DE69616949T2 - Durchflussmesser und Kraftstoff-Reguliersystem - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Durchflußsensor zum Messen der Durchflußmenge eines Fluids, wie beispielsweise eines Kraftstoffs in einem Kraftstoff-Reguliersystem. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftstoff-Reguliersystem, beispielsweise für ein Gasturbinen-Triebwerk, das einen solchen Durchflußsensor einbezieht.
• Die veröffentlichte Internationale Patentbeschreibung Nr. WO93/25868 legt einen Flußwandler offen, der ein zylindrisches Gehäuse und einen Kolben aufweist, der mit dem Gehäuse beweglich ist. Das Gehäuse hat einen Einlaß und eine Öffnung, die mit dem Kolben zusammenwirkt, um einen Auslaß aus dem Gehäuse zu definieren, wobei die Fläche der Öffnung mit der Position des Kolbens innerhalb des Gehäuses variiert. Der Bewegung des Kolbens wirkt in beiden Richtungen eine Feder entgegen.
• Der Sensor ist in einer Leitung angeordnet. Beim Fluß eines Fluids durch die Leitung bewegt sich der Kolben in eine Position, in der die Druckdifferenz über der Öffnung durch die Kraft der Feder ausgeglichen wird. Wenn sich jedoch der Kolben bewegt, variiert auch die Fläche der Öffnung, so daß der Bereich der Druckdifferenzen am Kolben über dem Durchflußbereich kleiner ist, als das bei einer feststehenden Öffnung erwartet würde. Folglich nimmt der Kolben für jede Durchflußmenge eine eindeutige Position an. Die Position des Kolbens wird gemessen und ergibt ein Signal, das kennzeichnend für die Durchflußmenge ist.
• Es ist jedoch ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Durchflußsensor mit einer größeren Genauigkeit und mit einer ausreichend hohen hydro-mechanischen Positionskreisverstärkung bereitzustellen, um so bei allen Durchflußpegeln eine schnellere Reaktion zu erreichen, ohne daß die Verstärkung zu hoch ist, um die Stabilität zu beeinträchtigen.
• Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Durchflußsensor bereitgestellt, der folgendes aufweist:
• einen Zylinder,
• einen Kolben, der innerhalb des Zylinders beweglich ist und den Zylinder in eine erste und eine zweite Kammer unterteilt, wobei die erste Kammer mit einem Einlaß in Verbindung steht, wobei der Zylinder eine Öffnung hat, die mit dem Kolben zusammenwirkt, um einen Auslaß aus der ersten Kammer zu definieren, dessen Fläche mit der Position des Kolbens innerhalb des Zylinders variiert, wobei der Kolben so vorgespannt ist, daß er dazu tendiert, den Auslaß zu verschließen; eine Druckänderungseinrichtung, um den Druck in der zweiten Kammer so zu variieren, daß der Kolben zur Aufrechterhaltung eines im wesentlichen konstanten Wirkdrucks zwischen dem Einlaß und dem Auslaß bewegt wird, und
• einen Wandler zur Lieferung eines Signals, das, die Position des Kolbens innerhalb des Zylinders darstellt.
• Die Druckänderungseinrichtung kann eine Ventileinrichtung umfassen, die innerhalb des Kolbens angeordnet ist. Die Ventileinrichtung kann folgendes umfassen: einen weiteren Kolben, der innerhalb des Kolbens beweglich ist und die erste Kammer von einer dritten Kammer innerhalb des Kolbens trennt, Mittel zum mechanischen Vorspannen des weiteres Kolbens hin zur ersten Kammer, einen ersten Kanal, der die dritte Kammer mit dem Auslaß verbindet, ein Ventil, das die dritte Kammer mit der zweiten Kammer verbindet und so angeordnet ist, daß dieses sich schließt, wenn sich der weitere Kolben hin zur ersten Kammer bewegt, und eine Öffnung, die den Einlaß mit der zweiten Kammer verbindet.
• Der Zylinder kann wenigstens eine weitere Öffnung haben, die mit dem Kolben zusammenwirkt, um wenigstens einen weiteren Auslaß aus der ersten Kammer zu definieren, dessen Fläche mit der Axial- und Der Rotationsposition des Kolbens innerhalb des Zylinders variiert. Es kann ein Betätigungsorgan, wie beispielsweise ein Schrittmotor oder ein Drehmomentmotor, bereitgestellt werden, um den Kolben im Verhältnis zum Zylinder zu drehen.
• Es können Mittel bereitgestellt werden, um den Wirkdruck am Auslaß und dem oder jedem weiteren Auslaß auszugleichen.
• Das oder jedes Vorspannmittel kann eine Feder umfassen, wie beispielsweise eine Druckfeder.
• Der Wandler kann einen Linear-Verstellwandler umfassen, der auf die Axialposition des Kolbens im Verhältnis zum Zylinder anspricht.
• Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Kraftstoff-Reguliersystem bereitgestellt, das einen Sensor nach dem ersten Aspekt der Erfindung einschließt.
• Das System kann eine Pumpe mit veränderlichem Durchfluß, wie beispielsweise eine Verstellpumpe, aufweisen, die für die Zufuhr des Kraftstoffs über den Sensor angeordnet ist. Das System kann einen Regler mit einem Eingang, der mit dem Sensor verbunden ist, und mit einem Ausgang aufweisen, der mit der Pumpe verbunden ist, um die Servoregulierung des Kraftstoffflusses zu gewährleisten. Zwischen der Pumpe und dem Sensor kann ein Druckanhebungs- und Absperrventil angeordnet werden.
• Die Erfindung wird in Form von Beispielen weiter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
• Fig. 1 ein schematischer Querschnitt eines Durchflußsensors ist, der ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt,
• Fig. 2 ein schematischer Querschnitt eines Durchflußsensors ist, der ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt,
• Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Kraftstoff-Reguliersystems ist, das den Sensor von Fig. 1 einschließt,
• Fig. 4 ein schematischer Querschnitt eines Durchflußsensors ist, der ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt,
• Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Kraftstoff-Reguliersystems ist, das den Sensor von Fig. 4 einschließt, und
• Fig. 6 eine schematische Darstellung eines anderen Kraftstoff-Reguliersystems ist, das den Sensor von Fig. 4 einschließt.
• In allen Zeichnungen beziehen sich gleiche Referenzzahlen auf gleiche Teile.
• Der Durchflußsensor, der in Fig. 1 gezeigt wird, weist einen Zylinder 1 auf, der einen in Axialrichtung beweglichen Arbeitskolben 2 enthält, der den Zylinder in eine erste Kammer 3 und eine zweite, eine Servodruckkammer 4 unterteilt. Die erste Kammer 3 hat einen Einlaß 5, der einen Einlaß des Durchflußsensors für die Aufnahme eines Fluid-Flusses, beispielsweise von flüssigem Kraftstoff, bildet.
• Die Servodruckkammer 4 hat einen Einlaß, der über eine Servo-Einfüllöffnung 6 und einen Kanal 7 angeschlossen ist, um Kraftstoff über einen Filter 8 aus dem Einlaßfluß aufzunehmen. Die Öffnung 6 kann eine Einschnürung im Kanal 7 aufweisen und führt der Servodruckkammer 4 Kraftstoff zu. Die Kammer 4 enthält eine Servofeder 9, die den Kolben 2 nach links drückt, wie das in Fig. 1 gezeigt wird.
• Der Zylinder 1 hat ein Meßprofil 10, das mit einem Auslaß für den Kraftstoff-Ausgangsfluß aus dem Sensor in Verbindung steht. Das Meßprofil 10 hat eine seitliche Breite, die exponentiell mit der Axialposition nach rechts zunimmt, wie das in Fig. I gezeigt wird. Der Arbeitskolben 2 hat eine Öffnung 12 von rechtwinkliger Form, welche die Auslaßfläche aus der Kammer 3 variiert, wenn sich der Kolben 2 in Axialrichtung innerhalb des Zylinders 1 bewegt. Alternative dazu kann die Öffnung 12 durch eine gerade Meßkante ersetzt werden.
• Der Kolben 2 enthält einen koaxial angeordneten Wirkdruckkolben 13, der durch eine Feder 14 nach links vorgespannt ist. Der Kolben 13 hat einen Schaft 15, der einen Servosteuerungsventilkegel 16 trägt, der mit dessen Sitz ein Ablaßventil bildet. Der Kolben 13 ist in Axialrichtung in einer Kammer 17 innerhalb des Kolbens 2 beweglich. Innerhalb des Kolbens 2 wird ein Kanal 18 gebildet, so daß die Fluid- Verbindung zwischen dem Auslaß 11 und der Kammer 17 bereitgestellt wird. Im Kolben 2 werden Durchführungen 19 bereitgestellt, um so die Verbindung zwischen der Kammer 4 und der Öffnung zu ermöglichen, die durch den Spalt zwischen dem Ventilkegel 16 und dessen Sitz gebildet wird. Die Verbindung zwischen der Kammer 4 und der Kammer 17, und folglich dem Auslaß 11, wird durch die Öffnung zwischen dem Ventilkegel 16 und dessen Sitz, d. h., die relative Position des Kolbens 2 und des Kolbens 13, gesteuert.
• Wenn kein Durchfluß durch den Sensor vorhanden ist, ist am Meßprofil 10 kein Wirkdruck vorhanden, so daß der Druck in der Kammer 17 der gleiche wie der in der Kammer 3 ist. Die Feder 14 drückt den Kolben 13 nach links, wie das in Fig. 1 gezeigt wird, und das Ablaßventil schließt sich. Es erfolgt also kein Servofluß aus der Kammer 4 in die Kammer 17. Die Feder 9 drückt den Kolben 2 nach links, wie das in Fig. 1 gezeigt wird, so daß der Druck in der Kammer 4 niedriger als der in der Kammer 3 ist und durch die Öffnung 6 ein Servofluß in die Kammer 4 erfolgt. Dieser Servofluß ermöglicht es dem Kolben 2, sich nach links zu bewegen, wie das in Fig. 1 gezeigt wird, wodurch das Meßprofil 10 geschlossen wird.
• Wenn Fluid durch den Sensor fließt, wird am Meßprofil 10 zwischen der Kammer 3 und dem Auslaß 11 ein Wirkdruck erzeugt. Dieser Wirkdruck wird durch den Kolben 13 gemessen. Wenn der Wirkdruck einen Referenzwert übersteigt, der durch die Feder 14 bestimmt wird, bewegt sich der Kolben 13 nach rechts, wie das in Fig. 1 gezeigt wird, was dazu führt, daß sich die Öffnung zwischen dem Ventilkegel 16 und dessen Sitz vergrößert. Das führt dazu, daß der Servofluß durch das Ablaßventil aus der Kammer 4 heraus den Fluß durch die Öffnung 6 in die Kammer 4 hinein übersteigt. Der Servodruck in der Kammer 4 fällt, so daß der Druck in der Kammer 3 den Kolben 2 nach rechts gegen die Feder 9 schiebt, wie das in Fig. 1 gezeigt wird. Dadurch wird das Meßprofil 10 geöffnet, was zur Abnahme des Wirkdrucks am Profil 10 führt, bis die Last auf Grund des Meßwirkdrucks, der auf den Kolben 13 wirkt, auf den durch die Last in der Feder 14 eingestellten Richtwert sinkt. Danach bewegt sich der Kolben 13 im Verhältnis zum Kolben 2 nach links, was dazu führt, daß die Öffnung zwischen dem Ventilkegel 16 und dessen Sitz kleiner wird, bis der Servofluß durch das Ablaßventil dem Fluß durch die Öffnung 6 in die Kammer 4 hinein angeglichen ist. Dadurch wird die Bewegung des Kolbens 2 nach rechts gestoppt, wodurch ein weiteres Öffnen des Meßprofils 10 verhindert wird.
• Wenn der Fluß durch den Sensor abnimmt, verringert sich der Wirkdruck am Meßprofil 10, so da 3 die Feder 14 den Kolben 13 nach links bewegt, wodurch die Öffnung des Ablaßventils verkleinert wird. Der Servofluß durch das Ablaßventil aus der Kammer 4 heraus sinkt unter den Durchfluß durch die Öffnung 6 in die Kammer 4 hinein ab. Der Druck in der Kammer 4 steigt an, und der Kolben 2 bewegt sich nach links, um so die Öffnung des Meßprofils 10 zu verkleinern. Das bewirkt, daß der Meßwirkdruck am Meßprofil 10 zunimmt, bis er gleich dem Referenzwert ist, der durch die Feder 14 eingestellt worden ist. Danach öffnet sich das Ablaßventil, um den Ausgleich zwischen dem Fluß in die und aus der Kammer 4 wiederherzustellen, so daß die Bewegung des Kolbens 2 gestoppt wird.
• Folglich wird zwischen dem Einlaß 5 und dem Auslaß 11 dadurch ein konstanter Druck aufrechterhalten, daß die Größe des Meßprofils variiert wird, die zwischen dem Meßprofil 10 und der Öffnung 12 definiert wird. Die Fläche dieses Meßprofils ist der Durchflussmenge des Fluids durch den Sensor proportional, so daß die Position des Arbeitskolbens 2 ein Maß der Durchflußmenge darstellt. Mit dem Kolben 2 ist ein Wandler 20 verbunden, der ein Signal liefert, das die Position des Kolbens und damit die Durchflußmenge des Kraftstoffs durch den Sensor darstellt. Der Wandler 20 kann beispielsweise einen linearen Spannungsdifferenzwandler umfassen.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 2 der Zeichnungen wird ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt, das besonders für Anwendungen mit geringem Durchfluß geeignet ist. Wie gezeigt wird, ist der Positionssensor 20 innerhalb des Kolbens 2 angeordnet. Folglich ist der Wirkdruckkolben 13 angrenzend an den Arbeitskolben 2 angeordnet. Die Arbeitsweise des Durchflußsensors des zweiten Ausführungsbeispiels ist im wesentlichen die gleiche wie die oben für das erste Ausführungsbeispiel beschriebene.
• Das Ventil ist für den Einsatz bei der Messung von Durchflüssen in einem Bereich von 120 Teilchenlh bis 4000 Teilchen/h bei einem konstanten Wirkdruck von etwa 75 psi (Pfund/Quadratzoll) vorgesehen. Es ist jedoch zu beachten, daß es zwar mit niedrigeren Durchflußmengen, aber mit einer geringeren Genauigkeit arbeitet. Der Fluß, bei dem es sich gegebenermaßen wieder um einen flüssigen Kraftstoff handeln kann, tritt über den Einlaß 5, der sich allgemein in der Mitte der Länge des Ventils befindet, in das Ventil ein. Kraftstoff, der durch den Einlaß 5 eintritt, kann das Ventil über das Meßprofil verlassen, dessen Durchflußfläche durch die Position des Arbeitskolbens gesteuert wird. Ein Wirkdruckkolben 13, der am linken Ende des Ventils angeordnet ist, wie das in Fig. 2 dargestellt wird, mißt den Wirkdruck am Meßprofil 10 und steuert den Servofluß zum Arbeitskolben 2, so daß sich dieser bewegt, um einen Meßprofil-Wirkdruck mit einem vorher festgelegten Wert 75 psi (Pfund/Quadratzoll) bei dem oben genannten Beispiel) zu erreichen. Daraus wird also ersichtlich, daß die Position des Arbeitskolbens 2 eine Funktion des gemessenen Durchflusses ist, wie er durch das Meßprofil 10 gesteuert wird. Der Wandler 20, der, wie oben beschrieben, ein linearer Spannungsdifferentialumformer sein kann, mißt die Position des Arbeitskolbens 2 und damit den Durchfluß.
• Der Arbeitskolben 2 ist ein Ventil mit einem einzigen Durchmesser, wobei die Schubkraft durch den Servodruck in der Kammer 4, in Verbindung mit der Arbeitskolben-Rückstellfeder 9, die auf die rechte Seite des Kolbens wirkt, und den Einlaßdruck erzeugt wird, der auf die linke Seite des Kolbens wirkt, wobei der Einlaßdruck das linke Ende des Kolbens über eine Mittelgalerie und kleine Längsöffnungen in einem Steg des Kolbens 2 erreicht.
• Der Wirkdruckkolben 13 ist ebenfalls ein Ventil mit einem einzigen Durchmesser, das in derselben Bohrung des Ventilgehäuses wie der Arbeitskolben 2 läuft. Der Einlaßdruck wirkt auf die rechte Seite des Wirkdruckkolbens 13, und dieser wird ausgeglichen durch die Fluid-Druckbedingungen stromabwärts des Durchfluß-Meßventils und der Wirkdruckfeder 14, die beide auf die linke Seite des Wirkdruckkolbens 13 wirken.
• Wenn am Meßprofil 10 eine Änderung im Wirkdruck eintreten sollte, bewirkt diese eine Änderung im Druck auf der linken Seite des Wirkdruckkolbens 13 mit einer daraus resultierenden Bewegung des Kolbens 13, so daß ein Servofluß zu oder aus der Kammer 4, und folglich der rechten Seite des Arbeitskolbens 2, durch das Öffnen von entweder eine Servoöffnung 6a, die aus dem Einlaß 5 über einen Durchfluß-Waschfilter gespeist wird, oder einer Servoöffnung 6b, die durch den Druck stromabwärts des Durchfluß-Meßventils gespeist wird, erzeugt wird. Der auf diese Weise erzeugte Servofluß bewegt den Arbeitskolben 2 in der entsprechenden Richtung, um den korrekten Wirkdruck wiederherzustellen.
• Die Rückführung des Servoflusses aus der Kammer 4 wird über die Öffnung 6b in den Stromabwärts-Fluß aus dem Ventil geleitet und wird damit zu einem Teil der Durchfluß-Eichung des Ventils. Der gleichbleibende Servofluß ist faktisch gleich Null, wobei in der Mittelstellung des Kolbens 13 kein Durchfluß auftritt, da durch den Kolben 13 in seiner Mittelstellung beide Servoöffnungen geschlossen werden. Eine solche Anordnung gewährleistet einen sehr geringen, ruhigen Servofluß, der nur unbedeutende Eichfehler aufweist. Außerdem ermöglicht sie die Arbeit des Ventils bei sehr niedrigen Durchflußmengen. Die Anordnung, die in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben worden ist, ist insofern vorteilhaft, als am Meßprofil 10 ein im wesentlichen konstanter Wirkdruck vorhanden ist, wodurch eine genauere Steuerung des Durchfluß-Meßventils ermöglicht wird, besonders bei einer Anordnung, wie sie in Fig. 2 gezeigt wird, die ein einfaches Servoventil mit einem einzigen Durchmesser hat, und außerdem eine konstantere dynamische Reaktion über dem vorgesehenen Betriebsflußbereich ermöglicht wird.
• Das Ventil wird so gewählt, daß es einen Durchmesser hat, der im Verhältnis zum maximal gemessenen Fluß verhältnismäßig groß ist, um so die Erzeugung von angemessenen Schubkräften bei einem verhältnismäßig geringen Servozufuhr-Wirkdruck zu gewährleisten. Eine solche Anordnung ermöglicht es, den Sensor 20 innerhalb des Arbeitskolbens 2 anzuordnen, wodurch die Gesamtlänge des Ventils verhältnismäßig klein gehalten wird. Wenn der Sensor ein linearer Spannungsdifferentialumformer ist, ist es wünschenswerterweise ein Dualstrang-Bauteil.
• Fig. 3 veranschaulicht ein Kraftstoff-Reguliersystem für ein Gasturbinen-Triebwerk 21, beispielsweise für den Einsatz in einem Flugzeug. Das Triebwerk enthält verschiedene Sensoren, die Signale an eine elektronische Triebwerk-Steuereinheit 22 liefern. Außerdem werden der Steuereinheit 22 auch Zündbedarfssignale zugeführt. Die Steuereinheit 22 hat einen Ausgang, der einen Motor 23 steuert, dem ein Servo-Element 24 und eine Verstellpumpe 25 zugeordnet sind. Der Ausgang der Pumpe 25 gelangt durch einen Durchflußsensor 26, wie das in Fig. 1 gezeigt wird, und zu einem Druckanhebungs- und Abschaltventil 27. Danach gelangt der Kraftstoff zu den Brennern des Triebwerks 21.
• Der Ausgang des Durchflußsensors 26 ist mit der Steuereinheit 22 verbunden, um einen schnellen, internen Durchflußbedarfskreis zu bilden, der die Servoregulierung der Pumpe 25 gewährleistet. Im Einzelnen stellt die Steuereinheit einen Durchflußmengenbedarf bereit und vergleicht diesen mit der Durchflußmenge, die durch den Durchflußsensor 26 gemessen wird. In Übereinstimmung mit dem Fehler zwischen der tatsächlichen und der benötigten Durchflußmenge steuert dann die Steuereinheit 22 die Pumpe 25 über den Motor 23 und das Servo-Element 24 so, daß der Fehler im wesentlichen auf Null gesenkt und die benötigte Kraftstoff-Durchflußmenge bereitgestellt wird.
• Fig. 4 veranschaulicht einen Kombination aus Durchflußsensor und Stufenventil für die Messung der Durchflußmenge von Kraftstoff und für die Steuerung der Aufteilung des Kraftstoffs zwischen Zünd- und Hauptbrenner. Der Sensor und das Ventil, die in Fig. 3 gezeigt werden, unterscheiden sich folgendermaßen von dem in Fig. 1 gezeigten Sensor.
• Das Meßprofil 10 stellt ein Zündprofil dar, das die Kraftstoff-Durchflußmenge zu den Zündbrennern 30 eines Gasturbinen-Triebwerks mißt. Außerdem weist der Zylinder 1 ein Hauptmeßprofil 31 auf, das mit einem weiteren Auslaß 32 in Verbindung steht, der mit Hauptbrennern 33 des Gasturbinen- Triebwerks verbunden ist. Im Kolben 2 wird eine weitere Öffnung 34 mit allgemein trapezförmiger Form mit einer schrägstehenden Kante 35 gebildet, die mit dem Hauptmeßprofil 31 zusammenwirkt.
• Der Kolben 2 ist zur Drehung im Zylinder 1 angebracht, und seine Rotationsposition wird über ein Getriebe 37 durch einen Motor 36 gesteuert. Die Rotationsposition des Motors 36, und damit des Kolbens 2, wird durch einen Rotationspositionswandler 38 bestimmt.
• Bei der Anwendung arbeitet der Durchflußsensor so, wie das unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben worden ist. Der Wirkdruckkolben 13 mißt den Wirkdruck am Zündmeßprofil 10 und steuert die Axialposition des Kolbens als eine Funktion des Zünddurchflusses. Bei einem gegebenen Zünddurchfluß kann die Axialposition von der Rotationsposition unabhängig sein, oder sie kann auch eine Funktion der Rotationsposition sein, in Abhängigkeit von der Form der Öffnung 12. Folglich wird die Kraftstoff- Durchflußmenge zu den Zündbrennern 31 durch den Sensor gemessen. Dagegen steuert die veränderliche Öffnung, die durch das Hauptmeßprofil 31 und die Kante 35 der Öffnung 34 gebildet wird, den Kraftstoffdurchfluß zu den Hauptbrennern 33. Die Meßprofile 10 und 31 und die Öffnungen 12 und 34 haben eine solche Form, daß für jede Rotations- und Axialposition des Kolbens 2 Kraftstoff in einem vorher festgelegten Verhältnis den Zündbrennern 30 und den Hauptbrennern 33 zugeführt wird. Durch Drehung des Kolbens 2 innerhalb des Zylinders 1 kann jedoch dieses Verhältnis variiert werden, um so die Kraftstoffaufteilung zwischen den Zündbrennern 30 und den Hauptbrennern 33 zu steuern. Das Verhältnis der Aufteilung im Verhältnis zur Rotationsposition des Kolbens 2 ist für jede Axialposition bekannt. Der Sensor liefert ein Signal oder Signale, die direkt die Kraftstoff-Durchflußmenge zu den Zündbrennern 30 anzeigen, so daß aus diesem Signal und aus dem Positionssignal, das der Wandler 38 liefert, die Kraftstoff- Durchflußmenge zu den Hauptbrennern 33 leicht berechnet werden kann.
• Der Motor 36 kann einen Schrittmotor umfassen, der eine "Fehler-Einfrier"-Steuerung der Kraftstoffaufteilung zwischen den Zünd- und Hauptbrennern bereitstellt, d. h., im Fall einer Störung bleiben die Rotationsposition des Kolbens 2, und folglich die Kraftstoffaufteilung, erhalten. Alternativ dazu kann der Kolben 2 durch einen gesonderten Arbeitskolben gedreht werden, der durch einen Drehmomentmotor gesteuert wird. In diesem letzteren Fall kann eine "Fehler-Aufwärtskorrektur"- oder eine "Fehler- Abwärtskorrektur"-Steuerung der Kraftstoffaufteilung bereitgestellt werden, d. h., im Fall einer Störung kehrt der Kolben 2 in eine seiner Rotationsendstellungen zurück.
• Stromabwärts des Sensors kann zwischen dem weiteren Auslaß 32 und den Hauptbrennern 33 ein Drosselventil angeordnet werden, um den Wirkdruck an den Zünd- und Hauptmeßprofilen 10 und 31 auszugleichen. Eine solche Anordnung ermöglicht es, eine genaue Messung des Kraftstoff- Gesamtdurchflusses vorzunehmen.
• Fig. 5 veranschaulicht ein Kraftstoff-Reguliersystem des Typs, wie es in Fig. 2 gezeigt wird, das aber die Kombination aus Durchflußsensor und Stufenventil 40 einschließt, die in Fig. 3 gezeigt wird. Die Steuereinheit 22 umfaßt ein intelligentes elektronisches Modul, das Signale empfängt, die das Haupt-Zünd- Bedarfsverhältnis und die Durchfluß-Bedarfssignale darstellen. Die Positionssensoren 20 und 38 sind so mit dem Modul 22 verbunden, daß ein Zündflußsignal und ein Haupt-Zünd-Verhältnis-Signal zugeführt werden. Das Modul 22 berechnet den Kraftstoff-Gesamtdurchfluß, der zum Zündverteiler 41 und zum Hauptverteiler 42 fließen muß, und steuert über den Motor 23 und das Servo-Element 24 die Pumpe 25. Das Druckanhebungs- und Abschaltventil 27 ist zwischen der Pumpe und der Kombination aus Durchflußsensor und Stufenventil 40 angeordnet, so daß nur ein einziges Ventil 27 gebraucht wird. Das Ventil 27 könnte jedoch weggelassen werden, und statt dessen könnten getrennte Druckanhebungs- und Abschaltventile in den Kraftstoffleitungen zum Zünd- und zum Hauptverteiler 41 und 42 bereitgestellt werden.
• Das Modul 22 steuert den Motor 36 so, daß der Kolben 2 innerhalb des Zylinders 1 gedreht wird. Die durch den Positionswandler 38 gemessene Rotationsposition des Kolbens wird mit dem gewünschten Haupt-Zünd-Bedarfsverhältnis verglichen, und die Rotationsposition des Kolbens 2 wird so eingestellt, daß dieses Verhältnis bereitgestellt wird.
• Das in Fig. 6 gezeigte Durchfluß-Reguliersystem unterscheidet sich von dem in Fig. 5 gezeigten dadurch, daß die motorgesteuerte Verstellpumpe 25 durch eine herkömmliche. Zahnradpumpe 50 ersetzt wird, die durch das Triebwerk angetrieben wird. Bereitgestellt wird ein motorgesteuerte Überströmventil 51, um überschüssigen Kraftstoff vom Auslaß der Pumpe 50 zum Einlaß überlaufen zu lassen. Das Ventil 51 wird durch das Modul 22 in Übereinstimmung mit der Durchflußmenge gesteuert, die durch den Durchflußsensor und das Ventil 40 gemessen wird, derartig, daß der Kraftstoff, der durch das Ventil 51 zum Überlaufen gebracht wird, dazu führt, daß der benötigte Kraftstofffluß durch die Pumpe 50 zugeführt wird.
• Die vorstehend beschriebenen Durchflußsensoren haben verschiedene Vorteile. So ist der Servozufuhr-Wirkdruck, der durch die Öffnung 6 bereitgestellt wird, konstant und verhältnismäßig niedrig. Das ermöglicht eine ausreichend hohe hydro-mechanische Positionskreisverstärkung, so daß bei allen Durchflußpegeln eine schnelle Reaktion erreicht wird, ohne daß die Verstärkung zu hoch für die Stabilität ist. Außerdem nimmt die Verstärkung nicht mit dem Systemdruck zu.
• Durch die Rückleitung des Servodrucks zum stromabwärts vorhandenen Druck über die Leitung 18 ist es möglich, den Wirkdruckkolben 13 innerhalb des Arbeitskolbens 2 anzuordnen. Das ermöglicht eine kompakte Konstruktion.
• Der Servowirkdruck ist bei einem gegebenen Durchfluß immer gleich, ungeachtet der Systemdruckpegel. Folglich gibt es keine Fehler auf Grund von Systemdruckschwankungen. Außerdem treten keine parasitischen Servodurchflußverluste auf.
• Der Sensor basiert auf einer ähnlichen Bauweise wie die Wirkdruck-Überströmventile, wie sie in der veröffentlichten europäischen Patentbeschreibung Nr. 0 180 248 beschrieben werden, die sich im Einsatz als sehr zuverlässig erwiesen haben.
• Die Anwendung eines Exponential-Meßprofils 10 erlaubt es, über einem breiten Durchflußbereich eine gute Genauigkeit zu erreichen. Außerdem ergibt das Exponentialprofil eine konstante hydromechanische Positionskreisverstärkung.
• Der Kolben 2 ist bei einer gegebenen Durchflußmenge immer an derselben Position, so daß Fehler im Wirkdruck, die durch die Servofederlast verursacht werden, ausgeeicht werden können. Folglich kann die Servofeder 9 eine hohe Last haben, um eine angemessene Servo-Rückstellkraft zu erreichen, ohne das eine Differential-Servofläche gebraucht wird. Folglich kann der Arbeitskolben 2 ein Kolben mit einem einzigen Durchmesser sein, was die Bauweise vereinfacht.
• Um eine Temperaturkompensation bereitzustellen, können innerhalb des Wirkdruckkolbens 13 Bimetallscheiben angeordnet werden. Alternativ dazu kann die unterschiedliche Ausdehnung zwischen einem Aluminiumzylinder 1 und einem Stahlventil 2 genutzt werden.
• Durch eine geeignete Formgebung des Hauptprofils 31 ist es möglich, das maximale und minimale Durchfluß-Aufteilungsverhältnis zu steuern, beispielsweise so, daß sie Funktionen des Zündflusses sind. Daher ist es möglich, für alle Durchflußbedingungen sichere Brennschluß- und Ubertemperaturgrenzen für das Aufteilungsverhältnis bereitzustellen.
• Das Hauptprofil 31 und die Öffnung 34 können durch zwei Hauptprofile und zwei entsprechende Öffnungen ersetzt werden. Das ermöglicht die Steuerung der Kraftstoff-Durchflußaufteilung zwischen, beispielsweise, ersten und zweiten Stufen eines Hauptverteilers.

Claims (14)

1. Durchflußsensor, der folgendes aufweist:

einen Zylinder (1) und einen Kolben (2), der innerhalb des Zylinders (1) in Reaktion auf einen Fluid-Durchfluß beweglich ist, wobei der Zylinder (1) einen Einlaß (5) und eine Öffnung (10) hat, die mit dem Kolben (2) zusammenwirkt, um einen Auslaß (11) aus dem Zylinder (1) zu definieren, dessen Fläche mit der Position des Kolbens (2) innerhalb des Zylinders (1) variiert, und

einen Wandler (20) zur Lieferung eines Signals, das die Position des Kolbens (2) innerhalb des Zylinders (1) darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß

der Kolben (2) den Zylinder (1) in eine erste (3) und eine zweite (4) Kammer teilt, wobei die erste Kammer (3) mit dem Einlaß (5) in Verbindung steht und die Öffnung (10) mit dem Kolben (2) zusammenwirkt, um einen Auslaß (11) aus der ersten Kammer (3) zu definieren, und dadurch, daß der Sensor außerdem Vorspannmittel (9) zum mechanischen Vorspannen des Kolbens (2) aufweist, so daß er dazu tendiert, den Auslaß (11) zu verschließen, und Druckänderungsmittel (13, 14, 15, 16), um den Druck in der zweiten Kammer (4) so zu variieren, daß der Kolben (2) zur Aufrechterhaltung eines im wesentlichen konstanten Wirkdrucks zwischen dem Einlaß (5) und dem Auslaß (11) bewegt wird.

2. Durchflußsensor nach Anspruch 1, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß die Druckänderungsmittel (13, 14, 15, 16) eine Ventileinrichtung umfassen, die innerhalb des Kolbens (2) angeordnet ist.

3. Durchflußsensor nach Anspruch 2, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung folgendes aufweist: einen weiteren Kolben (13), der innerhalb des Kolbens (2) beweglich ist und die erste Kammer (3) von einer dritten Kammer (17) innerhalb des Kolbens (2) trennt, Mittel (14) zum mechanischen Vorspannen des weiteren Kolbens (13) hin zur ersten Kammer (3), eine erste Leitung (18), welche die dritte Kammer (17) mit dem Auslaß (11) verbindet, ein Ventil (16), das die dritte Kammer (17) mit der zweiten Kammer (4) verbindet und so angeordnet ist, daß es sich schließt, wenn sich der weitere Kolben (13) zur ersten Kammer (3) hin bewegt, und eine Öffnung (6), die den Einlaß (5) mit der zweiten Kammer (4) verbindet.

4. Durchflußsensor nach Anspruch 1, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß die Druckänderungsmittel eine Ventileinrichtung umfassen, die angrenzend an den Kolben angeordnet ist.

5. Durchflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (1) wenigstens eine weitere Öffnung aufweist, die mit dem Kolben (2) zusammenwirkt, um wenigstens einen weiteren Auslaß aus der ersten Kammer (3) zu definieren, dessen Fläche mit der Axial- und der Rotationsposition des Kolbens (2) innerhalb des Zylinders (1) variiert.

6. Durchflußsensor nach Anspruch 5, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß er einen Stufenmotor oder einen Drehmomentmotor (36) zum Drehen des Kolbens (2) im Verhältnis zum Zylinder (1) aufweist.

7. Durchflußsensor nach einem der Ansprüche 5 oder 6, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel zum Ausgleichen des Wirkdrucks am Auslaß und an dem oder jedem weiteren Auslaß aufweist.

8. Durchflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannmittel eine Druckfeder (9) umfassen.

9. Durchflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (20) einen Linear-Verstellwandler umfaßt, der auf die Axialposition des Kolbens (2) im Verhältnis zum Zylinder (1) anspricht.

10. Kraftstoff-Reguliersystem, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Durchflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche einschließt.

11. Kraftstoff-Reguliersystem nach Anspruch 10, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß es eine Pumpe mit veränderlichem Durchfluß umfaßt, die für die Zufuhr von Kraftstoff über den Durchflußsensor angeordnet ist.

12. Kraftstoff-Reguliersystem nach Anspruch 11, bei dem die Pumpe mit veränderlichem Durchfluß eine Verstellpumpe (25) ist.

13. Kraftstoff-Reguliersystem nach einem der Ansprüche 11 oder 12, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß es einen Regler (22) mit einem Eingang, der mit dem Durchflußsensor verbunden ist, und einen Ausgang hat, der mit der Pumpe (25) verbunden ist, um eine Servoregulierung des Kraftstoffdurchflusses bereitzustellen.

14. Kraftstoff-Reguliersystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß es ein Druckanhebungs- und Abschaltventil (27) aufweist, das zwischen der Pumpe (25) und dem Durchflußsensor angeordnet ist.