DE2941510A1

DE2941510A1 - Stroemungsejektor

Info

Publication number: DE2941510A1
Application number: DE19792941510
Authority: DE
Inventors: James M Eastman; Francis R Rogers
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1978-10-13
Filing date: 1979-10-12
Publication date: 1980-04-24
Also published as: GB2033011B; GB2033011A; CA1127457A; US4213741A; JPS5551924A; SE7908468L; FR2438755A1

Description

Strömungsej ektor

Die Erfindung betrifft einen Strömungsejektor nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Treibstoffversorgungssysteme für Turbinenmotoren von Luftfahrzeugen verwenden allgemein eine vom Motor angetriebene Pumpe mit konstanter Verdrängung als Hauptbewegungsquelle für den Treibstoff. Derartige Pumpen geben charakteristischerweise erheblich mehr Treibstoff ab, als vom Motor benötigt wird, solange dieser nicht unter voller Last läuft. Zur Steuerung des Treibstoffdruckes in der Einrichtung, welche dem Motor den Treibstoff zumißt, wird die überschüssige Pumpenströmung zum Pumpeneinlaß über ein Bypass-Steuerventil zurückgeführt.

Die US-PS 3 1o6 934 beschreibt ein Bypass-Steuerventil, welches für eine rasche, stabile und genaue Steuerung des Treibstoffdruckes an der Treibstoffabmeßeinrichtung über einen weiten Lastbereich sorgt. Dabei ist jedoch nur wenig berücksichtigt, daß die Rückführung der Überschußströmung zum Pumpeneinlaß mit einem minimalen Energieverlust erfolgen sollte. Demzufolge erfolgt bei dieser Steuerung ein Wirkungsgradverlust.

Die US-PS 3 922 113 beschreibt ein Bypasssteuerventil, welches einen Ejektor mit variabler Geometrie enthält. Dieser ist in der Lage, eine beträchtliche Menge der kinetischen Energie des Bypassstromes als potentielle Energie am Pumpeneinlaß wiederzu-

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gewinnen. Auf diese Weise werden die Energieverluste des Systems reduziert; es ergibt sich eine erhebliche Verbesserung des Wir kungsgrades. Bei diesem System wird jedoch die Geometrie des Ejektors nur als proportionale Funktion des Druckfehlers an der Treibstoffabmeßeinrichtung verändert. In derartigen Fällen liegt, wie in der oben genannten US-PS 3 1o6 9 34 erläutert, immer im Druck der Treibstoffabmesseinrichtung ein stationärer Fehler vor.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Strömungsejektor der im Ober begriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattung derart fortzubilden, daß von der Pumpenbypassströmung möglichst viel Energie wiederge wonnen wird, wobei über einen weiten Bereich des Motortreibstoffbedarfes hinweg ein genauer Druck an der Abmeßeinrichtung aufrechterhalten wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm der Funktion eines Motor-

Treibstoff-Versorgungssystemes nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen

Ejektor.

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Fig. 1 zeigt ein TreibstoffVersorgungssystem für den Motor eines Luftfahrzeuges, bei welchem die Hauptbewegungsquelle für den Treibstoff eine Pumpe 1o mit konstanter Verdrängung ist. Die Pumpe 1o wird vom Motor des Luftfahrzeuges angetrieben und gibt normalerweise mehr Strömung beim Druck P- ab, als der Motor benötigt. Treibstoff, der vom Motor verbraucht wird, strömt durch die Leitung 11 in eine Treibstoffabmeßeinrichtung 12 und von dort zu den Motorbrennern über die Leitung 13. Die Abmeßeinrichtung 12 enthält eine öffnung 14 mit variablem Querschnitt, durch welche der Treibstoff abgemessen wird. Zur genauen Messung des Motortreibstoffs sollte der Druckabfall an der öffnung 14 konstant gehalten werden. Da die Pumpenströmung normalerweise den Bedarf des Motors übersteigt, neigt der Pumpenausgangsdruck P- dazu, anzuwachsen, wenn der Motorbedarf sinkt. Zur Stabilisierung dieses Druckes wird die überschüssige Pumpenauslaßströmung zum Pumpeneinlaß 15 über eine Bypassleitung 16 und einen Strömungs-Ejektor 17 zurückgeführt. Treibstoff aus einem Tank oder einer Zwischenverstärkungspumpe tritt über eine Leitung 18 unter einem Druck P_Q in den Ejektor 17 ein. Der Ejektor 17 reguliert die Bypassströmung durch die Leitung 16 derart,daß der Pumpenauslaßdruck P- geregelt wird. Er wandelt die kinetische Energie der Bypassströmung in potentielle Energie um, wodurch der Pumpeneinlaßdruck P¹ vergrößert wird. Auf diese Weise wird der Leistungsverbrauch der Pumpe verringert. Außerdem ergeben sich weitere Vorteile, z.B. ein verringerter Temperaturanstieg, wenn der Treibstoff die Pumpe passiert.

Der Ejektor 17 kontrolliert die Pumpenbypassströmung als Funktion

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der Differenz zwischen dem Pumpenauslaßdruck P₂ und dem Treibstoffdruck P₃ stromab von der öffnung 14 als Funktion des Zeitintegrales der Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem gewünschten Wert dieser Druckdifferenz. Diese entspricht dem Druckabfall über der öffnung 14. Der Druck P₃ wird über die Leitung 19 dem Ejektor 17 zugeführt. Das Druckkommando P wird durch ein Regelventil 2o in der Treibstoffabmeßeinrichtung 12 erzeugt und über die Leitung 21 dem Ejektor 17 zugeführt. Das Ventil 2o enthält ein federbelastetes Diaphragma, an welches die Drucke P„ und P₃ differentiell angelegt werden. Die Bewegungen des Ventils 2o und die Veränderungen der Strömung durch dieses Ventil sind grundsätzlich proportional zu Veränderungen im Abmeßdruckabfall, P₃-P₃. Der Steuerdruck P wird zwischen den Drucken P- und P durch die Kraft-Balance an

λ ο

einem Differenzflächenkolben aufrecht erhalten, der anhand von Fig. 2 beschrieben wird.

Wie in dieser gezeigt, umfaßt der Ejektor 17 einen hohlen Körper 3o. Dieser besitzt eine Einlaßöffnung 31, in welche Treibstoff unter dem Druck P aus dem Tank über die Leitung 18 einfließt. Eine feste Hülse 32, die am stromaufwärts liegenden Ende einen Abschnitt reduzierten Durchmessers 33 besitzt, ist in den Körper 3o eingepreßt. Eine Kammer 34, die von dem Freiraum zwischen dem Hülsenabschnitt 33 und dem Körper 3o gebildet wird, nimmt über öffnungen 35 Strömungsmittel beim Druck P auf. Verschiedene axial ausgerichtete Löcher 36, die über den Umfang der Hülse 32 verteilt sind, führen Strömungsmittel unter dem Druck P nach vorne zu einer Kammer 37. Die Hülse 32 ist axial derart durchbohrt, daß sie einen Zylinder

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38 größeren Durchmessers und einen Zylinder 39 kleineren Durchmessers bildet. Ein rohrförmiger Abschnitt 41, der einstückig mit der Hülse 32 ausgebildet ist, erstreckt sich axial innerhalb des Zylinders In den rohrförmigen Abschnitt 41 ist verschiebbar ein rohrförmiges Teil 42 eingepaßt. Ein Kolben 43, der an der Außenwand des Teiles ausgeformt ist, ist eng in den Zylinder 39 eingepaßt und arbeitet in diesem. Eine Kompressionsfeder 44 stützt sich am Zylinder 39 ab und liegt gegen den Kolben 43 an. Sie drückt den Kolben nach rechts bzw. stromabwärts. Strömungsmittel unter dem Druck P₃, welches von der Leitung 19 geführt wird, gelangt durch öffnungen 45,46 in dem Körper bzw. der Hülse zur Kammer 47. Diese wird von der Wand des Zylinders 39, dem Kolben 4 3 und den Außenwänden des rohrförmigen Abschnitts und des rohrförmigen Teils 42 gebildet. Ein konvergierendes Ventilteil 51 umgibt die stromabwärts liegende Lippe 52 des rohrförmigen Teils 42, und bildet ein Teil eines Kolbens 53. Der Kolben 53 trägt eine Kolbenfläche 54 größeren Durchmessers, die eng in einen Zylinder 38 größeren Durchmessers eingepaßt ist und in diesem arbeitet. Die Oberfläche 54 umgibt ein feststehendes Rohr 55 und gleitet auf diesem, welches nach innen von der divergierenden Auslaßöffnung 56 aus verläuft. Diese ist mit der Pumpeneinlaßleitung 15 verbunden. Die Kolbenfläche 57 kleineren Durchmessers, die auf das innere Ende des Teils 53 zu ausgebildet ist, ist in den Zylinder 39 der Hülse 32 eng angepaßt und arbeitet in diesem. Die Flächen 54 und 57 am Kolben 53 ergeben eine Differenzflächen-Kraftbalance, welche den Steuerdruck P zwisehen dem Pumpenabgabedruck P- und dem Strömungsmittelversorgungsdruck P hält. Die stromabwärts liegende Fläche des Kolbens 43

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und die stromaufwärts liegende Fläche des Kolbens 57, welche zum Kolben 43 zeigt, sowie die Wand des Zylinders 39 bilden eine Kammer 58, in welche die Pumpenbypassströmung zugelassen wird. Die Bypass leitung 16 ist mit einer öffnung 59 im Körper 3o verbunden. Diese kommuniziert mit einer Ringnut 61, welche die Hülse 32 umgibt, öffnungen 62 verb nden die Kammer 58 mit der Nut 61. Bypassströmung unter dem Druck P~ in der Kammer 58 wirkt auf die stromabwärts zeigende Fläche des Kolbens 43 und sucht das rohrförmige Teil gegen die Kraft der Feder 44 nach links zu bewegen. Hierdurch wird der Abstand zwischen der Lippe 52 und der inneren Wand des konvergierenden Ventilteils 51 vergrößert. Das Strömungsmittel in der Kammer 58 fließt durch die öffnungen 6 3 in den Einlaß der Düse mit variablem Querschnitt, welche durch die Innenwand des konvergierenden Ventilteils 51 und die Außenwand des Teiles 42 gebildet wird. Von hier wird es als konischer Bogen in den Kern strom eines Strömungsmittels ejiziert, welches axial durch das Teil 42 fließt. Strömungsmittel aus der Kammer 37 tritt über öffnungen 64 aus und umgibt das Auslaßende des Teiles 51. Es wird von dem Strom aus dem Teil 51 als äußere Strömungsfläche mit genommen. Eine öffnung 65 läßt die kleine Steuerflüssigkeit, wel che von der Leitung 21 unter dem Druck P₁ geführt wird, in die Kammer 66 ein. Diese ist zwischen der Kolbenfläche 54 und der Wand des Körpers 3o ausgebildet. Ein Anschlag 67 begrenzt den Hub des Kolbens 53 nach links und verhindert ein Aufsitzen des Kolbens im Zylinder 38. Der relative Bewegungsweg zwischen dem rohrförmigen Teil 42 und dem Kolben 53 ist durch eine nach innen gewandte Schulter 68 am Ende des Teiles 53 und eine nach außen

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gewandte Schulter 69 am Teil 42 begrenzt. Diese stoßen an den Enden des relativen Bewegungsweges dieser Teile an. Vorzugsweise sind die Dimensionen so gewählt, daß der maximale Hub des Kolbens 54 im Zylinder 38 doppelt so groß wie der maximale relative Abstand zwischen den Teilen 42 und 53 ist. Eine Strömungsdrossel 71, die im Kolben 54 ausgebildet ist, verbindet die Kammern 66 und 37 und mißt eine im wesentlichen gleichförmige, kleine Strömung aus der Kammer 66 ab. Im Null- bzw. Gleichgewichtszustand entspricht diese Strömung der Steuerströmung in die Kammer 66 aus der Leitung 21 und der Kolben 53 ist stationär. Veränderungen in der Steuerströmung führen dann dazu, daß sich der Kolben 53 mit einer proportionalen Rate derart bewegt, daß seine Position als Zeitintegral der Differenz zwischen der Steuerströmung in und der Drosselströmung aus der Kammer 66 variiert.

Im Betrieb wird das rohrförmige Teil 42 durch die Druckdifferenz P₃-P₃, welche auf den Kolben 43 wirkt, nach links (Öffnungsrichtung) gedrückt. Die Feder 44 drückt das Teil 43 nach rechts (Schließrichtung) . Die sich ergebende Position des Teiles 42 ist somit proportional der Druckdifferenz P₃-P₃. Der Kolben 53 wird nach rechts (Öffnungsrichtung) durch die Druckdifferenz P₂"** ' welche auf den kleineren Kolben 57 wirkt, gedrückt. Das Teil 53 wird nach links (Schließrichtung) durch die Druckdifferenz P -P gedrückt, welche auf den größeren Kolben 54 wirkt, derart, daß das Teil 53 in Kräftegleichgewicht steht, wenn der Druck P einen Wert zwischen den Werten von Ρ- und P besitzt. P variiert je nach der Abweichung des tatsächlichen Druckabfalles P₂~^P3 ^{an der} öffnung 14 vom gewtinsch-

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ten Wert.

Die Strömung in die Kammer 66 aus dem Ventil 2o wiegt nur die Strömung durch die Drossel 71 auf, wenn die Flächen von Ventil und Drossel in einer festen Beziehung zueinander stehen (ungefähr gleich sind). Der Kolben 53 kann somit nur dann in "Positionsgleichgewicht sein, wenn sich das Ventil 2o in der festen Nullposition befindet, welche durch den gewählten Abmeßdruckabfall ^P2~^P3 ^¹^ die Federlast am Diaphragma bestimmt ist. Eine Abweichung im Wert von ^P2~^P3 ^verursacht proportionale Veränderungen in der Strömung in die Kammer 66 und proportionale Bewegungsraten des Kolbens 53 und des konvergierenden Ventilteils 51. Wenn äußere Kräfte die Kolbenbewegung behindern, bewegt sich dieser langsamer, so daß Veränderungen in der Strömung in die Kammer 66 als (kleinere) Veränderungen der Strömung durch die Drossel 71 reflektiert werden. Entsprechende Veränderungen in P -P vom nominalen Gleichgewichts-

X O

wert entwickeln Kolbenkräfte, wie sie zur Sicherstellung einer positiven Bewegung erforderlich sind. Wenn im normalen Betrieb P₂ ohne eine entsprechender Vergrößerung von P, anwächst, schließt das Ventil 2o etwas und der Kolben 5 3 bewegt sich nach rechts. Die Bewegung des Kolbens 53 nach rechts vergrößert die Bypassströmung über die Leitung 16, wodurch der Druck P~ verringert wird. Wenn P 2 reduziert wird, beginnt das Ventil 2o zu öffnen, bis der gewünschte Wert von Po~^P3 wieder hergestellt ist. Eine Steuerung des Druckabfalls P_-P_ an der öffnung 14 durch die Integrationswirkung des Kolbenteiles 43 erfordert ein relativ langsames Ansprechverhalten des Systems auf vorübergehende Druckveränderungen, wenn eine In-

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Stabilität vermieden werden soll. Die sich ergebende Zeitverzögerung wird durch das rasche, proportionale Ansprechverhalten des rohrförmigen Teiles 42 kompensiert.

Wiederum sei angenommen, daß eine Erhöhung von P- ohne eine entsprechende Vergrößerung von P₃ stattfindet. Der Kolben 4 3 bewegt sich rasch nach links, wodurch die Bypassströmung vergrößert und P₂ verringert wird. P₂ wird jedoch nicht auf seinen ursprünglichen Wert zurückgeführt; sonst würde der Kolben 43 in seine ursprüngliche Position zurückkehren und die Bypassströmung würde nicht anwachsen. Stattdessen nimmt P₂ einen neuen Wert an, der proportional höher als der ursprüngliche Wert von P₃, jedoch kleiner als die Störung von P₂, welche die Veränderung auslöste, ist. Dieser stationäre Fehler wird dannr^; durch die langsamer ansprechende integrierende Wirkung des Kolbenteiles 53 eliminiert.

Die beschriebene Vorrichtung ermöglicht nicht nur eine rasche und genaue Steuerung des Abmeßdruckes, sie weist auch verbesserte Verläßlichkeit in der Funktion auf. Zur Erläuterung sei wieder auf Fig. 2 bezug genommen. Die verschiedenen Kräfte, welche auf die Teile 42 und 53 wirken, sind so eingestellt, daß das Teil 42 auf seinem zulässigen Bewegungsweg gegenüber dem Teil 53 beim gewünschten Druckabfall P₃-P- zentriert wird. In Ubergangszuständen bewegt sich das Teil 42 kurz aus der mittleren Position, jedoch niemals mehr als +/- die Hälfte des verfügbaren Hubes des Kolbens 54, wie er durch den Anschlag 68 begrenzt ist. Es kehrt in die mittlere Position zurück, wenn sich das Teil 53 so bewegt, daß der gewünschte

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Druckabfall ^P2~^P3 ^wi^e<*^er hergestellt wird. Bleibt das Teil 42 irgendwo auf seinem Bewegungsweg hängen, kann sich das Teil 53 dennoch bewegen und für den vollen Variationsbereich der Fläche zwischen Lippe 52 und Körper 51 sorgen, wenn auch das dynamische Ansprechverhalten etwas verschlechtert ist. Bleibt das Teil 53 irgendwo auf seinem Bewegungsweg hängen, kann sich das Teil 42 weiterhin bewegen und für eine volle Ventilfunktion sorgen; nur die Genauigkeit der Steuerung des Druckabfalls P₂~^P3 ^wird etwas schlechter.

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Claims

Patentansprüche

1/ Strömungsejektor mit variabler Fläche zur Steuerung der Größe einer Bypass-Strömung in einem Strömungsmittelabgabesystem, welches eine Pumpe, eine Abmeßöffnung sowie eine Bypassleitung enthält, welche eine variable Strömungsmenge vom Pumpenauslaß zum Pumpeneinlaß leitet, wodurch der Druckabfall an der Abmeßöffnung geregelt wird, mit einem rohrförmigen Teil, welches verschiebbar innerhalb eines hohlen Ejektorkörpers montiert ist und eine Endlippe in dessen Hohlraum besitzt; mit einem konvergierenden Teil, welches verschiebbar innerhalb des Ejektorkörpers montiert und koaxial zum rohrförmigen Teil angeordnet ist und im wesentlichen zylindrische Form mit einer konvergenten Innenwand aufweist, welche das Äußere des rohrförmigen Teils umgibt und auf dessen Endlippe zu konvergiert; mit einer Einlaßöffnung, welche Strömungsmittel unter niedrigerem Druck von einer Quelle her einläßt und durch das rohrförmige Teil durchfließen läßt,

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von dessen Endlippe sie ausgestoßen wird; mit einer weiteren öffnung, welche mit der Bypassleitung verbunden ist und Strömungsmittel unter höherem Druck vom Pumpenauslaß in das konvergierende Teil und durch den Raum zwischen dessen Innenwand und dem Äußeren des rohrförmigen Teils fließen läßt, worauf dieses Strömungsmittel in den Ausfluß dieses rohrförmigen Teils ausgestoßen und mit diesem vermischt wird; mit einer Auslaßöffnung, welche die vermischte Strömung des Strömungsmittels niedrigeren und höheren Druckes sammelt und diese zum Pumpeneinlaß zurückführt, dadurch gekennzeichnet, daß er in Kombination enthält: eine Einrichtung, welche die Position des rohrförmigen Teils (42) gegenüber dem Ejektorkörper (3o,33) proportional zum Druckabfall einstellt, welcher an der Abmeßöffnung (14) vorliegt; sowie eine Einrichtung, welche die Position des konvergierenden Teils (51) gegenüber dem rohrförmigen Teil als Funktion des ZeIt-• integrals der Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem gewünschten Wert des Druckabfalls an der Abmeßöffnung (14) einstellt.
2. Strömungsejektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, welche die Position des rohrförmigen Teils (42) einstellt, einen Kolben (43) enthält, der an dem rohrförmigen Teil ausgeformt bzw. befestigt und an einer Fläche dem Strömungsmitteldruck (P_) ausgesetzt ist, der stromab von der Abmeßöffnung (14) vorherrscht, und auf der gegenüberliegenden Fläche dem Strömungsmitteldruck (P-.) , der stromab von der öffnung herrscht, sowie der Kraft einer Feder (44).

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3. Strömungsejektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung , welche die Position des konvergierenden Teils (51) einstellt, eine Einrichtung (2o) enthält, welche den tatsächlichen Wert des Druckabfalls an der Abmeßöffnung (14) mit einem gewünschten Wert dieses Druckabfalls vergleicht und ein Strömungsmittel-Flußsignal (P ) erzeugt, welches eine Strömung aufweist, die mit der Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem gewünschten Wert verknüpft ist, einen Kolben (53), der einstückig mit dem konvergierenden Teil (51) ausgeformt bzw. fest an diesem befestigt ist und das Strömungsmittelf lußsignal empfängt,das den Kolben in einer ersten Richtung drückt, wobei der Kolben weiter dem Strömungsmitteldruck (P-) ausgesetzt ist, der stromab von der Abmeßöffnung (14) herrscht und den Kolben in einer zweiten, =- entgegengesetzten Richtung beaufschlagt.
4. Strömungsejektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (71) vorgesehen sind, welche eine im wesentlichen konstante Auslaßströmung des Strömungsmittelflußsignals (P ) durch den Kolben (53) ermöglichen.
5. Strömungsejektor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Strömung niedrigeren Druckes in den Hohlraum des Ejektorkörpers in der Nähe der miteinander vermischten Strömungen eingelassen wird, welche von dem rohrförmigen Teil (42) und dem konvergierenden Teil (51) ausgestoßen werden, zur Mitnahme durch und zur Vereinigung mit den

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genannten vermischten Strömungen.
6. Strömungsejektor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem einen Anschlag (68,69) enthält, welcher den relativen Bewegungsweg des rohrförmigen Teils (42) und des konvergierenden Teils (51) begrenzt.

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