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Rohrschieber-Antrieb Die Erfindung betrifft den Antrieb eines Rohrschiebers,
insbesondere zur Regelung der Förderleistung einer Kraftstoffpumpe.
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Bei der Regelung von Strömungsmittelströmen mit Zumeßvorrichtungen
der angegebenen Art ist es bekanntermaßen erwünscht, den Durchlaßquerschnitt nicht
proportional zum Stellweg zu verändern, sondern bei kleiner werdendem Durchlaßquerschnitt
den für eine bestimmte Änderung des Durchlaßquerschnitts erforderlichen Stellweg
zu vergrößern, so daß sich ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Stellweg und
Durchlaßquerschnitt ergibt. Bei einer derartigen Charakteristik der Zumeßvorrichtung
wird die Regelung bei kleinen Durchlaßquerschnitten erheblich verbessert.
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Es sind verschiedene Schieberkonstruktionen bekanntgeworden, mit denen
die gewünschte annähernd exponentielle Charakteristik erhalten werden kann. Bei
diesen Schiebern wird die Form der Durchlaßöffnung so gewählt, daß sich die gewünschte
Durchlaßcharakteristik ergibt. Bei derartigen Zumeßvorrichtungen oder Ventilkonstruktionen
muß die gewünschte Charakteristik mit einer entsprechenden Vergrößerung der Abmessungen
erkauft werden. Wenn beispielsweise der Querschnitt der Durchlaßöffnung zwischen
dem Wert Null und einem vorgegebenen Höchstwert verändert werden soll, kann bei
einem Rohrschieber mit linearer Charakteristik im einfachsten Fall eine dem Umfang
und dem Hub entsprechende Öffnung erzielt werden. Wünscht man dagegen eine nichtlineare,
insbesondere eine exponentielle Charakteristik, so muß der vorgegebene Maximalquerschnitt
mit einer nicht rechteckigen Durchlaßöffnung erzeugt werden, so daß ein Teil der
an sich zur Verfügung stehenden Fläche abgedeckt bleibt und der Platzbedarf des
Ventils entsprechend vergrößert wird.
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Es sind verschiedene Schieberkonstruktionen bekanntgeworden, mit denen
die gewünschte annähernd exponentielle Charakteristik erhalten werden kann. So können
z. B. Steueröffnungen verwendet werden, deren Breite sich mit dem Hub ändert. Da
bei einer solchen Ausbildung in der vollen Offenstellung nicht die ganze, dem Umfang
und dem Hub entsprechende Ringfläche für den Durchlaß frei ist, ist ein größerer
Hub nötig. Ein voller Durchlaß, entsprechend der vom Hub und Umfang bestimmten Ringfläche,
läßt sich bei einer exponentiellen Charakteristik erzielen, indem die Betätigung
mit einem veränderlichen übersetzungsverhältnis ausgestattet wird. Die Erfindung
hat sich die Aufgabe gestellt, einen solchen Antrieb für einen Rohrschieber mit
einer exponentiellen Charakteristik zu schaffen, der sich im Ansaugrohr einer Förderpumpe
unterbringen läßt. Diese Aufgabe wird durch die Vereinigung folgender Merkmale gelöst:
a) Das Schieberrohr wird durch eine Kurbel bewegt, die außen am Schieberrohr angreift
und es zu Beginn der Schließbewegung ganz oder vorzugsweise axial verschiebt, am
Ende der Schließbewegung aber ganz oder vorzugsweise verdreht; b) die zusammenwirkenden
Steuerkanten des Schieberrohres und des feststehenden Teils weisen Abschnitte auf,
die in ihrem Verlauf axiale Komponenten enthalten, die in der Nähe der Schließstellung
die Durchlaßcharakteristik abwandelnc) die maximale axiale Verschiebung des Schieberrohres
ist nicht größer als die axiale Breite des Eintrittsquerschnittes des Rotors einer
Strömungsmaschine, deren Durchfluß von dem Rohrschieber gesteuert wird.
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Eine funktionstüchtige und doch einfache und leicht auswechselbare
Verbindung der Kurbel mit dem Schieberrohr kann erfindungsgemäß dadurch erzielt
werden, daß das Schieberrohr einen radial nach außen ragenden Lagerstift aufweist,
an dem ein Kugelgelenk die Kurbel angreift, die in Schließlage parallel zur Achse
des Rohrschiebers liegt. Die erforderliche
Verschiebbarkeit der
Gelenkverbindung ist dabei dadurch gegeben, daß das Kugelgelenk auf dem Lagerstift
gleitend gelagert ist.
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Schließlich ist es für die Anwendung des erfindungsgemäßen Rohrschiebers
von Vorteil, wenn das durch den Rohrschieber geleitete Strömungsmittel an einem
Ende des Rohrschiebers radial nach außen austritt, so daß der Rohrschieber direkt
in einer zentralen Ansaug-Aussparung eines Kreiselpumpenrades angeordnet werden
kann. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der feste Teil des Rohrschiebers eine
die Strömung radial nach außen umlenkende Fläche aufweist, deren Rand die Steuerkante
des festen Teils bildet.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben, bei dem der Steuerschieber mit einer Zentrifugallampe
für die Förderung von flüssigem Brennstoff zu einem Gasturbinenwerk kombiniert ist.
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F i g. 1 ist eine teilweise geschnittene Draufsicht auf die dargestellte
Ausführungsform; F i g. 2 ist ein Schnitt nach der Linie II-II der Fig.1; F i g.
3 ist eine Ansicht des bei der Anordnung nach F i g. 1 verwendeten Rohrschiebers
mit einer abgewandelten Form der zusammenwirkenden Steuerkanten; F i g. 4, 5 und
6 sind schematische Darstellungen der zusammenwirkenden Steuerkanten des Rohrschiebers
nach F i g. 3 in drei verschiedenen relativen Stellungen.
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Die in den F i g. 1 und 2 gezeigte Zentrifugalpumpe umfaßt ein Pumpengehäuse
1, in dem ein Pumpenrad 2 angeordnet ist. Das Pumpenrad 2 ist auf einer Welle
3 drehbar gelagert, die in Lagern 4 läuft und eine Dichtung 5 aufweist. Um den Umfang
des Gehäuses herum ist ein Austrittskanal ? vorgesehen, um den gepumpten flüssigen
Brennstoff aufzunehmen und ihn zum Gasturbinentriebwerk zu fördern.
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Die Seite des Gehäuses 1 gegenüber der Antriebswelle 3 bildet- das
Eingangsgehäuse 8 der Pumpe. Dieses Gehäuse besitzt eine eigentliche Eingangsverbindung
9. Das Gehäuse 8 führt in eine zentrale zylindrische Ausnehmung 11 hinein, die in
dem Pumpenrad 2 gebildet ist. An der Endplatte 10 des Gehäuses 8 ist ein fester
Teil 12 des Rohrschiebers befestigt, der sich in die zentrale Ausnehmung 11 des
Pumpenrades hineinerstreckt. Dieser feste Teil 12 umfaßt drei Stege 13 (s. F i g.
2), welche mit einem mittleren Stößel 14 und einem in einer Kante 36 auslaufenden
schalenförmigen Schieberabschlußkörper 15 aus einem Stück gebildet sind. Dieser
Abschlußköiper 15 ist innerhalb der Ausnehmung 11 angeordnet. Die Ränder der Stege
13 sind parallel zu der Drehachse des Pumpenrades 2 angeordnet und bilden den Sitz
für ein bewegliches Schieberrohr 16. Innerhalb der Ausnehmung 11 endet das Schieberrohr
16 in einer kreisförmigen Kante 17, welche enganliegend über den schalenförmig ausgenommenen
Abschlußkörper 15 geschoben werden kann. Das Schieberrohr 16 ist axial verschiebbar
und verdrehbar auf dem festen Teil 12 gelagert, und die Kanten 17 und 36 der Hülse
und des festen Teils bestimmen zusammen eine veränderliche Durchlaßöffnung, die
sich innerhalb der mittleren Ausnehmung 11 des Pumpenrades 2 radial nach außen öffnet.
Die Querschnittsfläche der Öffnung wird nur durch die axiale Lage des Rohres 16
bestimmt. Die Winkelbewegung des Rohres allein kann nicht irgendwelche Veränderungen
in dem Abstand der Kanten 17 und 36 hervorrufen.
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Um die Bewegung des Schieberrohres 16 zu steuern, ist das Schieberrohr
mit einem radial verlaufenden Stift 19 versehen, auf welchem ein kugelförmiger Verbindungskörper
21 gleitend angeordnet ist. Der kugelförmige Körper 21 wird von einem Ende einer
Kurbel 23 in einer kugeligen Ausnehmung 22 aufgenommen. Das andere Ende der Kurbel
23 ist mit einem gabelförmigen Ende 25 versehen und mit einer Schraube 26
mit Feststellmutter 27 am Gehäuse drehbar gelagert. Eine Drehbewegung der Kurbel
23 ist nur um die Achse der Schraube 26 möglich. Es ist ersichtlich, daß
der Verbindungskörper 21 eine allseitige Drehbewegung der Kurbel 23 um den Stift
19 gestattet.
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Die Betätigungsvorrichtung für die Einstellung des Schieberrohres
16 umfaßt einen Servokolben 28 mit Kolbenstange 31 und Drehzapfen 32. Von dem Drehzapfen
32 erstreckt sich ein Glied 33 zu einer Gelenkverbindung 34 auf der Kurbel 23. Die
Gelenkverbindung 34 ist zwischen den Drehverbindungen angeordnet, die durch den
Stift 19 und die Spindel 26 gebildet sind.
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Gemäß der Darstellung in F i g. 1 ist der Servokolben 28 an einem
Ende seines Hubes eingestellt, um die vollständig geöffnete Stellung des Schiebers
zu bestimmen. In dieser Stellung ist die Kurbel 23
relativ zu der Achse des
Rohrschiebers schräg angeordnet. Die Bewegung der Kurbel 23 von dieser Stellung
aus um die Achse der Schraube 26 verursacht sowohl eine axiale als auch eine Winkelbewegung
des Schieberrohres 16. An dem entgegengesetzten Ende des Hubes des Servokolbens
28 nimmt die Kurbel 23 die in F i g. 1 in gestrichelten Linien gezeigte Stellung
ein. In dieser Stellung liegt eine Linie, die durch den Mittelpunkt des kugelförmigen
Verbindungskörpers 21 lotrecht zu der Achse der Schraube 26 läuft, in einer Ebene,
welche durch die Schieberachse hindurchführt. Diese Anordnung stellt sicher, daß
die Bewegung des Stiftes 19 von der in F i g. 1 in gestrichelten Linien gezeigten
Stellung zuerst allein in Umfangsrichtung um die Achse des Schieberrohres 16 verläuft.
In der in gestrichelten Linien gezeigten Stellung des Gliedes 53 fallen die Kanten
17 und 36 genau zusammen, um eine im wesentlichen geschlossene Stellung des Schiebers
zu ergeben.
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Der mit der dargestellten Ausführungsform erzielte Vorteil besteht
darin, daß eine annähernd exponentielle Beziehung zwischen der Bewegung des Kolbens
28 und dem Querschnitt der Durchlaßöffnung besteht, die zwischen den Kanten 17 und
36 gebildet ist. Diese exponentielle oder annähernd exponentielle Beziehung ist
äußerst wünschenswert, da sie innerhalb eines großen Bereiches eine genaue Steuerung
des Durchlaßquerschnittes gestattet. Beispielsweise gestattet die beschriebene Anordnung
eine Verminderung des Durchlaßquerschnittes bis herunter zu einem Hundertstel der
maximalen Öffnung mit derselben Genauigkeit, mit welcher der Querschnitt in der
Nähe seines Maximums bestimmt werden kann. Genau ausgedrückt, bedeutet die exponentielle
Beziehung, daß gleiche Teilbewegungen des Kolbens 28 in jeder Stellung innerhalb
seines Bewegungsbereiches immer die gleiche relative Änderung des Öffnungsquerschnittes
verursachen. Infolge der begrenzten
Winkelbewegung der Kurbel 23
gilt, daß die Bewegung des Servokolbens 28 im wesentlichen direkt proportional zur
Winkelbewegung der Kurbel 23 ist und daß daher eine annähernd exponentielle Beziehung
auch zwischen der Winkelbewegung der Kurbel 23 und dem Durchlaßquerschnitt zwischen
den Kanten 17 und 36 besteht. Dabei wird das Verhältnis zwischen einem kleinen Stellweg
der Betätigungsvorrichtung und der dadurch entstehenden Querschnittsänderung der
Öffnung mit zunehmendem Öffnungsquerschnitt kleiner.
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F i g. 3 zeigt eine Ansicht der gegenseitigen Lagen des Schieberrohres
16 und der Kurbel 23 bei maximaler Öffnung des Schiebers. Der feste Teil 12 ist
im Interesse der Klarheit aus dem Schieberrohr 16 herausgezogen dargestellt. F i
g. 3 zeigt eine gegenüber den F i g. 1 und 2 abgewandelte Ausführungsform, bei der
die zusammenwirkenden Kanten des Schieberrohres der Hülse 16 und des Abschlußkörpers
15 am festen Teil 12 unterschiedlich ausgebildet sind. Die Kante 17 des Rohres 16
ist mit gleichmäßig voneinander auf Abstand gehaltenen Vorsprüngen 35 versehen,
während die Kante 36 des Abschlußkörpers 15 mit drei ähnlichen flachen Rändern 36
ausgebildet ist. Die F i g. 4, 5 und 6 zeigen die Zusammenwirkung der Vorsprünge
35 mit den Kanten 36. Es sind drei gleiche Öffnungen um den festen Teil herum vorgesehen;
es genügt jedoch, die Einstellung nur einer dieser Öffnungen zu beschreiben. Jeder
Vorsprung 35 weist einen schrägen Rand 37 auf, welcher anfangs mit der Kante 36
zusammenarbeitet. In der geschlossenen Stellung des Schiebers bedeckt der Vorsprung
35 die Spitze der gebogenen Kante 36. Die anfängliche Teilbewegung des Schieberrohres
16, welche durch die Kurbel 23 herbeigeführt wird, verursacht ein Freigeben der
Öffnung nur durch die Bewegung der Kante 37 von der Kante 36 fort im Umfangssinne.
Ein solches Öffnen entsteht auf Grund der Tatsache, daß der Rand 36 und der zusammenwirkende
Teil des Randes 37 jeweils Komponenten parallel zur Achse des Schieberrohres 16
aufweisen.
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F i g. 5 zeigt die annähernd halb geöffnete Stellung, in welcher sowohl
eine axiale als auch eine Winkelbewegung stattgefunden hat. Die Einstellung des
Öffnungsquerschnittes ist dabei sowohl durch die axiale als auch durch die radiale
Bewegung des Schieberrohres bewirkt worden. F i g. 6 zeigt die fast vollständig
geöffnete Stellung des Schiebers, bei der ebenfalls sowohl eine axiale als auch
eine Winkelbewegung des Schieberrohres stattfindet. Jedoch wird die Einstellung
des Öffnungsquerschnittes nun nahezu allein durch die Axialbewegung des Schieberrohres
bestimmt, da die Winkelbewegung jetzt im wesentlichen keine Wirkung mehr auf die
Umfangslänge der Öffnung haben kann.
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Der durch die abgewandelte Ausbildung der F i g. 3, 4, 5 und 6 erzielte
Vorteil besteht darin, daß eine genauere Querschnittsveränderung der Öffnung bei
sehr kleinen Öffnungen bewirkt werden kann, und zwar auf Grund der Tatsache, daß
bei sehr kleinen Öffnungen die zur Achse des Schieberrohres 16 parallelen Komponenten
der zusammenwirkenden Kanten für den Querschnitt maßgebend sind.
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Beim Betrieb der Pumpe wird eine Flüssigkeit zur Einlaßverbindung
9 geführt, die zwischen dem Schieberrohr 16 und den Stegen 13 zu der Durchlaßöffnung
zwischen den Kanten 17 und 36 und von dort radial in die Kanäle innerhalb des Pumpenrades
strömt. Eine Dichtung (nicht gezeigt) ist zwischen der Außenseite des Schieberrohres
16 und dem Gehäuse 8 angeordnet, um einen Fluß des Strömungsmittels auf der Außenseite
des Schieberrohres entlang in das Pumpenrad hinein zu verhindern. Der Fluß des Strömungsmittels
in das Kreiselpumpenrad hinein ist daher eine Funktion des Durchlaßquerschnittes
und des Druckes der Flüssigkeit an der Eintrittsverbindung 9. Vorzugsweise ist die
Zentrifugalpumpe so ausgeführt, daß sie gemäß der Beschreibung der deutschen Patentschrift
1056 877 arbeitet, wobei das Pumpenrad so ausgebildet ist, daß bei der Betriebsdrehzahl
die gepumpte Flüssigkeit einen Ring um das Pumpenrad herum bildet und sich ein mittlerer
Kern bildet, der unter dem Dampfdruck der Flüssigkeit steht. Die Strömungsgeschwindigkeit
der Flüssigkeit in die Pumpe hinein wird daher durch den Druckunterschied vom Einlaß
zum Dampfdruckkern und durch den Durchlaßquerschnitt bestimmt. Die radiale Tiefe
der Flüssigkeit in dem Pumpenrad stellt sich von selbst auf einen Gleichgewichtswert
ein.
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Es sind viele Änderungen in der Anordnung der Kurbel und der Ausbildung
der Drehzapfen möglich. Beispielsweise können beide Drehverbindungen der Kurbel
Kugelgelenke sein. Wenn ein Kugelgelenk am einen und ein Kreuzgelenk am anderen
Ende der Kurbel benutzt wird, ist es nicht erforderlich, eine Gleitverbindung, beispielsweise
eine Gleitlagerung des Verbindungskörpers 21 auf dem Zapfen 19 vorzusehen, wie es
in der beschriebenen Ausführungsform dargestellt ist. Eine solche Gleitverbindung
ist nur dann nötig, wenn eine Drehverbindung der Kurbel eine Winkelbewegung um nur
eine Achse gestattet, wie es z. B. bei der Drehverbindung der Kurbel 23 an der Schraube
26 der Fall ist.