DE1216047B - Rohr- oder Kolbenschieber fuer eine Regelungsvorrichtung - Google Patents

Rohr- oder Kolbenschieber fuer eine Regelungsvorrichtung

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DE1216047B
DE1216047B DEB78268A DEB0078268A DE1216047B DE 1216047 B DE1216047 B DE 1216047B DE B78268 A DEB78268 A DE B78268A DE B0078268 A DEB0078268 A DE B0078268A DE 1216047 B DE1216047 B DE 1216047B
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piston valve
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Dipl-Ing Mathias Ott
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MATHIAS OTT DIPL ING
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MATHIAS OTT DIPL ING
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D13/00Control of linear speed; Control of angular speed; Control of acceleration or deceleration, e.g. of a prime mover

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Flow Control (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (5)

  1. Patentansprüche: 1. 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkante (6) des Schiebers (5, 14) in an sich bekannter Weise quer zur Richtung seiner Relativbewegung gewellt oder gezackt ist.
  2. 2. Regelungsvorrichtung mit einem Rohr- oder Kolbenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußöffnung eine - quer zur Hauptrichtung der Steuerkante gesehen - längliche Form aufweist.
  3. 3. Regelungsvorrichtung mit einem Rohr- oder Kolbenschieber nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchfiußöffnung (56, 67) als elliptische Mündung einer spitzwinkelig in die Bohrung des Schiebers (5, 14) mündenden Bohrung ausgebildet ist.
  4. 4. Regelungsvorrichtung mit einem Rohr- oder Kolbenschieber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schieber (5, 14) gleichachsig hintereinander angeordnet sind und weitere Steuerungsvorrichtungen ebenfalls gleichachsig daran angreifen.
  5. 5. Regelungsvorrichtung mit einem Rohr- oder Kolbenschieber nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch Anschläge, die die axialen Schwingbewegungen der Schieber auf ein vorbestimmtes Maß begrenzen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche. Patentschrift Nr. 802 298; Patentschrift Nr. 18 568 des Amtes für Erfindungs-und Patentwesen in der sowjetischen Besatzungszone Deutschlands; französische Patentschrift Nr. 1312 239; britische Patentschrift Nr. 794 665.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE18568C (de) * VOLPP, SCHWARZ & CO. in Freiburg i. Br Selbstthätige Kesselspeisepumpe
FR1312239A (de) * 1900-01-01
DE802298C (de) * 1948-10-09 1951-02-08 Elektro Mechanik G M B H Hydraulische Schiebersteuerung mit Vorsteuerung
GB794665A (en) * 1955-02-17 1958-05-07 Francis Robert Taylor Improvements in valves for fluids

Patent Citations (4)

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