DE1167598B

DE1167598B - Fuel supply device for a ramjet engine

Info

Publication number: DE1167598B
Application number: DEH41035A
Authority: DE
Inventors: Leonard Sidney Greenland; William Donald Mccourty; Arthur Leslie Lloyd
Original assignee: Hobson Ltd H M; HM Hobson Ltd
Current assignee: Hobson Ltd H M; HM Hobson Ltd
Priority date: 1960-11-24
Filing date: 1960-11-24
Publication date: 1964-04-09

Description

Brennstoffzuführungsgerät für ein Staustrahltriebwerk Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoff= zuführungsgerät für ein Staustrahltriebwerk mit lineare Spritzdüsen aufweisenden Zünd- und Hauptbrennern, mit einer durch eine Luftturbine angetriebenen Brennstoffpumpe, mit einem vom Brennstoff als Druckmittel betätigten Ventil zur Steuerung des Luftzustromes in die Luftturbine und mit einer auf Änderungen des Luftdruckes P, am Triebwerkseinlaß, auf den Brennstoffdruck Pp und auf den Gasdruck P3 in der Triebwerksbrennkammer ansprechenden Vorrichtung zur Steuerung des Ventilbetätigungsmitteldruckes derart, daß stöchiometrische Verhältnisse in den Brennern erhalten bleiben.Fuel supply device for a ramjet engine The invention relates to a fuel = supply unit for a ramjet engine with ignition and main burners having linear spray nozzles, with a fuel pump driven by an air turbine, with a valve operated by the fuel as a pressure medium to control the air flow into the air turbine and with a device responsive to changes in the air pressure P, at the engine inlet, to the fuel pressure Pp and to the gas pressure P3 in the engine combustion chamber, for controlling the valve actuating medium pressure in such a way that stoichiometric conditions are maintained in the burners.

Es ist ein Staustrahltriebwerk bekannt, dessen Brennern durch eine luftgetriebene Pumpe Brennstoff zugeführt wird. Ein Ventil steuert die Zufuhr von Luft zu einem Luftmotor, der die Pumpe antreibt.It is a ramjet engine known whose burners by a air driven pump is supplied with fuel. A valve controls the supply of Air to an air motor that drives the pump.

Das Ventil seinerseits wird durch eine druckbetätigte Vorrichtung derart gesteuert, daß eine stöchiometrische Verbrennung in den Brennern auftritt und erhalten bleibt. Unabhängig davon ist es bekannt, zur Stabilisierung einer Regeleinrichtung eine Rückkopplung zu verwenden.The valve in turn is operated by a pressure actuated device controlled so that stoichiometric combustion occurs in the burners and remains. Independently of this, it is known to stabilize a control device to use feedback.

Die Erfindung bezweckt, die bei dem eingangs genannten Gerät vorhandene Arbeitsinstabilität infolge der Trägheit der Brennstoffpumpe zu beseitigen. Wenn die druckempfindliche Vorrichtung die Drehzahl der vorbenannten Brennstoffpumpe ansteigen läßt, so wird die Brennstoffpumpe über die gewünschte Drehzahl hinaus angetrieben. Die druckempfindliche Vorrichtung wird dann im umgekehrten Sinn wirksam und vermindert die Drehzahl der Brennstoffpumpe wieder, nun aber über die gewünschte Drehzahl hinunter. Im Endergebnis schwankt die Drehzahl der Brennstoffpumpe fortlaufend.The aim of the invention is that which is present in the device mentioned at the outset Eliminate work instability due to the inertia of the fuel pump. if the pressure-sensitive device the speed of the aforementioned fuel pump increases, so the fuel pump is beyond the desired speed driven. The pressure sensitive device then acts in the opposite direction and reduces the speed of the fuel pump again, but now above the desired speed Speed down. As a result, the speed of the fuel pump fluctuates continuously.

Zur Beseitigung dieser Mängel ist das erfindungsgemäße Brennstoffzuführungsgerät eingangs genannter Art dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilbetätigungsmitteldruck-Steuervorrichtung und eine Druck-Rückkopplungseinheit, welch letztere auf den vom Ventil gesteuerten Luftdruck im Luftturbinenzustrom anspricht, in entgegengesetztem Sinn Servoöffnungen steuern, die den Abfluß von Druckmittel von einer Seite einer mit dem Ventil verbundenen Membran gestatten.The fuel supply device according to the invention is intended to eliminate these deficiencies of the type mentioned at the outset, characterized in that the valve actuating medium pressure control device and a pressure feedback unit, the latter on the one controlled by the valve Air pressure in the air turbine inflow responds, in the opposite sense servo openings control the outflow of pressure medium from one side of one connected to the valve Allow membrane.

Die Druck-Rückkopplungseinheit spricht auf den Druck an, der auf das den Luftmotor steuernde Ventil einwirkt und wirkt ihrerseits Änderungen dieses Luftdruckes, die von der druckempfindlichen Vorrichtung hervorgerufen wird, entgegen. Das Ansprechen der Brennstoffpumpe wird dadurch verlangsamt und ein Durchlaufen der Brennstoffpumpe durch ihre Soll-Drehzahl und ein fortwährendes Schwanken ihrer Drehzahl vermieden.The pressure feedback unit is responsive to the pressure applied to the the valve controlling the air motor acts and changes this air pressure, caused by the pressure sensitive device. The response The fuel pump is thereby slowed down and the fuel pump running through avoided by their target speed and constant fluctuations in their speed.

Weist ein Gerät erfindungsgemäßer Art eine Ventilbetätigungsmitteldruck-Steuervorrichtung auf, die in an sich bekannter Weise mit einer Anzahl druckempfindlicher in einem gemeinsamen Gehäuse untergebrachter Vorrichtungen versehen ist, so ist sie in Ausbildung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die druckempfindlichen Vorrichtungen aus einer evakuierten Druckdose bestehen, die mit einem Hebel verbunden ist, der den Austritt von Luft durch die Öffnung steuert, und daß drei Membranen mit der Druckdose verbunden sind, daß die Druckdose außen einem festen Bezugsdruck ausgesetzt ist, daß der Raum zwischen den ersten beiden Membranen dem Zündbrennerbrennstoffdruck ausgesetzt ist, daß der Raum zwischen den anderen beiden Membranen unter Brennkammerdruck stehendem Gas ausgesetzt ist, und daß die abgewandte Seite der dritten Membran dem Druck ausgesetzt ist, der am Lufteinlaß des Triebwerks abgenommen ist.A device according to the invention comprises a valve actuation medium pressure control device on that in a known manner with a number of pressure-sensitive in one common housing housed devices is provided, it is in training of the invention characterized in that the pressure sensitive devices from an evacuated pressurized can, which is connected to a lever that the The outlet of air through the opening controls, and that three diaphragms with the pressurized can are connected so that the pressure cell is externally exposed to a fixed reference pressure, that the space between the first two diaphragms corresponds to the pilot burner fuel pressure is exposed to the fact that the space between the other two membranes is under combustion chamber pressure standing gas is exposed, and that the opposite side of the third membrane the Is subjected to pressure taken from the air inlet of the engine.

Zur Erläuterung der in der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles verwendeten Begriffe sei zunächst ausgeführt: Da der Brennstoffstrom zu der strömenden Luftmenge in Beziehung stehen muß und da bei einem Staustrahltriebwerk mit einer mit Schallgeschwindigkeit durchströmten Auslaßöffnung der Luftstrom direkt proportional ist dem Luftdruck P, nächst dem Lufteinlaß, so wird, wenn man den Brennstoffstrom direkt proportional P, macht, dieser Brennstoffstrom direkt proportional dem Luftstrom. Der Brennstoffstrom kann P, proportional gemacht werden durch Verwendung linearer Spritzdüsen, so daß der Druckabfall an den Spritzdüsen (Pp-P3) direkt proportional P, ist und damit direkt proportional der Menge des Luftstromes. Die Drücke Pp und P3 werden später erörter t.To explain the terms used in the following description of an exemplary embodiment, the following should first be stated: Since the fuel flow must be related to the amount of air flowing, and since in a ramjet engine with an outlet opening through which the speed of sound flows, the air flow is directly proportional to the air pressure P, next to the air inlet, so if one makes the fuel flow directly proportional to P i, that fuel flow becomes directly proportional to the air flow. The fuel flow can be made proportional to P i by using linear spray nozzles so that the pressure drop across the spray nozzles (Pp-P3) is directly proportional to P i and therefore directly proportional to the amount of air flow. The pressures Pp and P3 will be discussed later.

Ferner umfaßt die Erfindung außer dem erwähnten druckbetätigten Ventil zur Regelung der Luftzufuhr zu der Brennstoffpumpe eine in Abhängigkeit zu den Änderungen eines Druckes P, am Lufteinlaß, von dem Brennstoffdruck Pp des Zündbrenners und vom Brennkammerdruck P3 arbeitende Einrichtung zur Steuerung des auf das Ventil wirkenden Druckes und ein Druckrückkopplungsgerät, welches derjenigen Änderung des Luftdruckes am Pumpeneinlaß entgegenwirkt, die eintritt, wenn die erwähnte Einrichtung auf Änderungen des Druckes P, anspricht.In addition to the aforementioned pressure-actuated valve for regulating the air supply to the fuel pump, the invention also comprises a device for controlling the pressure acting on the valve and operating as a function of changes in a pressure P, at the air inlet, the fuel pressure Pp of the pilot burner and the combustion chamber pressure P3 a pressure feedback device which counteracts that change in the air pressure at the pump inlet which occurs when the aforementioned device is responsive to changes in the pressure P.

Wenn das Strömungsreglergerät an Maschinen Verwendung findet, die bei niedriger Mach-Zahl arbeiten, wird die druckbetätigte Einrichtung einem feststehenden Bezugsdruck unterworfen.If the flow control device is used on machines that operate at a low Mach number, the pressure actuated device becomes a fixed one Subject to reference pressure.

Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffversorgungssystems für ein Staustrahltriebwerk mit einem Strömungsregler gemäß vorliegender Erfindung.The figure shows an embodiment of a fuel supply system for a ramjet engine with a flow regulator according to the present invention.

Bei dem gezeichneten System versorgt eine mit Luft angetriebene Brennstoffpumpe 1 die Haupt- und Zündbrenner über Auslässe 2 bzw. 3 mit Brennstoff. Die Druckluftzufuhr zu der Pumpe wird durch ein Luftregelventil4 gesteuert, welches einen Ventilteil 6 aufweist, der mittels einer Membran 7 im Sinne des Öffnens und Schließens eines Lufteinlaßkanals 8 beweglich ist und gleichzeitig entsprechende Bewegungen in bezug auf den wirksamen Querschnitt der Eintrittsöffnung eines Überströmkanals 5 bewirkt. Die Membran unterliegt auf ihrer rechten Seite einem Luftdruck KP, wobei Po der umgebende Druck (Außendruck) ist, sowie dem Druck einer Feder 11; auf die linke Seite der Membran wirkt ein Brennstoffdruck PF, der von dem Auslaß der Brennstoffhauptleitung, die Brennstoff bei einem Druck PD enthält, abgenommen ist.In the system shown, an air-powered fuel pump supplies power 1 the main and pilot burners via outlets 2 and 3 with fuel. The compressed air supply to the pump is controlled by an air control valve 4, which is a valve part 6 has, by means of a membrane 7 in the sense of opening and closing a Air inlet channel 8 is movable and at the same time corresponding movements in relation on the effective cross section of the inlet opening of an overflow channel 5. The membrane is subject to an air pressure KP on its right side, where Po the surrounding pressure (external pressure), as well as the pressure of a spring 11; on the left On the side of the diaphragm, a fuel pressure PF acts, which is generated from the outlet of the main fuel line, containing fuel at pressure PD is removed.

Eine Ventilbetätigungsmitteldruck - Steuervorrichtung 12' steuert das Luftregelventil 4 so, daß an den Haupt- und Zündbrennern stöchiometrische Bedingungen aufrechterhalten werden. Das Luftregelventil 4 steht ferner unter der Kontrolle einer Druck-Rückkopplungseinheit 50. Eine weitere druckbetätigte Einrichtung 24' verhindert, daß der Brennstoff in der Hauptleitung einen vorbestimmten Wert überschreitet, der durch die Temperatur des Staustrahltriebwerkes und die Stoßwellenlage an dem Lufteintritt zu diesem Triebwerk bestimmt ist. Die Einrichtung 24' steht unter der Kontrolle von Ventilen 32 und 33, welche beziehungsweise geöffnet werden, wenn die Temperatur einen bestimmten Wert überschreitet oder die Stoßwelle sich über den Eintritt des Lufteinlasses erstreckt. Die Einrichtung 24' wirkt dann auf das Reglergerät 26 für den Brennstoffhauptstrom im Sinne der Veränderung des Druckes P,1z des Brennstoffes.A valve actuator pressure controller 12 ' controls the air control valve 4 to maintain stoichiometric conditions on the main and pilot burners. The air control valve 4 is also under the control of a pressure feedback unit 50. Another pressure-actuated device 24 ' prevents the fuel in the main line from exceeding a predetermined value which is determined by the temperature of the ramjet engine and the shock wave position at the air inlet to this engine . The device 24 ' is under the control of valves 32 and 33, which are opened respectively when the temperature exceeds a certain value or the shock wave extends over the inlet of the air inlet. The device 24 ' then acts on the regulator device 26 for the main fuel flow in the sense of changing the pressure P, 1z of the fuel.

Die Einrichtung 12' umfaßt drei Membranen Dl, D2, D3 sowie eine evakuierte Druckdose B; diese Organe unterliegen beziehungsweise den Drücken PTK (Bezugsdruck), Pp (Zündbrennerbrennstoffdruck) und P3 (Brennkammerdruck) und P, wie aus der Zeichnung erkennbar. Wenn die Flächen der Membranen Dl, D$, D3 beziehungsweise gleich sind A1, A., A3 und die wirksame Fläche der Druckdose B gleich ist AB, dann ergibt sich folgende Gleichgewichtsbedingung: P, A3 -- P, As + Pp A, -- PTK AB = PTS A, -- Pp AZ - P3 A3 . Wenn A1 = A3 = AB, dann vereinfacht sich diese Formel auf Wie ersichtlich, ist darin kein variabler Faktor enthalten.The device 12 ' comprises three membranes Dl, D2, D3 and an evacuated pressure cell B; these organs are subject to the pressures PTK (reference pressure), Pp (pilot burner fuel pressure) and P3 (combustion chamber pressure) and P, as can be seen from the drawing. If the areas of the membranes Dl, D $, D3 or A1, A., A3 are equal and the effective area of the pressure cell B is AB, then the following equilibrium condition results: P, A3 - P, As + Pp A, - - PTK AB = PTS A, - Pp AZ - P3 A3 . If A1 = A3 = AB, then this formula is simplified to As can be seen, there is no variable factor included.

Die Einrichtung 24' umfaßt ebenfalls drei Membranen D4, D5, Ds und eine evakuierte Druckdose B'; diese Organe sind den Drücken PTK, Par, P3 und P, unterworfen. Wenn die Flächen der Membranen D4, D6 und die wirksame Fläche des Balges B' = A1 und die Fläche der Membranen D5 = AZ sind, dann lautet die Gleichgewichtsbedingung: Auch hierin ist kein variabler Faktor enthalten. Wenn Ventil 32 oder Ventil 33 öffnet, dann spricht die Einrichtung 24' auf die resultierende Verringerung in dem auf die rechte Seite der Membran D6 wirkenden Druck an und verschwenkt einen Hebel 40 im Sinne des Öffnens einer Öffnung 41; dadurch ergibt sich ein Anstieg in dem Druckabfall über einer Membran 25, die mit dem Hauptbrennstoffregler 27 verbunden ist, so daß das Ventil 27 im Sinne der Verringerung des Brennstoffstromes zu den Hauptbrennern bewegt wird.The device 24 'also comprises three membranes D4, D5, Ds and an evacuated pressure cell B'; these organs are subjected to PTK, Par, P3 and P pressures. If the areas of the diaphragms D4, D6 and the effective area of the bellows B '= A1 and the area of the diaphragms D5 = AZ, then the equilibrium condition is: No variable factor is included here either. When valve 32 or valve 33 opens, the device 24 ' responds to the resulting decrease in the pressure acting on the right side of the diaphragm D6 and pivots a lever 40 to open an opening 41; this results in an increase in the pressure drop across a diaphragm 25 connected to the main fuel regulator 27 so that the valve 27 is moved to reduce the flow of fuel to the main burners.

Die Vorrichtung 12' arbeitet wie folgt: Wenn der Druck P, ansteigt, dann wird die Stange 15' in Richtung nach oben bewegt, was eine Bewegung des Hebels 16' entgegen dem Uhrzeigersinn zur Folge hat und damit eine Vergrößerung der Servoöffnung 17'. Daraus folgt ein vergrößerter Strom über eine Drossel 19 mit der Folge, daß der Druck PF sinkt und die Membran 7 sich nach links bewegt, wobei die Überströmluft verringert wird und somit die zur Pumpe strömende Luft zunimmt. Die Pumpe läuft dann mit größerer Drehzahl, wodurch der Wert von Pp, dem Zündbrennerbrennstoffdruck, ansteigt im Sinne der Wiederherstellung des Gleichgewichtszustandes in der Vorrichtung 12'. Indessen tritt infolge der Trägheit des Rotors der Pumpe 1 eine zeitliche Verzögerung zwischen dem Anstieg des Druckes Pp, und dem Anstieg des Druckes Pp ein. Die Folge davon ist, daß die Servoöffnung 17' weiter aufmacht als notwendig wäre, mit der Folge, daß, wenn der Druck Pp seinen erforderlichen Wert erreicht hat, das System zu weit bewegt ist. Infolgedessen ist eine Korrektur in entgegengesetzter Richtung erforderlich. Dies würde Instabilität verursachen.The device 12 'works as follows: When the pressure P 1 increases, the rod 15' is moved in an upward direction, which results in a movement of the lever 16 'in an anti-clockwise direction and thus an enlargement of the servo opening 17'. This results in an increased flow through a throttle 19 with the result that the pressure PF drops and the membrane 7 moves to the left, the overflow air being reduced and thus the air flowing to the pump increasing. The pump then runs at a higher speed, as a result of which the value of Pp, the pilot burner fuel pressure, increases in the sense of restoring the state of equilibrium in the device 12 '. Meanwhile, due to the inertia of the rotor of the pump 1, there is a time lag between the rise in the pressure Pp and the rise in the pressure Pp . The consequence of this is that the servo opening 17 'opens wider than would be necessary, with the result that when the pressure Pp has reached its required value, the system has moved too far. As a result, a correction in the opposite direction is necessary. This would cause instability.

Diese Instabilität wird beseitigt durch Anordnung einer zweiten Servoöffnung 51 parallel zur Servoöffnung 17'. Diese Servoöffnung 51 ist so angeordnet und gesteuert, daß der Gesamtstrom durch die Servoöffnungen 17' und 51 konstant wird. Wenn ein Anstieg des Druckes P, eine Vergrößerung des Druckes Pp, der normalerweise auf jeder Seite der Membran 52 herrscht, verursacht, bewegt sich diese Membran nach unten und verschwenkt den Arm 54 entgegen dem Uhrzeigersinn, wobei der Bereich der Servoöffnung 51 verkleinert wird. Diese Verkleinerung findet gleichzeitig statt mit der Vergrößerung des Bereiches der Servoöffnung 17', jedoch in einem verschiedenen Maß, wegen der normalerweise bestehenden Differenz in der Größe dieser Öffnungsbereiche. Eine Drossel 53 ist so bemessen, daß sie den Wert von PF, niederhält bis Pp den für diesen Wert von Pp, erforderlichen Wert erreicht hat. In dieser Zeit wird der neue Druck Pp, durch die Drossel 53 geleckt sein, um die Gleichgewichtsbedingung in der Druck-Rückkopplungseinheit 50 wiederherzustellen. Diese Einheit bleibt durch Einschwingvorgänge unberührt. Hervorzuheben ist, daß die druckbetätigte Einrichtung 24' eine eigene Druck-Rückkopplungseinheit 50 nicht benötigt, weil der Druck Pd und daher der Druck Pm gleichzeitig mit dem Druck Pp in ähnlicher Weise durch die Einheit 50 korrigiert werden.This instability is eliminated by arranging a second servo opening 51 parallel to the servo opening 17 '. This servo opening 51 is arranged and controlled so that the total current through the servo openings 17 'and 51 becomes constant. When an increase in pressure P causes an increase in pressure Pp, which normally prevails on either side of diaphragm 52, that diaphragm moves downward and pivots arm 54 counterclockwise, reducing the area of servo port 51. This reduction takes place simultaneously with the enlargement of the area of the servo opening 17 ', but to a different extent because of the normally existing difference in the size of these opening areas. A throttle 53 is dimensioned so that it holds down the value of PF, until Pp has reached the value required for this value of Pp. At this time, the new pressure Pp will have leaked through the throttle 53 in order to restore the equilibrium condition in the pressure feedback unit 50. This unit remains unaffected by transient processes. It should be emphasized that the pressure actuated device 24 'does not need its own pressure feedback unit 50 because the pressure Pd and therefore the pressure Pm are corrected by the unit 50 in a similar manner simultaneously with the pressure Pp.

Wie ersichtlich, verursacht eine Verringerung des Wertes P, eine Abwärtsbewegung der Stange 15', wodurch der Öffnungsbereich der Servoöffnung 17' verkleinert wird und ebenso der Luftstrom zu der Pumpe.As can be seen, a decrease in the value of P causes a downward movement of the rod 15 ', whereby the opening area of the servo opening 17' is reduced and so is the flow of air to the pump.

Claims

Claims: 1. Fuel supply device for a ramjet engine with linear spray nozzles having ignition and main burners, with a fuel pump driven by an air turbine, with a valve operated by the fuel as a pressure medium to control the air flow into the air turbine and with a change in the air pressure Pe at the engine inlet , a device responsive to the fuel pressure Pp and the gas pressure P3 in the engine combustion chamber for controlling the valve actuation medium pressure in such a way that stoichiometric conditions are maintained in the burners, characterized in that the valve actuation medium pressure control device (12 ') and a pressure feedback unit (50) , the latter by the valve controlled air pressure (6) (PF) is responsive to the air turbine inflow, control in the opposite sense servo openings (51 and 1 7) the outflow of pressure medium from one side of a connected to the valve (6), the diaphragm (7 ) d atten.

2. Apparatus according to claim 1, wherein the valve actuating means pressure control device comprises a number of pressure-sensitive devices which are accommodated in a common housing, characterized in that the pressure-sensitive devices consist of an evacuated pressure cell (B) which is connected to a lever (16 ') ) is connected, which controls the exit of air through the opening (17 '), and that three membranes (Dl, DZ, D3) are connected to the pressure cell (B) that the pressure cell is externally exposed to a fixed reference pressure (PTK) that the space between the first two membranes (Dl and D @ the pilot burner fuel pressure (Pp) is exposed, that the space between the other two membranes (DZ and D ") is exposed to combustion chamber pressure (P3) gas, and that the opposite Side of the third diaphragm (D3) is exposed to the pressure (P i) taken from the air inlet of the engine. 762 179; U.S. Patent No. 2,670,599; Winfried O ppe 1 t »Small handbook techn. Regulatory processes ", Verlag Chemie, Weinheim, 1956, 2nd edition, pp. 196 to 198; Werner zur M egede "Introduction to the Technology of Automatic Control", Göschen Collection, Vol. 714 / 714a, Walter de Gruyter & Co., 1956, pp. 63, 64; Otto Schäfer "Fundamentals of Automatic Control" Francis-Verlag, Munich, 1953, p. 70.