DE1600780A1 - Fluessigkeitsgespeiste Steuereinrichtung - Google Patents

Description

Flüssigkeitsgespeiste Steuereinrichtung

Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgespeiste Steuereinrichtung, insbesondere einen viskositätskompensierten Strömungsmengenregler für Flüssigkeiten, der für die Verwendung in einer · Steuereinrichtung bestimmt ist.

Es ist üblich, in Regel- bzw. Steuersystemen einen schnell strömenden Flüssigkeitsstrahl zu verwenden. Ein derartiger Flüssigkeitsstrahl kann von einem biegsamen Rohr mit einem relativ kleinen Mündungsquersohnitt an zwei Aufnahmekanäle abgegeben werden, die * den Druck des Strahls auf die entgegengesetzten Stirnflächen eines verschiebbaren Organs ('»translatabl© valve'⁸) übertragen. Bei ausgelenktem Rohr wiikt auf das verschiebbare Organ ©in

9818/098

Druckunterschied ein, so daß sich dieses bewegt. Die Verschiebung kann nach verschiedenen! vorbestimmten Funktionen von der Auslenkung des Rohrs abhängig sein. Diese Funktionen werden durch die Anordnung der Bestandteile bestimmt.

Damit zwischen dem Rohr und dem verschiebbaren Organ eine konstante, vorbestimmte Beziehung vorhanden ist, muß die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls konstant sein. Diese Forderung ist u.U. nur schwer zu erfüllen, wenn die Regeleinrichtung starken Temperaturänderungen ausgesetzt ist, z.B. bei einem Gasturbinen-Triebwerk eines Flugzeuges. Beim Anlassen des Triebwerks befindet sich die Flüssigkeit auf der Umgebungstemperatur, so daß die Viskosität der Flüssigkeit relativ hoch ist. Da die Flüssigkeit nur durch einen kleinen Querschnitt austritt, wird die Geschwindigkeit des Strfehls stark herabgesetzt. Wenn die Temperaturen des Triebwerks sich dem Betriebszustand nähern, nimmt die Viskosität der Flüssigkeit ab und die Geschwindigkeit des Strahls nimmt entsprechend zu.

Die Veränderung der Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahl führt zu unerwünschten Veränderungen in der funktioneilen Abhängigkeit der Verschiebung von der Auslenkung des Rohrs, so daß die Regelei-genschaften beeinträchtigt werden.

009816/0981

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der ein Flüssigkeitsstrahl,der von einer Düse abgegeben wird, bei einer Veränderung der Viskosität der Flüssigkeit auf einer bestimmten Geschwindigkeit gehalten, und womit diese Forderung auf einfache und wirtschaftliche Weise erfüllt wird.

Diese Aufgabe wird durch einen viskositätskompensierten Strömungsmengenregler gelöst, der eine erste und eine zweite Düse besitzt, die zur Abgabe von Flüssigkeitsstrahlen dienen, wobei die erste Düse einen Steuerfunktionsausgang ("control function output") erzeugt. An den Düsen ist eine Einrichtung zur Steuerung des Druckabfalls vorgesehen. Ferner ist eine Einrichtung vorgesehen, die in Abhängigkeit von dem Staudruck des aus der zweiten Düse austretenden Strahls die Einstellung der Einrichtung zur Steuerung des Druckabfalls derart verändert, daß die Geschwindigkeit des von der ersten Düse abgegebenen Flüssigkeitsstrahls auf einem konstanten Niveau gehalten wird. Infolgedessen bleibt auch bei einer Änderung der Viskosität der Flüssigkeit die Geschwindigkeit des von der ersten Düse abgegebenen Strahls konstant.

Die Erfindung wird nachstehend an einem in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiel erläutert. Die Zeichnung zeigt im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Strömungsmengenregler und die mit ihm zusammenwirkenden Elemente einer vereinfacht dargestellten Steuereinrichtung.

009Ö16/0981

Anhand der Zeichnung wird die Anwendung der Erfindung auf eine Regeleinrichtung erläutert. Ein flüssigkeitsbeaufschlagter Stellantrieb 8 umfaßt ein biegsames Strahlrohr 10, das in einem Gehäuse 12 montiert ist und von einer Leitung 14 mit Druckflüssigkeit gespeist wird. Das Rohr 10 gibt die Druckflüssigkeit durch eine Düse 16 mit relativ kleinem Querschnitt in eine Kammer 18 ab. Ein Austritt 32 der Kammer ist an eine Niederdruck-Ausgangsleitung 33 angeschlossen. In dieser ist ein Druckregelventil 35 angeordnet, das in der Kammer 18 einen relativ niedrigen Druck aufrechterhält. Infolge des dadurch an der Düse 16 des Rohrs 10 erzeugten Druckabfalls wird in die Kammer 18 ein schnell strömender Flüssigkeitsstrahl abgegeben. Zwei Aufnahmekanäle 20, 22 sind so angeordnet, daß sie in der dargestellten Neutralstellung des Rohrs 10 gleiche Flüssigkeitsmengen aus dem schnell strömenden Strahl aufnehmen. Die Aufnahmekanäle 20, 22 sind an entgegengesetzten Enden einer Bohrung 2k angeschlossen, in der ein Kolben 26 verschiebbar angeordnet ist. Zum Auslenken des Rohrs 10 ist ein drehmomenterzeugender Motor 28 vorgesehen, der durch elektrische Signale gesteuert wird, die über Leitungen 30 übertragen werden. An dem Rohr 10 ist ein Anker des drehmomenterzeugenden Motors befestigt. Der Anker übt auf das Rohr 10 ein Auslenkmoment aus, wenn durch die Leitungen 30 unterschiedliche Ströme fließen. Das biegsame Rohr 10 übt ein solches Widerstandsmoment aus, daß die Auslenkung des Rohrs dem Betrag des Stromstärkeunterschiedes (Differenzsstrom)

009816/0981

~ 5 —

.direkt proportional ist.

Wenn sich das Strahlrohr 10 im Betrieb in der neutralen Stellung befindet, gibt es die schnell strömende Flüssigkeit des Strahls in beide Aufnahmekanäle 20 und 22 derart ab, daß die Drücke auf die entgegengesetzten Enden des Kolbens 26 gleich sind. Der Abstand zwischen der Mündung 16 und den Aufnahmekanälen 20 und 22 ist so gewählt, daß die kinetisohe Energie des Strahls in den Kanälen im wesentlichen vollständig in Druok umgewandelt wird. Wenn die Kanäle 20, 22 gefüllt sind, strömt die überschüssige Flüssigkeit durch die AustrittsÖffnung 32 In die Leitung 33» in· der das Druckregelventil 35 angeordnet ist, das durch Regelung des Flüssigkeitsaustritts aus der Kammer 18 einen relativ niedrigen Druck aufreohterhält.

Wenn in dem drehmomenterzeugenden Motor 28 ©in relativ niedriger Differen&wstrora fließt, erfolgt eine Auslenkung des Eohrs Io um einen Batrag, der dem Betrag des Biffsrensstromes direkt proportional 1st. Der mit hoher Geschwindigkeit au® dsm Mohr austretende Strahl gelangt dann in gegenüber des? Mittelstellung

des Rohres höherem Maß© in ©inen d@r beiden Aufnataakanale _a a© dafl der Druak auf da® θ±no 3wä@ d@® K®lb®ms B(S ©rfsülirfe und die— o®r in B©w®guiag vosrsetst %j±^d_a ll®mm a«as u®m M®iM? D© Qiaa konstant® StrSmumgomasago atastritt,, 1st 'di® StrtatamgsMoago im öoa Aiafmalsaa«- 7sa.iaa.l9tt. 2O₅ 22 nmä daait <äia ©sßsiwlaöiiffeQit ύθβ E©Hb®ao B6 In Betrag mud ilasOE¹ Ml&hunnß "ä®!⁵ Au&lemtem&@ öoo M®hT® 10 aus

Die aus dem Rohr 10 und dem Kolben 2.6 bestehende Anordnung wirkt daher als ein Integrator, wobei die Verschiebung des Kolbens 28 das Zeitintegral der Auslenkung des Rohrs 10 ist. Eine derartige Punktion ist in vielen Regeleinrichtungen mit Vorteil anwendbar. Beispielsweise kann in einer Einrichtung zur Regelung der Kraftstoffzufuhr zu einer Gasturbinen-Kraftanlage der an den drehmomenterzeugenden Motor 28 angelegte Strom e'in Korrektur signal ("error signal") sein, das von einem Regler erzeugt wird, der eine vorgegebene Drehzahl der Kraftanlage mit der Istdrehzahl vergleicht. Der Kolben 26 kann durch eine Stange 27 mit einem Regelorgan 29 für die Kraft' stoffzufuhr verbunden sein. Die Kraftstoffzufuhr zu der Gasturbinen-Kraftanlage wird daher entsprechend dem Zeitintegral das von dem Regler abgegebenen Fehlersignals derart verändert , daß die vorgegebene Drehzahl der Kraftanlage aufrechterhalten wird.

Eine derartige Regeleinrichtung gewährleistet eine sehr stabile und genaue Regelung der Drehzahl der Kraftanlage. Bei Verwendung dar vorstehend beschriebenen Steuerelemente muß jedoch die Strömungemenge und damit die Geschwindigkeit des aus dem Rohr 10 austretenden Flüssigkeitsstrom® konstant sein, damit die au» dem Rohr 10 und dem Kolben 2.6 bestehende Anordnung als Integrator arbeiten kann. In der Praxis führt aber die kleine Quer© <ata.it tsfläok® dar Düse 16 dassu₉ daß die Ge-

schwindigkeit in Abhängigkeit von Veränderungen der Viskosität der Flüssigkeit stark schwankt. Derartige Viskositätsänderungen werden durch Temperaturänderungen verursacht. Durch eine Ungenauigkeit der Geschwindigkeit des aus dem Rohr 10 austretenden Flüssigkeitsstrahls wird die Integrationsfunktion der aus dem Rohr 10 und dem Kolben 26 bestehenden Anordnung stark verändert.

Erfindungsgemäß ist das Rohr 10 nun mit einem viskositätskompensierten Druckregler versehen, der gewährleistet, daß die Flüssigkeit mit konstanter Geschwindigkeit aus dem Rohr 10 austritt.

Der viskositätskompensierte Druckregler besitzt ein Gehäuse 50 mit zwei Hülsen 52, 54, die mit Hilfe einer Kappe 58 undvon Schrauben 59 in einer Bohrung 56 gehalten werden. Im Innern der Hülse 5^ ist ein Kolbenschieber 60 verschiebbar angeordnet, der von einer Feder 62 gegen den Boden des Gehäuses 50 hin gedrückt wird. Ein Übertragungsglied 6k überträgt die Kraft der Feder auf den Kolbenschieber 60 und begrenzt dessen Aufwärtsbewegung.

Ein Eintrittskanal 71 ist mit einer Ringkammer 66 und mit Öffnungen 68 der Hülse 5^ verbunden, so daß ein Strömungskanal vorhanden ist, der von. einer geeigneten Zuleitung 70 für Druckflüssigkeit zu einer Ringkammer führt, die an beiden Enden von zwei Kolben 72, 7^ des Kolbenschiebers 60 begrenzt

009816/0981

ist. Der Kolben Jh arbeitet mit einer Reihe von Öffnungen 76 zusammen, so daß die Flüssigkeit gedrosselt und in der Ringkammer 78 ein niedrigerer Druck erhalten wird. Die Ringkammer 78 ist durch einen Kanal 80 mit der zu dem Rohr 10 führenden Zuleitung 14 verbunden.

Die Hülse 54 ist mit einer zweiten Gruppe von Öffnungen 82

versehen, durch die Flüssigkeit aus der Kammer 78 durch ein

Filter 86 in eine Kammer 84 eintreten kann, die zwisohen dem

Kolben 74 und dem Kolben 85 des Kolbenschiebers 6O angeordnet ist.

Eine Bohrung 88 von relativ kleinem Durchmesser führt von der Ringkammer 84 zu einer Nut 90, die in dem Kolbenschieber 85 ausgebildet ist. Diese Bohrung bildet eine Düse. Über eine Ringnut 89, Kanäle 96, eine Ringkammer 97, und einen an die Leitung 33 angeschlossenen Kanal 95 wird in der Nut 90 der relativ niedrige Druck aufrechterhalten, der in der Kammer 18 des mit dem Strahlrohr versehenen Stellantriebes 8 herrsoht.

Unter der Wirkung des an der Bohrung 88 liegenden Druokgefälles wird quer durch die Nut 90 ein schnell strömender Flüssigkeitsstrahl abgegeben. Die Flüssigkeit dieses Strahls wird von einem Aufnahmekanal 92 aufgefangen und an eine Kammer 93 abgegeben, die sich am einen Ende des Kolbenschiebers 60 befindet. Die Nut 90 ist so breit,daß die reibungsbedingte Herabsetzung der Geschwindigkeit des Strahls vernachläseigbar

009 816/0981

_ 9 —

klein ist. Wenn sich die Kammer 93 und der Kanal 92 mit Flüssigkeit füllen, staut sich der Flüssigkeitsstrahl am Eingang des Kanals 92. Die kinetische Energie des Flüssigkeitsstrahls wird in dem Kanal 92 und der Kammer 93 in Druck umgewandelt.

Der in der Kammer 93 auf den Kolbenschieber 60 ausgeübte Druck entspricht dem Gesamtdruck des Flüssigkeitsstrahls. Dieser Gesamtdruck besteht aus dem Staudruck und dem statischen Druck der Flüssigkeit. Infolge der Beauschlagung des entgegengesetzten Endes des Kolbenschiebers über eine Leitung k8 und den Kanal 46 mit dem statischen Druck in der Nut 90 ist der über den Kolbenschieber 6O gegen die Kraft der Feder 62 wirkende Druck gle ich dem Staudruck des Flüssigkeitsstrahls, d.h., der Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls proportional.

Wenn infolge einer Abnahme der Viskosität die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls zunimmt, wird der Kolbenschieber 60 gegen die Wirkung dar Feder 62 verschoben, so daß die Drosse!wirkung des Schiebers 7^ auf die durch die Öffnungen 76 tretend© Strömung vergrößert wird. Infolge di©sar vergrößerten Drοsaβ!wirkung, auf di© Flüssigkeit sinkt der Druck in der Kammer 78₉ so daß die Geschwindigkeit d©s FlüssigkeitsStrahls abnimmt. Durch di© Ys rs chi β bung d©a Kolbenaohiebers 6ö wird daher di© toe diasoia auf di© Flüssigkeit ausgeübte Drossel-'wirkung 00 iraräadoirt„ daß olna !constants Geschwindigkeit des

009816/0981 - ./«

Flüssigkeitsstrahls aufrechterhalten wird. Die Feder 62 kann so gewählt werden, daß durch die Drosselwirkung des Kolbenschiebers 74 eine vorbestimmte Geschwindigkeit des aus der Bohrung 88 austretenden Flüssigkeitsstrahls gewährleistet wird.

Bei einer Zunahme der Viskosität der Flüssigkeit nimmt die Geschwindigkeit des aus der Bohrung 88 austretenden Strahls ab, so daß die Drosselwirkung des Kolbenschiebers Jk abnimmt und daher der Druck stromaufwärts von der Bohrung 88 erhöht und die erforderliche Geschwindigkeit wieder eingestellt wird.

Sowohl die Bohrung 88 als auch das Rohr 10 werden mit der gedrosselten Flüssigkeit gespeist, die sich in der Kammer 78 befindet. Infolge der Verbindung zwischen der Kammer 18 und der Ringnut 90 sind das Druckgefälle an der Bohrung 88 und dasjenige an der Düse 11 des Rohrs 10 einander im wesentlichen gleich. Die Länge und der Durchmesser der Bohrung 88 sind so gewählt, daß bei einer Veränderung der Viskosität der Flüssigkeit die Veränderung der Geschwindigkeit des aus der Bohrung 88 austretenden Strahls im wesentlichen der Veränderung der Geschwindigkeit des aus der Düse 16 austretenden Strahls entspriaht,

In der Praxis hat es sich gezeigt, daß die Bohrung 88 und die Düse 16 einander am besten dadurch angepaßt werden, daß für

009816/0981 ./.

die Bohrung 88 ein Durchmesser gexiählt wird, bei dem nur eine minimale Empfindlichkeit für Verunreinigungen vorhanden ist, und die Länge der Bohrung 88 so verändert wird, daß sich äquivalente Abhängigkeiten der Geschwindigkeit von der Viskosität ergeben. Wenn in dieser Weise vorgegangen wird, ist die Länge der Bohrung 88 beträchtlich größer als ihr Durchmesser.

In manchen Steuereinrichtungen ist es zweckmäßig, in der Kammer 18 einen anderen Druck aufrechtzuerhalten als in der Ringnut 90. In diesem Fall kann man die Länge und den Durchmesser der Bohrung 88 so wählen, daß äquivalente Abhängigkeiten der Geschwindigkeit von der Viskosität erzielt werden, wenn der Druckunterschied zwischen der Kammer 18 und der Nut 90 im wesentlichen konstant bleibt.

Im Betrieb werden Veränderungen der Viskosität der Flüssigkeit durch den Kolbenschieber 60 kompensiert, der den Druck in der Kammer 78 so verändert, daß aus der Bohrung 88 ein Strahl mit konstanter Geschwindigkeit auetritt. Da die Düse 16 mit derselben Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Viskosität arbeitet wie die Bohrung 88, wird auoh die Geschwindigkeit des aus dem Rohr 10 austretenden Strahls konstant gehalten, so daß die Düse 16 von Veränderungen der Viskosität der Flüssigkeit unabhängig ist und die aus dem

00981670981

Rohr 10 und dem Kolben 26 bestehende Anordnung eine konstante Integrationsfunktion aufweist.

Ferner übt der aus dem Rohr 10 austretende Strahl einen Druck aus, der den Kolben 26 unabhängig von Veränderungen der Viskosität der Flüssigkeit in Bewegung versetzt, so/laß eine im wesentlichen konstante Kraftverstärkung erzielt wird.

Die Erfindung ist mit großem Vorteil auf eine viskositätskompensierte Regelung des Druckes der einem Strahlrohrregler zugeführten Flüssigkeit anwendbar, kann aber mit Vorteil auch in Regeleinrichtungen verwendet werden, in denen die Geschwindigkeit und der Kraftgewinn ("force gain") des aus einer Regeleinrichtung austretenden Flüssigkeitsstrahls unabhängig von Viskositätsveränderungen konstant gehalten werden sollen.

Zur Erfindung gehört alles dasjenige, was in der Beschreibung enthalten und bzw. oder in der Zeichnung dargestellt ist, einschließlich dessen, was in Abweichung von den konkreten Ausführungsbeispielen für den Fachmann naheliegt.

009816/0981

Claims (1)

1. Pat entansprüohs

   1. Flüssigkeitsgespeiste Steuereinrichtung mit einem flüssig» keitsgespeisten Stellantrieb ("valve") und einem viskositätskompensierten Druckregler mit einem Gehäuse, in dem ein Verschlußstück ("control valve") verschiebbar ist, das unter der Wirkung einer Kraft steht, die dahin gerichtet ist, das Verschlußstück in eine Stellung zu bewegen, in welcher dieses keine Drosselwirkung ausübt, wobei das Gehäuse einen Eintritt und Austritte für das Strömungsmittel hat, dadurch gekennzeichnet, daß in dem flüssigkeitsgaspeisten Stellantrieb (8) eine erste Ufase (16) und in a®m Druckregler (50) eine zweite Düse (88) angeordnet sind, daß die erste Düse (16) mit einem Austritt (80) des Druckreglers verbunden ist und einen Steuerfunktionsausgang ("control function output") für dem flüssigk©itsg0speiet©es. Stellantrieb

   009816/0981

   erzeugt, und die zweite Düse (88) Strömungsmittel in einen in dem Gehäuse vorgesehenen Kanal (92, 93) abgibt, so daß das eine Ende des Verschlußstücks (6o) mit dem Flüssigkeits-Gesamtdruck beaufschlagt wird, der dahin wirkt, das Verschlußstück gegen seine Vorbelastung aus der Stellung, in der es keine Drosselwirkung ausübt, in eine Drosselstellung zu bewegen, so daß der Druckabfall an beiden Düsen (i6, 88) derart gesteuert wird, daß bei einer Veränderung der Viskosität des Strömungsmittels die Geschwindigkeit des aus der ersten Düse (16) austretenden Strömungsmittels konstant gehalten wird.

   2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Düse (i6) einen diese durchsetzenden-Strömungsweg mit relativ kleinem Austrittsquersohnitt und die zweite Düse (88) einen diese durchsetzenden Strömungsweg mit relativ kleinem Querschnitt und einer solchen Länge hat, daß bei einer Veränderung der Viskosität des Strömungsmittels die Geschwindigkeit des aus der zweiten Düse (88) austretenden Strömungsmittels im wesentlichen ebenso verändert wird wie die Geschwindigkeit des aus der ersten Düse (16) austretenden Strömungsmittels.

   3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Druckreglergehäuse ein zweiter Kanal (96) vorgesehen ist, über den das entgegengesetzte Ende

   bad ömmU^t 00 98 16/0981 ./.

   des verschiebbaren Verschlußstücks (όθ) mit dem statischen Druck des aus der zweiten Düse (88) austretenden Strömungsmittels beaufschlagt ist, so daß dieser statische Druck dem auf das erstgenannte Ende des Verschlußstücks wirkenden Gesamtdruck des Strömungsmittels entgegenwirkt ,

   h. Steuereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußstück (6θ) aus einem Kolbenschieber mit zwei im Abstand voneinander angeordneten Kolben (7^> 85) besteht, wobei der eine Kolben (7^) mit in Abstand voneinander angeordneten Öffnungen (76, 82) zusammenwirkt, die durch eine erste Kammer {66) in dem Druckreglergehäuse miteinander .verbunden sind, und daß das den beiden Düsen (20, 88) zugeführte Strömungsmittel gedrosselt wird, die zweite Düse (88) aus einer Bohrung besteht, die in dem zweiten Kolben (85) ausgebildet ist und die zwischen den beiden Kolben (7^» 85) vorhandene Kammer mit einem Aufnahmekanal (92) auf der einen Seite des Schieberkolbens verbindet, und die die zweite Düse bildende Bohrung (88) über den zweiten Kanal (96), eine Ringkammer (97) in dem Druckreglergehäuse und eine Leitung (h8) mit dem entgegengesetzten Ende des Kolbenschiebers (60) verbunden ist.

   5. Steuereinrichtung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Düse (16) in eine Kammer (18) des Stellan-

   009816/0981 ,

   -κ-

   triebes (8) mündet und die Kammer (18) des fräellaat; (18) und die Ringkammer (97) des Briietes-sglLe^B üus?@ii mim.® Leitung (53) miteinander

   6. Steuereinrioiatuäig nach einem ©dar henden Ansprüolia 1 bia 5 t ans ons t wio ©easferiebeai lasad bsw< oder dargestellt.

   009816/0981