu dem Zerstäubungsdüsenverteiler (31b) bereitstellen kann.
Kraftstoffsteuerungssystem nach Anspruch 9, wobei das erste Verteilerventil (39) während des Turbinenbetriebes eine andere Kraftstoffströmungsrate zu dem Zerstäubungsdüsenverteiler (31b) bereitstellen kann, dergestalt, dass die andere Kraftstoffströmungsrate zu Düsen des Zerstäubungsdüsenverteilers (31b) im Wesentlichen ebenso groß ist wie die Kraftstoffströmungsrate zu einer Luftblasdüse in dem unteren Luftblasdüsenverteiler (31a).
Umweltschutzventil zum Abziehen von Kraftstoff von einer Mehrzahl diskreter Kraftstoffverteiler (31a, 31b, 33) während der Beendigung des Turbinenbetriebes und zum Rückführen von Kraftstoff zu wenigstens einem der Kraftstoffverteiler (31a, 31b, 33) zum Zweck des Verbrennens während des Turbinenbetriebes, wobei das Ventil ein Ventilgehäuse (44) und einen darin gelagerten beweglichen Kolben (63) aufweist, der sich entlang einer Achse hin- und her bewegen kann, und dadurch gekennzeichnet: dass das Ventilgehäuse (44) eine Mehrzahl von Umweltschutzports (50, 52, 54) aufweist, die so konfiguriert sind, dass sie an entsprechende (31b, 33) der Kraftstoffverteiler (31b, 33b, 33) angekoppelt werden können, und einen Steuerport (46) aufweist, der so konfiguriert ist, dass er mit einem entsprechenden Steuerport (37) eines Kraftstoffdruckventils (17) verbunden werden kann; und dass der Kolben (63) das Ventilgehäuse (44) in eine volumenveränderliche Steuerkammer (71), die an den Steuerport (46) angekoppelt ist, und einen volumenveränderlichen Kraftstoffspeicherbehälter (55), der durch den Kolben (63) wahlweise von den Umweltschutzports (50, 54) abgekoppelt wird, unterteilt, wobei der Kolben (63) eine äußerste Po sition aufweist, in der er wenigstens einen ersten Umweltschutzport (50) schließen kann, und eine zweite äußerste Position aufweist, in der er wenigstens einen zweiten Umweltschutzport (54) schließen kann.
Umweltschutzventil nach Anspruch 11, wobei der Kolben (63) so bewegt werden kann, dass er wahlweise wenigstens zwei Ports (50, 54) öffnet und schließt, wobei der Kolben (63) eine äußerste Position aufweist, in der ein zweiter Port (54) der wenigstens zwei Ports (50, 54) offen ist, um den Kraftstoffspeicherbehälter (55) an einen ersten Kraftstoffverteiler (33) anzukoppeln, während der bzw. die übrigen Ports (50) der wenigstens zwei Ports (50, 54) geschlossen sind und so den Speicherbehälter (55) von dem übrigen Kraftstoffverteiler (31b) isolieren, und wobei der Kolben (63) eine zweite äußerste Position aufweist, in der ein erster (50) der beiden Ports (50, 54) offen ist, um den Kraftstoffspeicherbehälter (55) an einen zweiten Kraftstoffverteiler (31b) anzukoppeln, während der oder die übrigen Ports (50) der wenigstens zwei Ports (50, 54) geschlossen sind und so den Speicherbehälter (55) von dem ersten Kraftstoffverteiler (33) isolieren.
Umweltschutzventil nach Anspruch 12, wobei drei Ports (50, 52, 54) durch die Bewegung des Kolbens (63) wahlweise geöffnet und geschlossen werden, wobei der dritte Port (52) nur öffnet, um den Kraftstoffspeicherbehälter (55) an einen dritten Kraftstoffverteiler (31) anzukoppeln, während der Kolben (63) sowohl den ersten als auch den zweiten Port (50, 54) schließt.
Umweltschutzventil nach Anspruch 13, wobei Kraftstoff nacheinander aus den Verteilern (31a, 31b, 33) abgezogen wird.
Umweltschutzventil nach Anspruch 13, wobei der Kolben (63) durch eine Sequenz aus nichtüberlappenden Bereichen hindurch bewegt werden kann und in jedem Bereich einen einzigen Port (50, 52, 54) öffnet, wodurch das Abziehen von Kraftstoff aus einem Verteiler (31a, 31b, 33) oder die Zufuhr von Kraftstoff zu einem Verteiler (31a, 31b, 33) im Wesentlichen beendet ist, bevor das Abziehen von Kraftstoff aus einem anderen Verteiler bzw. das Zuführen von Kraftstoff zu einem anderen Verteiler beginnt.
Verfahren des Betreibens einer Turbine des Typs mit einer Mehrzahl von Kraftstoffverteilern (31a, 31b, 33) aus einem Aus-Zustand der Turbine heraus über das Anlassen und den Lauf der Turbine bis hin zum Abschalten der Turbine und zurück in den Aus-Zustand, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Ausgeben einer Menge Kraftstoff aus einem Umweltschutzspeicherbehälter (55) in wenigstens einen Verteiler (31a, 31b, 33); Zuführen einer Menge zusätzlichen Kraftstoffs von einer Kraftstoffquelle (11) zu wenigstens einem Verteiler (33), um das Anlassen der Turbine einzuleiten; Erhöhen der Kraftstoffzufuhr zu allen Verteilern (31a, 31b, 33), um die Turbine in den Arbeitszustand zu versetzen; Unterbrechen des Kraftstoffflusses zu allen Verteilern (31a, 31b, 33), um das Abschalten der Turbine einzuleiten; sequenzielles Abziehen von Kraftstoff aus den Verteilern (31a, 31b, 33) und Speichern des abgezoge nen Kraftstoffs im Umweltschutzspeicherbehälter (55) zum Zweck des Verbrennens während eines nachfolgenden Anlassens der Turbine.
Verfahren nach Anspruch 16 mit drei Verteilern (31a, 31b, 33) und drei Trenn-Zeitintervallen – einem für jeden Verteiler -, während denen Kraftstoff aus einem jeweiligen Verteiler abgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 16 mit wenigstens zwei Verteilern (31b, 33) und zwei Trenn-Zeitintervallen – einem für jeden Verteiler -, während denen Kraftstoff aus einem jeweiligen Verteiler abgezogen wird.