DE19829525C2 - Temperaturreduzierung bei Verdrängerpumpen mit großem Rezirkulationsfluß - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der Aufheizung des Fördermediums, wenn bei einer Verdrängerpumpe ein großer Teil der Fördermenge nicht vom Verbraucher abgenom­ men wird, sondern zum Pumpeneinlaß rezirkuliert werden muß, sowie ein Gerät zur Durchfüh­ rung dieses Verfahrens.

Ein solches Gerät wird z. B. bei dem Kraftstoffpumpen- und -zumeßsystem eines Gasturbinen­ triebwerks am Flugzeug benötigt, bei dem die Verdrängerpumpendrehzahl und damit auch der Förderdurchfluß proportional zur Triebwerksdrehzahl ist, während der Kraftstoffverbrauch von Leerlauf bis maximalem Schub etwa im Bereich 1 : 40 variiert. In großen Flughöhen verbrauchen solche Triebwerke im Leerlauf lediglich etwa 2,5% der geförderten Pumpenmenge, die restlichen 97,5% werden gegen den Systemhochdruck im Kreis gefördert und heizen dadurch stark auf.

Durch diese Eigenaufheizung wird die Möglichkeit beeinträchtigt, den zugemessenen Kraftstoff zur Kühlung von anderen Systemen, z. B. dem Triebwerk-Ölkreislauf zu benutzen. Die maximal auftretende Kraftstofftemperatur bestimmt die Auslegung der Wärmetauscher, eine Reduzierung der Eigenerwärmung des Pumpensystems ist also sehr erwünscht, weil sich dadurch der Aufwand für die Kühlung am Triebwerk verringert.

Es ist bekannt, die Eigenaufheizung des Pumpensystems dadurch zu begrenzen, daß bei geringen Verbräuchen ein Teil des überschüssigen Kraftstoffs von der Rezirkulationsleitung über ein ge­ schaltetes oder temperaturgeregeltes Abzweigungsventil zum Tank zurückgeleitet wird. Dadurch wird auch bei kleinsten Verbräuchen immer genügend frischer kühler Kraftstoff aus dem Tank ge­ fördert, um die Eigenaufheizung zu begrenzen. Im Tank wird sich eine Mischtemperatur aus zu­ rückgeleitetem heißen Kraftstoff und kühlem Tankinhalt bilden.

Der Kühleffekt wird jedoch mit fallendem Tankpegel immer kleiner. Darüber hinaus ist die Einlei­ tung von sehr heißem Kraftstoff in den Tank problematisch; bei zivilen Flugzeugen darf die Mischtemperatur im Tank aus Material- und Sicherheitsgründen ca. 40°C nicht übersteigen, so daß dieses Verfahren nicht bei allen Betriebsbedingungen anwendbar ist. Außerdem erfordern die nötige Tank-Rückleitung und das Abzweigungsventil ein unerwünschtes Mehrgewicht.

Ferner ist es bekannt, die Eigenaufheizung des Pumpensystems dadurch zu verhindern, daß der Förderdurchfluß der Verdrängerpumpe an den Verbrauch angepaßt wird, indem das Fördervolu­ men pro Umdrehung verstellt wird. Als Beispiel sei eine Treibschieberpumpe genannt, bei der zwei Pumpenelemente über einen Verstellmechanismus gegeneinander so verdreht werden kön­ nen, daß das resultierende Fördervolumen pro Umdrehung zwischen Null und Maximum variiert.

Eine solche verstellbare Pumpe erfordert einen erheblichen Mehraufwand gegenüber einer kon­ ventionellen Zahnradpumpe mit festem Fördervolumen pro Umdrehung. Bei den Triebwerksher­ stellern bestehen erhebliche Zweifel, ob bei einer solchen Verstellpumpe (ca. 100 bar, 2000 cm³/s) die geforderte Zuverlässigkeit bei den heute in der Luftfahrt geforderten ca. 20.000 h Lauf­ zeit erreicht werden kann.

Aus der DE 196 53 636 A1 ist ein Verfahren zur bedarfsgerechten Steuerung eines Fluids für ei­ nen Verbraucher bekannt, mit zwei parallel angeordneten Pumpen, mit einem Schaltelement, wel­ ches bei Bedarf eine der beiden Pumpen zu- oder abschaltet, wodurch offensichtlich die Lei­ stungsaufnahmen der Pumpe ebenfalls reduziert und insofern ein Aufheizen des Fluids verringert wird. Das Verfahren beruht auf der Umschaltung von zwei Pumpen mit getrennten Antriebsmoto­ ren auf die Betriebsarten

• - Serie (doppelter Druck, normale Fördermenge)
• - Parallel (normaler Druck, doppelte Fördermenge)
• - Einzelbetrieb (normaler Druck und normale Fördermenge),

ohne daß dazu ein steuerbares Ventil benötigt wird, das wegen des dort zugrunde gelegten Fluids "Klärschlamm" sehr wartungsaufwendig wäre. Statt dessen werden einfache Rückschlagventile benutzt, die Betriebsarten werden durch Ein- und Ausschalten sowie Drehrichtungsumkehr der Antriebsmotoren gesteuert.

Bei der in der aktuellen Erfindung zugrunde gelegten Applikation "Hauptkraftstoffpumpe eines Gasturbinentriebwerks am Flugzeug" gibt es jedoch keine Möglichkeit zur Drehzahlbeeinflus­ sung, da die Pumpen nicht über getrennt steuerbare Motoren, sondern über eine mechanische Welle von der Triebwerks-Getriebebox angetrieben werden, deren Drehrichtung konstruktiv fest liegt und deren Drehzahl nicht gesteuert werden kann, weil sie proportional zur aktuellen Trieb­ werksdrehzahl ist.

Wäre die Pumpendrehzahl z. B. über einen drehzahlvariablen Elektroantrieb oder über ein stu­ fenlos verstellbares Zwischengetriebe einstellbar, dann würde man einfach die Fördermenge der Pumpe an die gewünschte Verbrauchsmenge anpassen, damit den Rezirkulationsfluß auf Null bringen und entsprechend kaum noch Aufheizung des Fluids bekommen. Solche drehzahlvariable Antriebe für hohe Pumpenleistungen (ca. 2000 cm³/s, 100 bar) werden jedoch bis heute bei Flug­ zeugtriebwerken aus Gewichts,- Kosten- und Zuverlässigkeitsgründen nicht eingesetzt. Vielmehr benutzt man man robuste, direkt von der Triebwerks-Getriebebox angetriebene Verdrängerpum­ pen, die aber den Nachteil haben, bei hohen Drehzahlen und geringen Verbräuchen einen erhebli­ chen Überschuß zu fördern, der dann rezirkuliert werden muß und die unerwünschte Aufheizung des Fluids bewirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit möglichst geringem Mehraufwand die Eigenerwär­ mung von Verdrängerpumpen infolge von hohem Rezirkulationsdurchfluß zu reduzieren, wobei gleichzeitig die in der Luftfahrt üblichen Anforderungen an Gewicht, Zuverlässigkeit, Temperatur­ bereich und Dynamik erfüllt werden müssen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben und besteht darin, daß

• - bei der Verdrängerpumpe die Pumpenförderung Q auf zwei parallel arbeitende von der gleichen Welle angetriebene Pumpenelemente Q1 und Q2 verteilt wird,
• - Q1 dauernd gegen den Hochdruck P11 des Verbrauchers arbeitet, während der Druckaufbau P12 des Pumpenelements Q2 steuerbar ist und nur bei Bedarf bis auf den Verbraucherhochdruck P11 angehoben wird, so daß dann der Förderdurchfluß von Q2 sich zumindest teilweise zu dem von Q1 addiert,
• - Q2 durch ein Schaltelement von der Hochdruckleitung getrennt und durch ein Absteuerventil druckentlastet wird, solange der Förderdurchfluß von Q1 größer als der geforderte Verbrauch Qv ist, wodurch die Leistungsaufnahme von Q2 absinkt und damit entsprechend weniger zur Aufheizung des zirkulierenden Fördermediums beiträgt.

Die Temperaturerhöhung des Pumpensystems wird letztendlich durch die Leistungsbilanz be­ stimmt: Es wird eine mechanische Leistung Lm an der Pumpenwelle aufgebracht, eine hydrauli­ sche Leistung Lh und eine thermische Leistung Lt wird dem System durch den Verbraucher ent­ nommen, die Differenz ΔL heizt das System auf, bis ein Gleichgewicht zwischen abgestrahlter Verlustleistung Lu und ΔL besteht.

Im weiteren Verlauf der Beschreibung wird die Abhängigkeit der Auslaßtemperatur T vom Ver­ braucherdurchfluß Qv und von der Pumpenaufteilung Q1/Q analytisch abgeleitet. Durch geeignete Wahl der Pumpenaufteilung unter Berücksichtigung der Randbedingungen von Einlaßtemperatur T0, Umgebungstemperatur Tu, Hochdruck P11 und Gesamtpumpendurchfluß Q gelingt es, die Auslaßtemperatur T im gesamten Betriebsbereich unterhalb bestimmter Grenzen zu halten und da­ mit die Kühlfähigkeit des Fördermediums zu verbessern. Entsprechend der erzielten Reduzierung der Eigenerwärmung des Fördermediums verringert sich dadurch in vorteilhafter Weise der Auf­ wand für Wärmetauscher zur Kühlung anderer Systeme.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Gerät zur automatischen Durchführung dieses Verfahrens zur Reduzierung der Eigenerwärmung angegeben, bestehend aus einer Verdrän­ gerpumpe mit zwei Pumpenelementen Q1 und Q2, einem konventionellen Rückschlagventil und einem Absteuerventil spezieller Bauart, das die überschüssige Pumpenförderung Qr zum Einlaß der Pumpe hin rezirkuliert. Der Öffnungsweg 5 des Absteuerventils wird in bekannter Weise so verstellt, daß die Differenz aus Pumpenförderung Q = Q1 + Q2 und rezirkuliertem Durchfluß Qr dem geforderten Verbraucherdurchfluß Qv entspricht.

Die Funktion des in Patentanspruch 1 genannten Schaltelements wird dabei von dem Rückschlag­ ventil übernommen, das die Hochdruckauslässe der beiden Teilpumpen Q1 und Q2 solcherart ver­ bindet, daß die Durchflußrichtung von Q1 nach Q2 gesperrt ist. Durchfluß von Q2 nach Q1 ist nur dann möglich, wenn der Auslaßdruck P12 von Q2 größer oder gleich dem Auslaßdruck P11 von Q1 ist.

Gesteuert wird dieses Schaltelement über eine regelbare Absteuerdrossel Npu zwischen dem Aus­ laß von Q2 und der Rezirkulationsleitung. Bei weitem Öffnen der Absteuerdrossel Npu bricht der Druck P12 zusammen, das Rückschlagventil sperrt und trennt Q2 von der Hochdruckleitung ab. Der komplette Förderdurchfluß Q2 wird nun über die Absteuerdrossel Npu zum Pumpeneinlaß rezirkuliert. Wenn Npu genügend weit geöffnet ist, entsteht hierbei nur ein sehr kleiner Druckab­ fall, so daß sich die Leistungsaufnahme von Q2 entsprechend reduziert und nur noch wenig zur Eigenerwärmung beiträgt.

Der überschüssige Durchfluß Qsp des Pumpenelement Q1 wird über eine weitere regelbare Ab­ steuerdrossel Nsp zwischen dem Hochdruckauslaß von Q1 und der Rezirkulationsleitung zum Pumpeneinlaß zurückgeleitet.

Beim Schließen der Absteuerdrossel Npu steigt P12 wieder an und erreicht schließlich den Aus­ laßdruck P11 von Q1. Damit öffnet das Rückschlagventil und addiert zumindest einen Teildurch­ fluß Qnr von Q2 zu Q1, während der Rest Qpu von Q2 weiterhin über die Absteuerdrossel Npu rezirkuliert wird.

Die regelbaren Absteuerdrosseln Nsp und Npu werden erfindungsgemäß als zwei Öffnungsprofile in einer Kolbenhülse verwirklicht, die von einem in dieser Hülse beweglichen Regelkolben mit dem Öffnungsweg S nacheinander abgedeckt bzw. freigegeben werden.

Der Regelkolben bestimmt die rezirkulierte Absteuermenge. Sein Öffnungsweg S wird in bekann­ ter Weise geregelt, z. B. durch den Differenzdruck P1 - P2 über eine Drosselstelle Nm im Verbrau­ cher. Ein Ansteigen diese Differenzdrucks über den Sollwert hinaus zeigt an, daß der Verbrau­ cherdurchfluß Qv zu groß ist, daß also ein größerer Anteil der Pumpenförderung Q abgesteuert werden muß. Entsprechend wird der Regelkolben seinen Öffnungsweg S und damit auch die Flownumbern der Absteuerdrosseln Nsp und Npu vergrößern.

Mit beginnendem Öffnungsweg S wird zunächst nur die Absteuerdrossel Npu geöffnet, Nsp bleibt verschlossen. Also wird hier zunächst der gesamte Förderfluß Q1 zum Verbraucher geleitet und zusätzlich noch ein Anteil von Q2. Mit wachsendem S und und entsprechend wachsender Flownumber von Npu reduziert sich dieser zugemessene Anteil, dafür wird der abgesteuerte An­ teil von Q2 immer größer. Schließlich ist die Absteuerdrossel Npu soweit geöffnet, daß auch bei voller Absteuerung von Q2 der Druckabfall über Npu nicht mehr ausreicht, um P12 < P11 zu hal­ ten und damit das Rückschlagventil geöffnet zu halten.

Damit ist Q2 vom Hochdruck P11 abgetrennt, Q1 versorgt den Verbraucher alleine. Ein etwaiger Überschuß von Q1 muß nun über die Absteuerdrossel Nsp abgesteuert werden. Bevor Nsp aber zu öffnen beginnt, sollte die Flownumber von Npu bereits so groß sein, daß Q2 zur Temperaturre­ duzierung hinreichend druckentlastet ist. Also muß mit weiterer Öffnung des Regelkolbens zu­ nächst die Flownumber von Npu so schnell wie möglich ansteigen, bevor die Absteuerdrossel Nsp zu öffnen beginnt und die Absteuerregelung übernimmt.

In überraschend einfacher Weise gelingt es mit diesem erfindungsgemäßen Gerät, das bekannte Verfahren zur Rezirkulation der Überschußmenge einer Verdrängerpumpe mittels eines differenz­ druckgeregelten Absteuerventils mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Reduzierung der Ei­ generwärmung zu kombinieren. Hierzu werden neben der speziellen Verdrängerpumpe mit zwei parallel arbeitenden Pumpenelementen lediglich ein konventionelles Rückschlagventil benötigt, und das Absteuerventil muß geringfügig modifiziert und mit einem zweiten Absteuerprofil verse­ henen werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann auch ein Regelkolben mit zwei Steuerkanten verwendet werden, um die Dynamik des Systems zu verbessern. Konstruktiv bedingt müssen die den Profilen Npu und Nsp zugeordneten Druckräume (Ringkammern für Hochdruck P11 und Rücklaufdruck P0) außen auf der Hülse des Absteuerventils mit einem Dichtelement, vorzugswei­ se einem O-Ring, getrennt werden. Der dazu benötigte Einbauraum verlängert den Abstand zwi­ schen dem Ende des Npu Profils und dem Anfang des Nsp Profils.

Regeltechnisch ergibt sich dadurch eine Tote Zone, weil in diesem Bereich eine Änderung des Kolbenweges S keine Änderung der abgesteuerten Durchflußmenge bewirkt. Diesen Effekt kann man eliminieren, indem ein Kolben mit zwei Steuerkanten benutzt wird, die um den Weg dieser Toten Zone versetzt sind. Sobald die erste Steuerkante das Npu Profil völlig freigegeben hat, be­ ginnt die zweite Steuerkante, auch das Nsp Profil zu öffnen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,

• - daß die Aufheizung des Verdrängerpumpensystems bei kleinen Verbräuchen reduziert wird, so daß die Kühlfähigkeit des Mediums verbessert wird und der Aufwand für Wärmetauscher zur Kühlung anderer Systeme sich entsprechend verringert,
• - daß durch geeignete Wahl der Förderaufteilung auf die beiden Pumpenelemente die Temperaturspitzen minimiert werden,
• - daß abhängig vom aktuellen Verbraucherdurchfluß eine automatische Druckentlastung des nicht benötigten Pumpenelements erfolgt, wodurch dieses kaum noch zur Aufheizung beiträgt,
• - daß zur gerätetechnischen Realisierung lediglich einfache, in der Luftfahrt erprobte Komponenten hoher Zuverlässigkeit benötigt werden.

Anhand der folgenden Fig. 1, 2, 3, 4, 5 und 6 soll die Erfindung in Form bevorzugter Beispiele näher erläutert werden:

Es zeigen im einzelnen

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Erfindung zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens und zur rechnerischen Ableitung der Temperaturverläufe über die Leistungsbilanz

Fig. 2 den berechneten Temperaturverlauf in Abhängigkeit von dem Verbraucherdurchfluß und der gewählten Aufteilung der Pumpenelemente

Fig. 3 ein hydraulisches Wirkschaltbild des erfindungsgemäßen Gerätes zur automatischen Durchführung des Verfahrens zur Reduzierung der Eigenerwärmung bei einer Kraftstoffpumpen- und -zumeßeinheit

Fig. 4 den Aufbau der Absteuerprofile in der Hülse des Absteuerventils sowie die Abhängigkeit ihrer Flownumbern Nsp und Npu vom Öffnungsweg S des Regelkolbens

Fig. 5 die Verläufe der interessierenden Durchflüsse und Drücke sowie des Öffnungswegs S des Regelkolbens, wenn bei konstanter maximaler Pumpenförderung der Verbraucherdurchfluß in Form einer Rampe von Maximum bis Minimum verändert wird

Fig. 6 eine verbesserte Ausführung des in Fig. 3 dargestellten Regelkolbens mit zwei Steuerkanten zur Reduzierung der Regeltotzeit.

In Fig. 1 sind die beteiligten Komponenten durch hydraulische Ersatzschaltbilder dargestellt. Die Leistungen sind mit L, die Temperaturen mit T, die Drücke mit P, die volumetrischen Durchflüs­ se mit Q und die hydraulischen Leitwerte der einzelnen Drosseln durch ihre Flownumber N be­ zeichnet (Definition: N = Q/√ΔP).

Bei einer Verdrängerpumpe mit festem Fördervolumen pro Umdrehung ist die Förderung auf zwei Pumpenelemente (1) mit dem Förderfluß Q1 und (2) mit dem Förderfluß Q2 verteilt. Beide Ele­ mente werden vom gemeinsamen Pumpeneinlaß (3) mit dem Vordruck P0 gespeist, fördern je­ doch in getrennte Auslässe (4) gegen den Druck P11 und (5) gegen den Druck P12. Den Ausläs­ sen (4) und (5) ist jeweils eine eigene verstellbare Absteuerdrossel (6) mit der Flownumber Nsp und (7) mit der Flownumber Npu zugeordnet, über die der Förderüberschuß Qsp von Q1 bzw. Qpu von Q2 zu einer gemeinsamen Rezirkulationsleitung (8) und von dort als Rezirkulationsfluß Qr zum Einlaß (3) des Pumpensystems zurückgeführt wird. Während der Auslaß (4) des Pum­ penelements Q1 dauernd mit der Verbraucherleitung (10) verbunden ist, über die der Verbrau­ cherdurchfluß Qv mit dem Druck P11 entnommen wird, kann der Auslaß (5) des Pumpenelements Q2 über ein Schaltelement (9) von der Verbraucherleitung (10) abgetrennt werden.

Zur weiteren Diskussion des Verfahrens sei angenommen, daß der Verbraucherdruck P11 über ei­ ne hier nicht dargestellte Regeleinrichtung, z. B. ein Druckaufbauventil, eingeprägt werde, und daß eine weitere zunächst nicht dargestellte Regeleinrichtung die Flownumbern Nsp und Npu der re­ gelbaren Absteuerventile (6) und (7) so einstelle, daß sich der gewünschte Verbraucherdurchfluß Qv als Differenz der Pumpenförderung Q1 + Q2 und der rezirkulierten Überschußmenge Qr = Qsp + Qpu einstellt.

Bei Verbraucherdurchflüssen Qv ≦ Q1 besteht dann die Möglichkeit, das Schaltelement (9) zu öffnen und die Flownumber Npu soweit zu vergrößern, daß der nunmehr vollständig rezirkulie­ rende Pumpendurchfluß Q2 nur noch einen sehr kleinen Druckabfall P12 - P0 = (Q2/Npu)² an der Absteuerdrossel (7) erzeugt. Durch die Druckentlastung sinkt die Leistungsaufnahme des Pum­ penelements Q2, und es trägt entsprechend weniger zur Eigenerwärmung des Pumpensystems bei.

Bei Verbraucherdurchflüssen Qv < Q1 muß das Schaltelement (9) dagegen wieder geschlossen werden, damit zumindest ein Teildurchfluß Qnr von Q2 zum Pumpendurchfluß Q1 addiert werden kann, und die Flownumber Npu muß soweit verkleinert werden, daß der restliche Durchfluß Qpu von Q2 an der Absteuerdrossel (7) den Druck P12 etwas über den Wert von P11 anhebt, damit Qnr in Richtung zur Verbraucherleitung (10) fließt. Dadurch erhöht sich natürlich wieder die Lei­ stungsaufnahme des Pumpenelements Q2, was aber in diesem Fall nicht mehr stört, da genügend Verbraucherdurchfluß Qv vorliegt, um die Eigenerwärmung in Grenzen zu halten.

Wie soll nun die optimale Aufteilung der Gesamtpumpenförderung Q auf die Teilpumpen Q1 und Q2 erfolgen, um die Eigenerwärmung möglichst gering zu halten? Dazu muß an Hand einer Lei­ stungsbilanz die Abhängigkeit der Auslaßtemperatur T von dem Verbraucherdurchfluß Qv ermit­ telt werden.

Dazu wird ein imaginärer gestrichelter Rahmen (11) um das in Fig. 1 dargestellte Pumpensystem samt Absteuerventilen, Schaltelement und Rezirkulationsleitung gezogen. In diesen Rahmen geht am Einlaß (3) der Durchfluß Qv mit einem Druckniveau P0 und einer Temperatur T0 hinein, am Auslaß (10) kommt der gleiche Durchfluß Qv wieder heraus, aber auf einem höheren Druckni­ veau P11 und mit höherer Temperatur T. In der Umgebung dieses Rahmens herrsche die Tempe­ ratur Tu.

Zur Vereinfachung wird der Einlaßdruck P0 als Null angenommen. Ferner wird vereinfachend an­ genommen, daß die zur Berechnung der Abstrahlverluste an die Umgebung relevante mittlere Temperatur des Pumpensystems gleich der Auslaßtemperatur T ist, was natürlich nur bei kleinen Verbräuchen gilt.

In diesen Rahmen (11) werden die mechanischen Antriebsleistungen Lm1 und Lm2 der beiden Pumpenelemente Q1 und Q2 zugeführt. Entnommen wird die hydraulische Leistung Lh zur Anhe­ bung des Druckniveaus von Qv von Null auf P11, die thermische Leistung Lt zur Anhebung des Temperaturniveaus von Qv von T0 auf T sowie die Abstrahlleistung Lu des Pumpensystems mit der Differenztemperatur T - Tu gegen die Umgebung. Diese Leistungen müssen im Gleichgewicht sein, andernfalls würde sich das System aufheizen oder abkühlen.

Unter Benutzung der Abkürzungen
Gesamtpumpendurchfluß: Q = Q1 + Q2
Pumpenaufteilung: X = Q1/Q
relativer Verbrauch: Y = Qv/Q
Druckreduktionsfaktor: Z = P12/P11
läßt sich folgende Leistungsbilanz aufstellen:

Die Auflösung dieser Gleichung nach T ergibt die gesuchte Abhängigkeit der Auslaßtemperatur T von dem relativen Verbrauch Y, mit Pumpenaufteilung X als Parameter. An einem Betriebspunkt, der gekennzeichnet ist durch Einlaßtemperatur T0 und Umgebungstemperatur Tu, Gesamtpum­ pendurchfluß Q und Verbraucherhochdruck P11, ergibt sich dann bei Anwendung eines Druckre­ duktionsfaktors Z:

η1 und η2 sind die Wirkungsgrade der Pumpenelemente Q1 und Q2. Sie sind unterschiedlich, weil sich der Wirkungsgrad bei Druckentlastung verschlechtert. Im folgenden Beispiel werden sie mit η1 = 40% und η2 = 15% angesetzt.
k1 ist eine Stoffkonstante des Fördermediums und ergibt sich als Produkt aus spezifischer Dichte und spezifischer Hitze. Für einen typischen Flugkraftstoff (AVTUR bei 100°C) ergibt sich:

k1 = 0,75 g/cm³.2,3 kJ/kg/°K = 1,72 W/cm³/s/°K

k2 ist der durch Versuche an einem Testaufbau ermittelte Verlustfaktor von 36 W/°K

In Fig. 2 wird die Temperaturkurve entsprechend der abgeleiteten Gleichung für das Beispiel
Q = 2000 cm³/s, P11 = 2000 kPa, Z = 0.1, T0 = 106°C, Tu = 25°C
für verschiedene Pumpenaufteilungen X = 0.1, 0.2, 0.3, 1 dargestellt.

Die Kurve (12) beschreibt mit X = 1 die konventionelle Einzelpumpe. Mit kleiner werdendem Verbraucherdurchfluß steigt die Auslaßtemperatur T immer steiler an; bei dem minimalen Ver­ braucherdurchfluß von 2,5% der Pumpenförderung (entsprechend dem bei Gasturbinentriebwer­ ken üblichen Zumeßbereich von 1 : 40) werden 163°C erreicht.

Die Kurve (15) für die Pumpenaufteilung X = 0,1 reduziert die Spitzentemperatur bei Y = 2,5% auf 109°C. Allerdings muß bereits bei Y ≧ 10% die zweite Pumpe wieder zugeschaltet werden, weil dann der Verbrauch die Fördermenge der ersten Pumpe übersteigt. Dann gilt wieder die Kur­ ve (12), und die zeigt bei Y = 10% bereits eine Temperatur T von 124°C. Das umgekehrte Ver­ halten zeigt die Kurve (13) für die Pumpenaufteilung X = 0,3. Hier ist die Temperatur beim Mini­ malfluß mit T = 121°C größer als am Umschaltpunkt mit T = 107°C.

Mit kleiner werdender Pumpenaufteilung X reduziert sich die Temperaturspitze bei Minimal­ durchfluß (Y = 2,5%), es erhöht sich jedoch die Temperaturspitze am Umschaltpunkt (Y = X). Die optimale Pumpenverteilung liegt dann vor, wenn die höchste Temperatur vermieden wird, die Temperaturspitzen an diesen beiden Punkten also gleich groß sind. Bei den Randbedingungen des hier diskutierten Beispiels zeigt die Kurve (14) mit einer Pumpenaufteilung X = 0,2 den günstig­ sten Temperaturverlauf; die Temperaturen beim Minimalverbrauch und am Umschaltpunkt (16) sind mit 115°C gleich groß. Also erreicht das erfindungsgemäße Verfahren bei diesem Beispiel eine Temperaturreduzierung des Fördermediums um 163 - 115 = 48°C.

In Fig. 3 ist ein hydraulisches Wirkschaltbild des erfindungsgemäßen Gerätes zur automatischen Durchführung des Verfahrens zur Reduzierung der Eigenerwärmung bei einer Kraftstoffpumpen- und -zumeßeinheit angegeben. Das Gerät innerhalb des gestrichelten Rahmens (11) besteht aus ei­ ner speziellen Verdrängerpumpe (40), vorzugsweise eine Zwillings-Zahnradpumpe, einem kon­ ventionellen Rückschlagventil (30) und einem speziellen Absteuerventil (20).

Der Verbraucherdurchfluß Qv wird am Einlaß (3) mit dem Einlaßdruck P0 angesaugt (oder auch von einer hier nicht dargestellten Vordruckpumpe bereitgestellt) und am Auslaß (10) mit dem Hochdruck P11 an den Verbraucher (36) weitergeleitet. Der Verbraucher ist hier als Reihen­ schaltung einer Drossel (34) und einer einstellbaren Zumeßdrossel Nm (35) dargestellt, über die der gewünschte Verbraucherdurchfluß Qv eingestellt werden kann. Stromabwärts vom Verbrau­ cher herrsche der Druck P2. Der durchflußabhängige Druckabfall P1 - P2 über dem Zumeßventil Nm (35) dient als Meßsignal für den Verbraucherdurchfluß Qv. Die Drossel (34) simuliert ledig­ lich mögliche Druckverluste zwischen Pumpe und Zumeßdrossel.

Erhöht sich dieser Druckabfall P1 - P2 über einen Sollwert hinaus, der durch die Konstruktion des Absteuerventils (20) festgelegt ist, so öffnet sich dieses Ventil weiter und leitet einen größeren Anteil Qr der Pumpenförderung über die Rezirkulationsleitung (8) zurück zum Einlaß (3) der Pumpe (40). Entsprechend sinkt der Verbraucherdurchfluß Qv in der Leitung (10), wodurch der Druckabfall P1 - P2 ebenfalls sinkt und wieder seinen Sollwert annimmt.

Die Pumpe (40) besteht aus zwei Pumpenelementen (1) und (2) mit den Förderdurchflüssen Q1 und Q2, die von einer gemeinsamen Welle (37) getrieben werden. Vorzugsweise werden Zahnrad­ sätze verwendet, deren Fördervolumen pro Umdrehung so ausgelegt ist, daß Q2 etwa viermal so groß ist wie Q1. Bei dieser Pumpenaufteilung X = Q1/(Q1 + Q2) = 0,2 ergibt sich die größte Tem­ peraturreduzierung, wie zuvor abgeleitet und in Fig. 2 dargestellt wurde.

Die Hochdruckauslässe (4) und (5) sind über das Rückschlagventil (30) solcherart verbunden, daß die Durchflußrichtung von Auslaß (4) des Pumpenelements (1) zum Auslaß (5) des Pumpenele­ ments (2) immer gesperrt ist, während die umgekehrte Durchflußrichtung von Qnr möglich ist, sofern der Druck P12 am Auslaß (5) mindestens so groß ist wie der Druck P11 am Auslaß (4).

Das Absteuerventil (20) besteht aus einer Hülse (21) und einem in der Hülse frei beweglichen Kolben (22), der als Vierkantenschieber ausgebildet ist und von einer Feder (29) belastet wird. An den Stirnseiten des Kolbens liegt der am Verbraucher gemessene Differenzdruck P1 - P2 an, und zwar solcherart, daß P2 über die Dämpfungsdrossel (33) und den Servodruckeinlaß (32) in den Federraum geleitet wird, während P1 über den Servodruckeinlaß (31) zur gegenüberliegenden Stirnseite geleitet wird. Der Kolbenweg S wird sich so lange verstellen, bis ein Kraftgleichgewicht zwischen der Federkraft und der Druckkraft besteht. Der Sollwert der Differenzdruckregelung ist also durch das Produkt aus Federkraft und Kolbenstirnfläche gegeben.

Am Umfang der Hülse (21) sind im inneren Bereich des Vierkantenschiebers (22) die Einlaßboh­ rungen (26) für den Absteuerfluß Qpu vom Auslaß (5) des Pumpenelements Q2 und die Einlaß­ bohrungen (24) für den Absteuerfluß Qsp vom Auslaß (4) des Pumpenelements Q1 angeordnet, ferner dazwischen die Auslaßbohrungen (25) zur Rezirkulationsleitung (8). Die entstehenden fünf Druckräume (P1, P12, P0, P11, P2) werden durch vier Dichtelemente (27 und 28) voneinander getrennt, z. B. durch O-Ringe auf der Außenseite der Hülse (21).

Bei geschlossenem Absteuerventil drückt die Feder (29) den Kolben (22) bis zum Anschlag nach links. Dabei bleibt die Einlaßbohrung (26) frei, während die Einlaßbohrung (24) und die Auslaß­ bohrung (25) vom Kolben abgedeckt und verschlossen werden. Zum Öffnen wandert der Kolben nach rechts und beginnt, mit seiner Steuerkante (23) die Auslaßbohrung (25) freizugeben. Er öff­ net also die Drossel Npu zwischen P12 und P0, während Nsp weiterhin geschlossen bleibt.

Erst nach vollständiger Öffnung von Nsp und Überwindung des zur Unterbringung des Dichtele­ ments (28) notwendigen Totweges gibt die Steuerkante (23) auch die Einlaßbohrung (24) frei. Damit wird die Drossel Nsp zwischen P11 und P12 geöffnet, wobei P12 wegen der vollständig geöffneten Drossel Npu bereits bis in die Nähe von P0 abgesunken ist. Es ist sichergestellt, daß die Einlaßbohrung (26) auch bei maximaler Öffnung nicht abgedeckt wird.

In Fig. 4 ist der Aufbau der Absteuerprofile (25) und (24) sowie die daraus resultierende Abhän­ gigkeit der Flownumbern Npu und Nsp vom Kolbenöffnungsweg S dargestellt. Das Profil für Npu setzt sich vorzugsweise aus drei versetzten Bohrungen (41), (42), (43) unterschiedlicher Durch­ messer sowie einem großen Rechteckschlitz (44) zusammen, der am Ende des Profils angeordnet ist. Das Profil für Nsp wird durch die Bohrung (45) dargestellt. Bei S = 0 sind alle Bohrungen vom Regelkolben (22) abgedeckt, bei wachsendem Öffnungsweg S werden die Bohrungen von links nach rechts nacheinander von der Steuerkante (23) freigegeben. Die Summe der freigegebe­ nen Flächen entspricht der Flownumber.

Damit wird der Verlauf (46) von Npu über S und (47) von Nsp über S erreicht. Im Bereich 0 < S < S1 erreicht man einen progressiven Verlauf von Npu, wie er aus Gründen der Regelstabi­ lität erwünscht ist. Bei S1 < S < S2 steigt Npu infolge des großen Schlitzes (44) steil an, um eine schnellstmögliche Druckentlastung von Q2 zu erreichen. Der Bereich S2 < S < S3 entsteht wegen des Einbauraums für das Dichtelement (28) und bildet einen unerwünschten Tothub. Bei S3 < S < S4 wird schließlich Nsp aufgesteuert. Diese Flownumber ist wegen der gewählten Pum­ penaufteilung X = 0.2, also Q2 = 4.Q1, etwa viermal kleiner als Npu beim Öffnungsweg S1.

In Fig. 5 sind die prinzipiellen zeitlichen Verläufe der Pumpendurchflüsse Q1 und Q2, der Absteu­ erdurchflüsse Qsp und Qpu, des Verbraucherflusses Qv, des Absteuerventil-Öffnungswegs S und der Pumpenauslaßdrücke P11 und P12 für den Fall angegeben, daß bei maximaler Pumpenförde­ rung der Verbraucherdurchfluß Qv rampenförmig vom Maximal- auf den Minimalwert gefahren wird. Ansonsten gelten die beim Beispiel von Fig. 3 genannten Randbedingungen.

Mit fallendem Qv im Bereich Q1 + Q2 < Qv < Q1 wächst Qpu linear an und erreicht bei Qv = Q1 den Wert von Q2. Wegen des progressiven Absteuerprofils Npu (s. Fig. 4) wird S im Bereich 0 < S < S1 einen entsprechend gebogenen Verlauf zeigen und zu Beginn stärker ansteigen. Für weiter fallenden Qv < Q1 muß Qsp linear ansteigen. Damit das Absteuerprofil Nsp aber geöffnet wird, muß S zunächst den Weg von S1 nach S3 durchfahren, wozu eine bestimmte Totzeit benö­ tigt wird. Für S1 < S < S2 sinkt P12 entsprechend dem schnell wachsenden Npu. Dann folgt je­ doch der durch den Einbauraum für das Dichtelement (28) in Fig. 3 benötigte Totweg von S2 nach S3.

Die Darstellung in Fig. 5 geht zunächst davon aus, daß die Totzeit zum Durchlaufen des Kolben­ wegs von S1 nach S3 vernachlässigbar gegenüber der Rampenzeit ist. Daher steigt S am Schalt­ punkt Qv = Q1 senkrecht nach oben. Bei schnellen Rampen trifft das aber nicht mehr zu, es wür­ den sich die gestrichelt angedeuteten Effekte ergeben. Letztendlich würde Qv am Schaltpunkt für die Dauer der Totzeit konstant auf dem Wert von Q1 verharren, es würde sich eine Unterbre­ chung der gewünschten Rampe mit anschließendem Einschwingeffekt ergeben.

Das ist natürlich regeltechnisch unerwünscht. Daher wird man die Totzeit so klein wie möglich halten. Für den Bereich S1 bis S2 heißt das, der Zuwachs an Absteuerflownumber Npu muß mög­ lichst schnell erfolgen. Daher wird man hier einen Rechteckschlitz (44) wählen, wie in Fig. 4 dar­ gestellt. Den Totbereich S2 bis S3 kann man durch Verwendung eines Regelkolbens mit zwei Steuerkanten vollständig eliminieren.

Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt des Absteuerventils (20) von Fig. 3 mit der Kolbenhülse (21), der Einlaßbohrung (24) für das Absteuerprofil Nsp, der Auslaßbohrung (25) für das Absteuerprofil Npu und dem Dichtelement (28) zur Trennung der Druckräume P11 von (24) und P0 von (25). Der Kolben (22) von Fig. 3 mit nur einer Steuerkante (23) ist jedoch in Fig. 6 durch den Kolben (42) mit zwei Steuerkanten (43) und (44) sowie einer Ringnut (45) ersetzt. Ferner sind innen in der Hülse (21) am Umfang mehrere Taschen (46) hineinerodiert, die die Ringnut (45) des Kolbens mit dem Druckraum P12 vor der Auslaßbohrung (25) verbinden.

Im Bereich 0 < S < S2 öffnet die Steuerkante (43) die Bohrungen (25) des Profils Npu und gibt den Absteuerfluß Qpu frei, während die zweite Steuerkante (44) die Bohrungen (24) des Profils Nsp verschlossen hält. Bei S < S2 gibt diese zweite Steuerkante direkt Nsp frei, ohne daß ein wei­ terer Totweg durchlaufen werden muß. Der Absteuerdurchfluß Qsp nimmt dann den mit Pfeilen angedeuteten Weg vom Druckraum P11 durch die Einlaßbohrung (24), durch die Kolbennut (45), durch die Taschen (46) zum Druckraum P12 und von dort über die voll freigegebene Auslaßbohr­ rung (25) zum Druckraum P0.

Claims (4)

1. Verfahren zur Reduzierung der Aufheizung des Fördermediums bei einer Verdrängerpum­ pe in dem Fall, daß bei geringem Verbrauch eine große Überschußmenge vom Auslaß der Pumpe zum Einlaß rezirkuliert werden muß, dadurch gekennzeichnet, daß
die Pumpenförderung auf zwei parallel arbeitende Pumpenelemente Q1 (1) und Q2 (2) verteilt wird, die von der gleichen Welle angetrieben werden,
Q1 dauernd gegen den Hochdruck des Verbrauchers arbeitet, während der Druckaufbau von Q2 steuerbar ist und bei Bedarf bis auf Verbraucherhochdruck angehoben wird, so daß dann der Förderdurchfluß von Q2 sich zumindest teilweise zu dem von Q1 addiert;
Q2 durch ein Schaltelement (9) von der Hochdruckleitung (10) getrennt und durch ein Absteuerventil (7) druckentlastet wird, solange der Förderdurchfluß von Q1 größer als der geforderte Verbrauch Qv ist, wodurch die Leistungsaufnahme von Q2 absinkt und damit entsprechend weniger zur Aufheizung des zirkulierenden Fördermediums beiträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Minimierung der Temperaturspitzen die Aufteilung des Pumpendurchflusses auf die Förderelemente Q1 und Q2 durch unterschiedliche Baugrößen (Fördervolumen pro Um­ drehung) für Q1 und Q2 so gewählt wird, daß die Temperaturerhöhung am Umschalt­ punkt von Q2 (d. h. Qv = Q1, Q2 zugeschaltet) etwa gleich groß ist wie die Temperaturer­ höhung beim minimalem Verbrauch (d. h. Qv << Q1, Q2 druckentlastet).

3. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1) und 2) dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Verdrängerpumpe (40) die beiden von einer gemeinsamen Welle (37) angetriebenen Pumpenelemente Q1 (1) und Q2 (2) einen gemeinsamen Einlaß (3), aber getrennte Auslässe (4) und (5) besitzen,
der Auslaß (4) des Pumpenelements Q1 und der Auslaß (5) des Pumpenelements Q2 über ein als Schaltelement wirkendes Rückschlagventil (30) verbunden sind, das die Durchflußrichtung von Q1 nach Q2 sperrt, jedoch Durchluß von Q2 nach Q1 erlaubt, sofern der Druck P12 am Auslaß (5) größer oder gleich dem Druck P11 am Auslaß (4) ist,
am Auslaß (4) des Pumpenelements Q1 eine regelbare Absteuerdrossel Nsp (24) angeordnet ist, die den überschüssigen Pumpendurchfluß Qsp von Q1 zum gemeinsamen Pumpeneinlaß (3) zurückführt, wodurch der notwendige Hochdruck P11 zum Speisen des Verbrauchers (36) erzeugt wird,
am Auslaß (5) des Pumpenelements Q2 eine weitere regelbare Absteuerdrossel Npu (25) angeordnet ist, die den überschüssigen Pumpendurchfluß Qpu von Q2 zum gemeinsamen Pumpeneinlaß (3) zurückführt und dabei den notwendige Hochdruck P12 zum Öffnen des Rückschlagventils (30) erzeugt, bzw. die durch vollständiges Öffnen den Druck P12 zum Schließen des Rückschlagventils (30) absenkt, bei gleichzeitiger Druckentlastung des Pumpenelements Q2,
die regelbaren Absteuerdrosseln Nsp und Npu durch zwei Öffnungsprofile (24) und (25) in einer Kolbenhülse (21) verwirklicht werden, die von einem in dieser Hülse beweglichen Regelkolben (22) mit dem Öffnungsweg S abgedeckt bzw. freigegeben werden,
bei zunächst verschlossenen Absteueröffnungen der Fluidstrom zum Verbraucher dadurch verringert wird, daß die Steuerkante (23) des Regelkolbens (22) mit wachsendem Öffnungsweg S zunächst nur die Absteuerdrossel Npu öffnet, während die Absteuerdrossel Nsp geschlossen bleibt, dann bei weiterer Öffnung die Absteuerdrossel Npu schnellstmöglich vergrößert, so daß das Pumpenelement Q2 druckentlastet wird und das Rückschlagventil (30) schließt, und schließlich bei maximaler Öffnung auch die Absteuerdrossel Nsp öffnet,
der Regelkolben (22) zusammen mit einer Feder (29) einen Differenzdruckregler für einen vom Verbraucherdurchfluß Qv abhängigen Druckabfall (P1 - P2) bildet, wobei der Regelkolben (22) seinen Öffnungsweg S so lange verstellt und damit die rezirkulierte überschüssige Pumpenmenge Qr = Qsp + Qpu variiert, bis sich derjenige Verbraucherdurchfluß Qv = Q1 - Qsp + Q2 - Qpu einstellt, der den durch Federkraft und Kolbenfläche bestimmten Soll-Druckabfall von P1 - P0 erzeugt.

4. Gerät nach Anspruch 3), dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Regelkolbens (22) mit nur einer Steuerkante (23) für beide Absteuerprofile Nsp ind Npu ein Regelkolben (42) mit zwei parallel laufenden Steuerkanten (43) für das Profil Npu und (44) für das Profil Nsp benutzt wird, um den regeltechnisch unerwünsch­ ten Totweg S2-S3 des Kolbens (22) zwischen voller Öffnung des Npu-Profils (25) bei S = S2 und Beginn des Nsp-Profils (24) bei S = S3 zu eliminieren, der wegen des Platzbedarfs für ein Dichtelement (28) außen auf der Kolbenhülse (21) zur Trennung der Ringkammer- Druckräume für Hochdruck P11 und Rücklaufdruck P0 entsteht.