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Rohr- oder Kolbenschieber für eine Regelungsvorrichtung Gegenstand
der Erfindung ist ein Rohr- oder Kolbenschieber für eine Regelungsvorrichtung, der
je nach Stellung seiner Steuerkante eine Durchflußöffnung mehr oder weniger freigibt
bzw. überdeckt, wobei die Steuerkante durch eine ständige zusätzliche Relativbewegung
des Schiebers und seines Gehäuses zueinander an der Durchflußöffnung entlangbewegt
wird.
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Die Anwendung einer ständigen Relativbewegung des Schiebers zum Gehäuse
dient der Aufgabe, die Ansprechempfindlichkeit der Regelungsvorrichtung durch Ausschaltung
derAnfangsreibung derSchieber zu verbessern. Diese Relativbewegung wird als Drehbewegung
des Schiebers oder seines Gehäuses ausgeführt. Ferner ist bereits bekannt, zur weiter
verbesserten Lösung der gestellten Aufgabe die Schieber durch mechanische oder elektromagnetische
Mittel ständig in Richtung ihrer Längsachse in Schwingbewegungen zu versetzen..
Dadurch wird auch noch an den restlichen Lagerstellen der Regelungsvorrichtung die
Anfangsreibung ausgeschaltet. Die hierzu bei den bekannten Ausführungen erforderlichen
Mittel haben einen hohen Bauaufwand zur Folge. Nach der Erfindung wird demgegenüber
die gestellte Aufgabe ohne jeden zusätzlichen Bauaufwand dadurch gelöst, daß die
Steuerkante des Schiebers in an sich bekannter Weise quer zur Richtung seiner Relativbewegung
gewellt oder gezackt ist. Durch diese Maßnahme ist die Regelungsvorrichtung mit
ihren sämtlichen Bauteilen ständig dazu genötigt, den auf- und abschwellenden Durchtrittsmengen
des Schiebers entsprechende Regelvorgänge auszuführen. Die Regelungsvorrichtung
wird also ständig mit ihren gesamten Regelgliedern in Bewegung gehalten und so jede
Anfangsreibung zwischen ihren Bauteilen ausgeschlossen. Bei den bekannten Schiebern
mit gewellter bzw, gezackter Steuerkante dient diese Ausbildung des Drosselkörpers
lediglich zur Beeinflussung der Drosselcharakteristik.
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Um die auf- und abschwellenden Durchflußmengen der Schieber nicht
zu sehr an die Null-Menge herankommen zu lassen, wird weiter vorgeschlagen, daß
die Durchflußöffnung eine - quer zur Hauptrichtung der Steuerkante gesehen - längliche
Form aufweist. Dies wird in einfacher Weise dadurch erreicht, daß die Durchflußöffnung
als elliptische Mündung einer spitzwinkelig in die Bohrung des Schiebers mündenden
Bohrung ausgebildet ist. Für die überleitung der Schieberbewegungen der Teile der
Regelvorrichtung ist es vorteilhaft, daß mehrere Schieber gleichachsig hintereinander
angeordnet sind und weitere Steuerungsvorrichtungen ebenfalls gleichachsig daran
angreifen. Um zu große Amplituden der Schwingbewegungen der Teile der Regelungsvorrichtung
auszuschließen, können Anschläge vorgesehen werden, die die axialen Schwingbewegungen
der Schieber auf ein vorbestimmtes Maß begrenzen.
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An Hand der Zeichnung ist die Erfindung mittels Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen proportional-integral-wirkenden Brennstoffregler
für Brennkraftmaschinen, F i g. 2 eine elliptische Steuerbohrung aus F i g. 1 in
Abwicklung, F i g. 3 einen Steuerschieberteil aus F i g. 1 mit wellenförmiger Steuerkante,
F i g. 4 den inneren Teil des Drehzahlwählhebels aus F i g. 1, F i g. 5 einen proportional-wirkenden
Regler und F i g. 6 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäß ausgebildeten Drehzahlregelkreises
für eine Gasturbine.
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Bei einem proportional-integral-wirkenden Brennstoffregler nach F
i g. 1 nimmt das Gehäuse 1 drehbar den Fliehgewichtsträger 2 und die über 3 verbundene
Büchse 4 auf. Innerhalb der Büchse 4 sind koaxial gelagert: der Steuerschieber 5
mit dem Rückführkolben 7, dem Ausgleichkolben 8 mit den Rückholfedern
9, 10, dem Abstützring 11 sowie dem Servokolben 13 mit Hauptsteuerschieber
14. Ein Schaft 15 verhindert, daß sich die Teile 15,1.4,19, 10, 11, 13, 8 gegenüber
der Büchse 4 verdrehen. Der Schaft kann auch dazu dienen, ein Stellglied, z. B.
ein Relais 18 zu betätigen. Die Fliehkraft der Fliehgewichte 20 wirkt entgegen der
Drehzahlfeder 21. Über den Drehzahlwählhebel 22 läßt sich die Federabstützung 23
verschieben. Der verlängerte Drehzahlsteuerschieber
5' ist mit
einem Querstift 25 versehen, der in Längsnuten 26 einer Büchse 27 geführt ist. Ein
Hohlzylinder 28 nimmt drehbar die Büchse 27 auf. Durch die kegeligen Ausfräsungen
29 des Hohlzylinders, in die der Querstift 25 ragt, wird die axiale Bewegung des
Steuerschiebers 5 nach beiden Seiten begrenzt. Durch Verdrehen der Büchse 27 mit
Hilfe eines Raststückes 30 läßt sich das Spiel der Ausfräsungen 29 gegenüber dem
Querstift 25 in seiner Größe einstellen. Der Hohlzylinder 28 kann sich gegen die
Kraft einer Feder 31 im Gehäuse 1 axial verschieben. Mit einer Nase 32 ist der Hohlzylinder
28 im Gehäuse in Längsrichtung undrehbar geführt. Mit einer Justierschraube 34,
welche an der Schrägfläche 35 der Nase 32 gleitet, wenn sie verdreht wird, läßt
sich der Hohlzylinder 28 axial verstellen. Damit stellt man das Spiel 36 des Querstiftes
25 nachbeiden Seiten innerhalb des Spieles der Ausfräsung 29 ein. Eine Schrägkante
37 des Hohlzylinders 28 arbeitet mit einem Anschlag 38 des Drehzahlwählhebels 22
zusammen (F i g. 4). Bei einer Verschiebung des Drehzahlwählhebels 22 nach rechts
zum Einstellen der Leerlaufdrehzahl wird also die Büchse 27 so verdreht, daß zwischen
dem Querstift 25 und der Ausfräsung 29 ein größeres Spiel entsteht. Das Raststück
30 wird dabei überdrückt. Ein Steuerraum 40 ist über eine einstellbare Drosselstelle
41 mit Räumen 42 und 43 verbunden, desgleichen stehen untereinander die Räume 40
und 44 in Verbindung. Eine Pumpe 45 versorgt die Räume 46,42 und 43, 47 mit Hochdruckmittel.
Die Steuerschieber 5,14 tragen, an ihren Stirnflächen wellenförmige Steuerkanten
6 (F i g. 3).
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Die Arbeitsweise des Brennstoffreglers ist folgende: Die Fliehgewichte
20, die von 19 angetrieben sind, halten eine eingestellte Drehzahl der Maschine
dadurch aufrecht, daß durch eine Gleichgewichtsstellung der Schieber 5 mit der Feder
21 eine konstante Brennstoffmenge zur Turbine abfließt. Bei einem Abfall der Drehzahl
wird der Steuerschieber nach links bewegt. Der erhöhte Druck im Ausgleichsraum 42
drückt den Kolben 8 aus seiner Mittellage nach links, bis der gleichfalls nach links
gedrückte Servokolben 13 im Gleichgewicht mit den Kräften einer Feder 16 steht (P-Anteil
des Reglers). Über die Drossel 41 können sich die Drücke der Räume 40, 42 ausgleichen,
während der Ausgleichskolben 8 in seine Mittellage zurückkehrt. Der ansteigende
Druck im Raum 43 öffnet den Steuerschieber weiter, womit auch der Servokolben sich
weiterbewegt (I-Anteil des Reglers). Eine Drehzahlabweichung bewegt also den Servokolben
proportional und mit dem Integral aus der Drehzahlabweichung.
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Die erfindungsgemäße Wirkung am P-I-Regler ist folgende: Da sich die
Büchse 4 gegenüber den Schiebern 5,14 dreht, lassen die gewellten Stirnflächen 6
der Steuerschieber 5 und/oder 14 die Steuerdüsenfläche, d. h. die Brennstoffmenge
sinusförmig um einen Mittelwert schwanken, da die Kolben 8 und 13 axial vibrieren.
Über die Leitung übertragen sich diese Druck-Mengenschwankungen auch auf den Steuerschieber
5, so daß auch dieser in axialer Richtung vibriert. Der Servokolben führt dadurch
hochfrequente axiale Bewegungen aus.
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Diese Arbeitsweise hat eine Verbesserung der Wirkung des Reglers zur
Folge, da infolge der Vibrationsbewegungsich die Verstopfungsgefahr der Düsen vermindert,
die Reibungshysterese der beweglichen Steuerteile 13, 8, 7 herabgesetzt und die
Zuverlässigkeit der Baugruppen erhöht wird. Das gilt besonders in den Fällen, in
denen die beweglichen Kolben 13, 14 gegenüber ihren Passungen nicht rotieren.
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Bei der Ausführung nach F i g. 1 läßt sich nämlich das Differenzdruckventil
nicht mehr innerhalb der Büchse 4 anordnen. Die Vibrationsbewegung vermindert auch
die Reibung der mit den Schiebern gekuppelten Lager der Fliehgewichte
20 usw., der Regler wird ansprechempfindlicher. Ferner wird die Wirkung der
Spiele im Regelkreis aufgehoben.
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Darüber hinaus kann die periodische Erregung nach der Erfindung zur
Stabilisierung des geschlossenen Regelkreises herangezogen werden. Die Mengenschwankung
entspricht einer äußeren Erregung (F i g. 6). Durch Abstimmung der Erregungsfrequenz
und ihrer Amplitude, d. h. der Schieberdrehzahl und der wellenförmigen Kanten 6
mit der Kreisfrequenz, läßt sich der Regelkreis stabilisieren. Eine periodische
Drehzahlschwankung (»Sägen« der Maschine) wird unterdrückt. Ferner ist ein Sättigungsglied
vorgesehen, das unabhängig von der Schiebervibrationseinrichtung wirkt. Es bildet
eine zusätzliche Einrichtung zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens des Regelkreises.
Die Anschläge 29 begrenzen die Schieberbewegungen in beiden Richtungen. Durch Verdrehen
der Büchse 27 samt dem axial geführten Querstift 25 gegenüber der Ausfräsung 29
mittels der Raste 30 läßt sich das Spiel während des Betriebes einstellen. Eine
gleiche Verteilung des Spieles nach beiden Anschlagseiten erreicht man durch Eindrehen
der Justierschraube 34. Die Einrichtung bewirkt, daß auch bei größeren Drehzahlschwankungen
nur eine maximale und eine minimale Brennstoffmenge zur Turbine strömen kann. Dadurch
werden die Drehzahlspitzen abgebaut, und die Turbine läuft gleichförmiger. Beim
Einstellen einer kleineren Drehzahl infolge Entlastung der Feder 21 durch Verschieben
des Drehzahlhebels 23, 22 nach rechts verdreht der Stift 38 über die Schrägflächen
37 die Büchse 27. Dadurch erhöht sich das Spiel 36 der Einfräsung 29. Der Schieber
kann sich nach rechts in Schließrichtung bewegen. Die Anschläge 29 verhindern aber
weiterhin große dynamische Ausschläge des Schiebers, die vorübergehend auftreten
könnten. Man erreicht also gleichzeitig noch eine drehzahlabhängige Minimumsteuerung.
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Die F i g. 2 zeigt die Abwicklung einer ellipsenförmigen Absteuerfläche,
welche beim Durchdringen der Bohrungen 56,57 an der Zylinderwand ausgeschnitten
wird. Gegenüber der kreisförmigen Steueröffnung ermöglicht die Ellipse einen größeren
axialen Weg des Steuerschiebers, was den Vorteil hat, daß die Brennstoffmengeneinstellung
nicht so empfindlich auf kleine Toleranzen der Schieberlage ist. Auch kann die Brennstoff-Amplitudenschwankung,
d. h. die axiale Erstreckung der Ausfräsungen, groß genug gemacht werden, ohne daß
bei der Drehung des Schiebers die Bohrungsfläche zeitweise vollständig überdeckt
wird. Die Ellipsenform ermöglicht auch über einen größeren Bereich ein gleichbleibendes
Verhältnis von Flächenänderung/Wegänderung = Verstärkung des Schiebers als die Kreisöffnung.
Damit fällt die Verstärkung bei voll geöffnetem oder fast geschlossenem Schieber
nicht mehr so stark ab, und es ergibt sich eine größere Stabilität im Leerlauf oder
Teillast. Mit der Ellipsenform lassen sich auch Minimummengen genauer als mit der
Kreisöffnung einstellen, Leckverluste vermindern sich.
Bei der Ausführung
nach F i g. 5 dreht der Steuerschieber 5' den koaxialen Steuerschieber 49 des Druckreduzierventils
50 gegenüber dem Gehäuse 1. Der Querstift 12, der sich in Längsfräsungen 51 des
Reduzierventils 50 axial bewegen kann, nimmt dabei das Reduzierventil
50 mit. Eine Aufschaltbüchse 53 kann über ein Lager 54 den Steuerschieber
49 in Schließrichtung bewegen. Eine schwache Feder 55 ermöglicht diese Bewegung,
ohne daß die Fliehgewichte beeinfiußt werden. über einen Hebel 56
läßt sich
damit die Brennstoffzufuhr zur Turbine unabhängig vom Drehzahlregler steuern, z.
B. in Abhängigkeit vom Verdichterdruck p2. Das Druckreduzierventi150 hält den Differenzdruck
über der Steuerdüse 56' auf einem konstanten Wert, der von der Feder 57 eingestellt
werden kann. Das geschieht über einen Stift 59, der in den Fliehgewichtsraum 58
ragt. Der Aufschalthebe161 kann von einer Aufschaltgröße, z. B. der Temperatur,
dem Verdichterdruck, dem Anstellwinkel eines Propellers usw. betätigt werden. Es
können also zwei unabhängige Steuergrößen auf die Brennstoffmenge einwirken. Am
Reduzierventil 50 wirken in den Räumen 62 und 63 Drücke vor und hinter der Steuerbohrung
56' gegeneinander. Bei einem Druckanstieg von der. Pumpe her läßt die Steuerkante
49, die sich nach rechts bewegt, Brennstoff zum Niederdruckraum 64 (Ansaugdruck)
abströmen. Eine Bohrung 65 ermöglicht den Druckausgleich des Schiebers. Die Einstellschraube
66 stellt eine minimale Brennstoffmenge sicher, da sie den Steuerschieber nicht
vollkommen schließen läßt. Die Absteuerkanten 49 sind mit wellenförmigen Ausfräsungen
wie 6' versehen und lassen den Brennstoff pulsieren. Die in einem Raum 62' entstehenden
Druckschwankungen und die Schwankungen der dynamischen Kräfte an der Steuerkante
6 selbst erzeugen wechselnde Kräfte auf den relativ kleinen Steuerschieber 5'. Die
Vibrationsbewegung vermindert die Reibungskräfte aller Lager des Fliehgewichtreglers.
Die Druckmengenschwankungen lassen auch das Reduzierventil vibrieren, so daß sich
seine Ansprechgenauigkeit bzw. Empfindlichkeit erhöht.