Verfahren und Anordnung für die elektronisch geregelte Förderung und Zumessung kryogener Medien bei Flugtriebwerken Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die zur Realisierung erforderliche Anordnung mit Bauelementen zur elektronisch geregelten Förderung und Zumessung kryogener Medien, wie z. B. Flüssigwasserstoff bei-250°C, für Flugtriebwerke und für industrielle Anwen- dungen.

Der Stand der Technik bei der Förderung und Zumessung des Kraftstoffes für Flugtrieb- werke (Strahitriebwerke) ist dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftstoff Kerosin verwen- det wird. Das Kerosin wird in der Regel über eine Zahnradpumpe, die zur Vermeidung von Kavitation häufig eine Zentrifugalpumpe als Vorstufe aufweist, gefördert und über ein separates Zume#ventil der Brennkammer des Triebwerks zugeführt. Da die Pumpe über das Hilfsgetriebe vom Triebwerk direkt angetrieben wird, ist sie so zu dimensionieren, daß sie bei allen Drehzahlen des Triebwerkrotors den jeweils maximal auftretenden Kraftstoffbedarf für die Rotorbeschleunigung im bodennahen Flug abdecken kann. In al- len anderen Betriebssituationen fördert sie dann ständig einen Überschuß, der entweder zum Kraftstofflank oder zum Pumpeneintritt zurückgeführt wird.

Bei kryogenen Kraftstoffen, wie z. B. Flüssigwasserstoff, ist eine derartige Rezirkulation nicht möglich, da dies zur Dampfblasenbildung am Pumpeneintritt (Kavitationsgefahr) bzw. zu nicht akzeptablen Verdampfungsverlusten im Kraftstofftank führen würde. Aus diesem Grund ist für kryogene Medien eine regelbare, durchsatzvariable Kraftstoff-Förde- rung, die jeweils nur den tatsächlich vom Triebwerk benötigten Kraftstoff (ohne Über- schuß) bereitstellt, unumgänglich.

Als nächstkommender Stand der Technik ist das auf Fiüssigwasserstoff umgerüstete russische Triebwerk NK-88 anzusehen (V. A. Sosounov, V. N. Oviov : #Experimental Turbofan using Liquid Hydrogen and Natural Gas and Fuel", AIAA 90-2421, Juli 1990).

Bei diesem Triebwerk wird eine aus der Raketentechnik übemommene 2-stufige Turbo- Zentrifugalpumpe verwendet. Die Pumpe wird zur Regelung des Fördervolumens, reali- siert über Drehzahlvariation, mit Druckluft vom Triebwerk betrieben. Die Zumessung des Treibstoffs erfolgt über ein Gaszumeßventil, das stromab vom WärmetauscherNerdamp- fer installiert ist. Zur Steuerung der Kryo-Ventile wird Helium verwendet.

Das bei dem NK-88 angewandte Bauprinzip hat mehrere Nachteile : Die hohe Anzahl der Komponenten bedingt eine hohe Komplexität des Gesamtsystems, die wegen der zu for- dernden sehr hohen Betriebszuveriässigkeit unerwünscht ist. Die Isolationsmöglichkeit der Zentrifugalpumpe ist prinzipbedingt schlecht. Ebenfalls ungünstig ist, daß für die Pumpe und für das Zumeßventil je ein Regelkreis eingerichtet werden muß, die funktional gekoppelt sind. Femer weist die Zentrifugalpumpe wegen des großen Spalteinflusses bei der Förderung von Flüssigwasserstoff einen schlechten Wirkungsgrad auf. Zu erwähnen ist noch die Verschlechterung des Triebwerkwirkungsgrades durch Zapfluftentnahme für den Pumpenantrieb.

Weitere Konzepte und Untersuchungen zum Stand der Technik in : William Conrad : "Turbine Engine Altitude Chamber and Flight Testing with Liquid Hydrogen", DGLR/DFVLR Symposium on Hydrogen in Air Transportation, Stuttgart, 1979.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und die zur Realisierung erforderli- chen Anordnungen anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorzüge aufweisen : 1. Das Kraftstoff-Förder-und-Zumeßsystem soll vereinfacht, die Zuverlässigkeit soll erhöht und die Herstellungs-und die Wartungskosten sollen verringert werden.

2. Der Pumpenwirkungsgrad und damit der Triebwerkswirkungsgrad sollen verbes- sert werden.

3. Das Gesamtgewicht der benötigten Komponenten soll verringert werden.

4. Kavitation durch Verdampfungsvorgänge in der Pumpe soll ausgeschlossen wer- den.

5. Druckschwankungen in der Treibstoff-Förderung sollen minimal sein, eine pulsai- onsfreie, stabile Verbrennung ist sicherzustellen.

6. Die hohen Anforderungen an kurze Beschleunigungs-und Verzögerungszeiten und das schnelle Ansprechen der Triebwerke solien auch mit kryogenen Treibstof- fen sichergestellt werden.

7. Pro Triebwerk soll nur ein Regelkreis für die Kraftstoff-Förderung und-Zumessung erforderlich sein, sofern nicht Redundanzen gewünscht werden.

8. Dichtungs-und Isolationsprobleme, wie sie bei Zentrifugalpumpen auftreten, sollen ausgeschaltet werden.

Diese Ziele werden mit dem erfindungsgema (3en Verfahren und der zugehörigen Anord- nung von Elementen wie folgt erreicht (Figur 1) : Der kryogene Treibstoff wird durch eine Kolbenpumpe vom Kryotank 6 zu den Einspritz- düsen 18 gefördert. Angetrieben wird der Pumpenkolben 1 der Kryopumpe durch einen mittels einer axial bewegbaren Kolbenstange 4 gekoppelten Hydraulikkolben 7. Der Hy- draulikdruck wird von einer Hydraulik-Versorgungseinheit 13 bereitgestellt ; der Hydrau- likstrom zur Erzeugung der Hubbewegungen des Hydraulikkolbens 7 wird von einem Regler 14, vorzugsweise digitaler Bauart, mittels Servoventil 12 gesteuert.

Als Kolbenpumpe kann eine doppeltwirkende Pumpe eingesetzt werden, wobei jedoch ein Abfallen des Förderdurchsatzes beim Durchgang des Pumpenkolbens 1 im Umkehrpunkt in Kauf genommen werden muß (Figur 2a). Um eine pulsationsarme Kraftstoff-Förderung zu erreichen, können zwei einfachwirkende Pumpensysteme parallel mit einer Phasen- verschiebung von 180° zwischen den Arbeitstakten der beiden Pumpenkolben 1 einge- setzt werden. Dadurch kompensieren sich in den Kolbenumkehrpunkten der Druckabfall der einen und der Druckanstieg der anderen Kolbenpumpe, so daß in der Summe ein weitgehend konstanter Förderstrom und konstanter Förderdruck erreicht werden kann (Figur 2c). Eine andere Art der Glättung des Druckprofils täßt sich durch den Einsatz von zwei doppeltwirkenden Pumpen, die um 90° phasenverschoben arbeiten, erreichen (Figur 2b). Der noch verbleibende geringe, kurzzeitige Druckabfall in den jeweiligen Kol- benumkehrpunkten wird durch das Speichervolumen des nachgeschalteten Wärmetau- schers 16 weitgehend ausgeglichen. Auch eine größere Anzahl parallel geschalteter

Pumpen als zwei und andere als die oben genannten Winkel der Phasenverschiebung sind Bestandteil des erfinderischen Anspruchsumfangs.

Wenn Pumpensysteme parallel eingesetzt werden, ergibt sich bei deren elektrischer und mechanischer Entkopplung eine die Betriebssicherheit steigernde Redundanz, wobei bei Ausfall eines Pumpensystems allerdings pulsierende Schwankungen im Durchsatz und im Druck in Kauf genommen werden müssen. Zur Erhöhung der Sicherheit und zur besseren Fehlererkennung können die digitale Regelung zwei-oder mehrkanalig und die elek- trischen Teile des Systems ein-oder mehrfach redundant ausgeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert in der Realisierung folgende Bauelemente und Anordnung (Figur 1) : Die Pumpe für das kryogene Medium besteht aus einem Pumpenkolben 1, der in einem Pumpengehäuse 2 lauft, dessen Arbeitsräume 9 mit dem zu fördernden kryogenen Treibstoff befüllt sind. Das Pumpengehäuse 2 der Kryopumpe wird umgeben von einem Isolationsgehause 10, wobei der Zwischenraum zwischen dem Isolationsgehäuse 10 und dem Pumpengehäuse 2 der Kryopumpe als Isolationsraum 3 ausgebildet ist. Es ist vorzugsweise Isolierung durch Vakuum vorzusehen. Der Pumpenkolben 1 ist mittels einer axial bewegbaren Kolbenstange 4 mit dem den Antrieb besorgenden Hydraulikkolben 7 verbunden. Dieser läuft in dem Hydraulikgehäuse 11, dessen Arbeitsräume 8 beidseits des Hydraulikkolbens 7 so mit den Hydraulikleitungen 21 verbunden sind, daß der Hy- draulikkolben 7 auch in den jeweiligen Umkehrpunkten funktionsgemäß mit dem Hydrau- likfluid beaufschlagt werden kann. Der Hydraulikdruck wird von der Hydraulik-Versor- gungseinheit 13 (bekannte Technik) bereitgestellt. Die Steuerung des Hydraulikfluids nach Stärke und Richtung (das Fluid in den Hydraulikleitungen 21 ändert seine trö- mungsrichtung ständig entsprechend der dem Hydraulikkolben 7 aufzugebenden Hub-

bewegung) erfoigt durch den vorzugsweise in digitaler Bauart ausgeführten Regler 14. Mit Hiife eines Software-Programms steuert der Regler 14 das Hydraulik-Servoventil 12 : Ge- steuert wird die jeweilige Fließrichtung des Hydraulikfluids, die Fließrichtungsumkehr und die Fließmenge, mit der die Hubgeschwindigkeit des Hydraulikkolbens 7 bestimmt wird.

Hierzu benötigt der. Regler 14 laufend Informationen über die jeweils momentane Position des Hydraulikkolbens 7 in dem Hydraulikgehäuse 11 und über seine Geschwindigkeit.

Diese werden mittels des elektrischen Weg-und Geschwindigkeitsaufnehmers 23 erho- ben und dem Regler 14 über die Me#werteleitung 24 laufend zugeführt. Der Weg-und Geschwingigkeitsaufnehmer 23 kann in das Führungsstück 25 integriert werden, was eine kompakte Bauweise erlaubt. Der Regler 14 kontrolliert darüber hinaus die Hydraulik- Versorgungseinheit 13 und liefert Fehlermeldungen bei Ausfall oder Fehlverhalten von einzelnen Komponenten.

Die erfinderisch vorgesehene Bauweise der direkt gekoppelten Hydro-und Kryoteile hat nicht nur den Vorteil hoher Zuverlässigkeit und hoher Kompaktheit, sie ist auch günstig bezüglich Minimierung von Leckagen : Die einzige Stelle, wo dies auftreten kann, ist der Übergang von Hydro-und Kryoteil. Dieser kann bei Bedarf entiüftet und erforderlichenfalls gespült werden, z. B. mit Stickstoff. Zur Minimierung des Wärmeflusses vom Hydroteil zum Kryoteil kann die Kolbenstange 4 als Rohr und das Führungsstück 25 aus faserver- stärktem Kunststoff ausgeführt werden.

Zur Funktionsweise : Der Pumpenkolben 1 saugt gemä# dem ihm vom Hydraulikkolben 7 vorgegebenen Rhythmus das Kryomedium aus dem Tank 6 uber die Ansaugleitung 5 in die Arbeitsräume 9, drückt es von dort über die Druckleitungen 17 und über den Wärme- tauscher 16 in die Einspritzdüsen 18. Zur Verhinderung von Rückflüssen sind in den Saugleitungen 5 und in den Druckleitungen 17 Rückschlagventile 26 vorgesehen. Ein elektronischer Regler 14 regelt die Bewegung des Hydraulikkolbens so, daß ein möglichst

gleichmäßiger Förderstrom erreicht wird. In der Saugleitung 5 und in der Druckleitung 17 können Absperrventile 22 und 15 vorgesehen werden, die vom Regler 14 über die Lei- tungen Absperrventil 20 gesteuert und kontrolliert werden. Ihr Zweck : Nach Abschalten des Triebwerkes verhindern die Absperrventile 22 und 15 ein Nachlaufen von Treibstoff.

In der Figur 1 sind weitere erforderliche Elemente wie der Hydraulikkühler, die Drains für das Hydraulikmedium und für das kryogene Medium zwischen Kryo-und Hydroteil sowie die Abdichtung der Kolbenstange 4 nicht eingetragen, weil sie nicht erfindungsrelevant bzw. Stand der Technik sind.

Auf die industrielle Anwendbarkeit der hier für Flugtriebwerke dargestellten Förder-und Zumeßeinheit für kryogene Medien wird hingewiesen. Ferner wird darauf hingewiesen, daß anstelle des hydraulischen Linearmotors ein elektrischer Linearmotor als Antrieb für das erfindungsgemäße eiektronisch geregelte Förder-und Zumeßsystem gewähit werden kann.

Figur 1 zeigt schematisch die Anordnung der Bauelemente für die kryogene Kraftstoff-Förderung und Zumessung, hier mit einer doppeltwirkenden Kryopumpe.

Figur 2a zeigt das Kraftstoffdurchsatzprofil über der Zeitachse für eine doppelt- wirkende Kryopumpe, Figur 2b zeigt das Profil für zweidoppeltwirkende Kryopumpen, die um 90° phasen- verschoben arbeiten, und Figur 2c zeigt das Profil von zwei einfachwirkenden Kryopumpen, die um 180° phasenverschoben arbeiten.

Bezugszeichenliste 1. Pumpenkolben 2. Pumpengehäuse 3. Isolationsraum 4. Kolbenstange 5. Ansaugleitung 6. Kryotank 7. Hydraulikkolben 8. Arbeitsräume Hydraulikantrieb 9. Arbeitsräume Kryopumpe 10.Isolationsgehäuse 11.Hydraulikgehäuse <BR> <BR> <BR> <BR> 12. Hydraulik-Servoventile<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 13. Hydraulik-Versorgungseinheit 14.Regler 15. Rückschiagventil (druckseitig) 16. Wärmetauscher 17. Druckleitung Kryomedium 18. Verdampferdüsen 19. Leitung Regelungssignale Servoventile 20. Leitung Absperrventil 21. Hydraulikleitungen 22. (saugseitig) 23. Weg-u. Geschwindigkeitsaufnehmer 24. Me#werteleitung 25. Führungsstück 26. Rückschlagventil