DE1939363U

DE1939363U - Auf temperatur ansprechendes regelgeraet.

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Publication number: DE1939363U
Application number: DEB65621U
Authority: DE
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1965-03-17
Filing date: 1966-03-16
Publication date: 1966-05-26
Also published as: GB1081213A; US3322344A

Description

PATENTANWALT HAMBURG 36 · NETTER WALL 41 · PERNHTTF 36 74 28 TTND 36 41 15

TBIiBORAMM-AlTSOHRIFT t NESBDAPATElffT

The Bendix Corporation

Usher Building 14. März 1966

Detroit, Michigan (USA)

A"ef Temperatur ansprechendes Regelgerät

Die Neuerung betrifft ein auf Temperatur ansprechendes Regelgerät, insbesondere ein Regelgerät, bei dem ein Eingangs-Strömungsmitteldrucksignal, das sich als Funktion einer Temperatur ändert, die von einem auf Temperatur ansprechenden Mittel wahrgenommen wird, für Regelzwecke in ein Ausgangs-Strömungsmitteldrucksignal oder entsprechendes Stellungssignal verwandelt wird, das eine höhere relative Größenordnung als das Eingangs-Strömungsmitteldrucksignal hat.

Ein Nachteil bekannter Regelgeräte der beschriebenen Art, die auf Temperatur ansprechen und bei denen z· B. eine mit einer !Flüssigkeit oder Gas gefüllte Sonde auf eine veränderliche Temperatur anspricht und über ein angeschlossenes Strömungsmittelservogerät ein verstärktes Ausgangssignal erzeugt, liegt in den Ansprecheigenschaften der Regelgeräte. Bei einigen Anwendungsgebieten, so z. B. bei Treibstoffregelvorrichtungen für Gasturbinen, ist die zeitliche Verzögerung oder Verspätung zwischen einer Änderung der wahrgenommenen Temperatur und dem von dem Regelgerät abgegebenen Ausgangs-

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signal zu groß, um eine ausreichende Regelung über die Treibstoffdurchflußmenge an das Triebwerk und folglich die Triebwerkstemperatur und/oder die Drücke zu erhalten, die dadurch als Folge des Verbrennungsprozesses erzeugt werden. Aus Gründen des Triebwerkwirkungsgrades werden die Gasturbinen mit der maximal möglichen Temperatur
betrieben, die das Triebwerk für einen beträchtlichen Zeitraum aushalten kann, ohne daß die den Temperaturen ausgesetzten Triebwerksteile ausfallen. Für derartige Fälle ist ersichtlich, daß die Ansprecheigenschaften des auf die Temperatur ansprechenden Eegelgeräte so ahne11 wie möglich sein sollten.

Es ist daher eine Aufgabe der Neuerung, ein Regelgerät zu schaffen, das ein veränderliches Eingangssignal und ein Ausgangssignal aufweist, das sich als Funktion der

auf
Inderungsgeschwindigkeit/weist, das sich als Funktion der Änderungsgeschwindigkeit des Eingangssignals unter äußerst schnellem Ansprechen ändert*

Weiterhin befaßt sich die Neuerung mit einem auf Temperatur ansprechenden Regelgerät, bei dem sich ein
Aus gangs signal als Furkbion der !nderungs geschwindigkeit eines Eingangs-Temperatursignals mit hoher Ansprechgeschwindigkeit ändert.

Die Neuerung bezweckt auch ein auf Temperatur ansprechendes Regelgerät zu schaffen, bei dem sich ein
Ausgangssignal als eine Funktion der Inderungsgeschwindigkeit von einem Eingangstemperatursignal mit hoher

Ansprechgeschwindigkeit ändert.

Ferner betrifft die Neuerung ein auf Temperatur ansprechendes Regelgerät, das einen verhältnismäßig einfachen Aufbau hat, zuverlässig arbeitet und leicht mit hoher Geschwindigkeit auf Änderungen in der wahrgenommenen Temperatur anapricht·

Eine wichtige Aufgabe der Neuerung ist es, ein Regelgerät zu schaffen, das in einer Umgebung benutzt werden kanne, in der Geräusche und/oder Schwingungen auftreten, und das auf ein veränderliches Eingangssignal anspricht, das durch die Geräusche und/oder die Schwingungen der Umgebung nicht beeinflußt wird.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Neuerung gehen aus der Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung hervor.

In der Zeichnung ist ein Regelgerät 12 dargestellt, das ein Gehäuse 14 aufweist, Ein gewundenes Rohr 16 mit konstanten Innenvolumen ist mit Helium oder einem anderen geeigneten Gas unter Druck gesetzt, das gemäß dem Charles'sehen Gas-Gesetz einen Gasdruck Pl erzeugt, der der absoluten Tempratur T, der das gewundene Rohr 16 ausgesetzt ist, direkt proportional ist. Das Rohr 16 ist mit Haltebügeln 18 versehen, die an dem Gehäuse durch irgendwelche Befestigungsmittel (nicht gezeigt) angebracht sind. Der Innenraum des Rohres 16 ist über einen Durchlaß 20 an eine Kammer 22 gelüftet, die von einer

— Z).

anderen Kammer 24 durch eine elastische Membrane 26 getrennt ist, die vorzugsweise aus Blech hergestellt ist, das über längere Zeiträume verhältnismäßig hohe !Temperaturen und/oder Gasdrücke aushalten kann, ohne daß die Elastizität und die strömungsmittelabdichtenden Eigenschaften Schaden nehmen.

Die Kammer 24 ist von einer Kammer 28 durch eine elastische Metallmembrane ^O getrennt, die der Membrane 26 ähnlich ist, in der Kammer 24 aber eine wesentliche kleinere Fläche aufweist, wobei ihr Flächenverhältnis in der Größenordnung von 1 : 5 oder 1 : 10 oder möglicherweise darüber liegt· Die Membrane 30 ist genau wie die Membrane 26 an ihrem radialen äußeren Eandteil starr an dem Gehäuse durch irgendwelche Befestigungsmittel (nicht gezeigt) angebracht. Die Membranen 30 und 26 sind durch ein Gestänge

/und oder eine Stange 32, die durch entsprechende'bekannte Anschlußmittel an den Membranen befestigt ist, starr auf Abstand miteinander verbunden.

Ein durch irgendwelche Mittel an der Membrane 26 befestigtes Kapillarröhrehen 34- ermöglicht einen beschränkten Gasdurchfluß zwischen den Kammern 22 und 34? wodurch über der Membrane 26 ein Druckunterschied ©rzeugt und eine Kraft geschaffen wird, die der Inderungsgeschwindigkeit der von dem Eohr 16 wahrgenommenen Temperatur proportional ist.

Die Wand der Kammer 28 ist mit einer Öffnung 36 versehen, durch die ein Hebel 38 führt, Der Hebel 38 wird von einem Drehzapfen 40 gehalten, der an dem Gehäuse 1i4 befestigt ist,

und weist einen einstückigen geflanschten Abschnitt 42 auf, der z. B. durch Löten starr an einem Ende eines Balges 44 befestigt ist und eine stromungsmitteldichte Abdichtung schafft. Das gegenüberliegende Ende des Balges 44 ist an dem Umfang der Öffnung 36 z. B. durch Löten befestigt, um mit dem Gehäuse 14 eine stromungsmitteldiehte Abdichtung zu schaffen.

Die von den Membranen 26 und 30 ausgehende Kraft wird über •einen starren Anschlußkörper 46, der zwischen dem einen Ende des Gestänges 32 und dem Ende des Hebels 38 eingefügt ist, auf das eine Ende des Hebels 38 übertragen. Der Hebel 38 kann ein Servoteil 48 betätigen, das durch eine eingeschraubte Stange 50, deren Gewinde mit dem Hebel 38 zusammenwirkt und die bezüglich dieses Hebels durch eine Mutter 52 festgestellt ist, einstellbar an dem anderen Ende des Hebels 38 befestigt ist.

Das eine Ende eines Dämpfungsbalges 54 ist z. B„ durch Löten, an dem Gehäuse 14 strömungsmitteldicht befestigt. Auf dem entgegengesetzten beweglichen Ende des Balges 54 ist eine Kappe 56 ζ. B. durch Löten strömungsmitteldicht aufgesetzt und mit einem eingezogenen Durchlaß 58 versehen, der das Innere des Balges 54 an die sie umgebende Kammer 60 entlüftet, die über einen Auslaß 62 mit einer unter einem verhältnismäßig niedrigem Druck Po stechenden Abflußquelle verbunden ist. Ein durch Gewinde einstellbarer Mitnehmerkörper 64 wirkt mit dem Hebel 38 zusammen, erstreckt sich in die Kappe 56 und ist durch eine Mutter 66 festgestellt«

Ein Rüokkopplungsbalg 68 ist z. B. durch Auflöten starr in Strömungsmitteldichter Weise an dem einen Ende des Gehäuses 14 befestigt. An dem gegenüberliegenden, beweglichen Ende des Balges 68 ist eine Kappe 70 in strömungsmittelabdichtender Weise z_o B. durch Auflöten befestigt. Ein eh±a?ek Gewinde wirkt mit dem Hebel 38 zusammen_o Ein verstellbarerMitnehmer 72 berührt die Kappe 70 und ist durch eine Mutter 74· i*¹ seiner Stellung gehalten.

Ein Auslaß 76 des Gehäuses 14 ist über einen Durchlaß 78 an eine Strömungsmittelquelle angeschlossen, die auf einem regulierten konstanten Druck PE gehalten wird. In dem Durchlaß 78 ist vor einer Ableitung 82, die den Durchlaß 78 mit dem Inneren eines Balges 84 verbindet, eine Einschnürung 80 eingesetzt. Ein Ende des Balges 84 ist starr mit einem starren Stützkörper 85 verbunden, während das gegenüberliegende bewegliche Ende eine Ausgangskraft oder ein Stellungssignal gemäß dem in diesem Balg herrschenden Strömungsmitteldruck Ps liefert. Der Balg 84 ist wie die Balgen 54- u·¹¹«³- 68 außen dem Abflußdruck Po ausgesetzt, der als Anlagebezugsdruck dient. Der Durchlaß 78 steht mit dem Innenraum des Balges 68 über einen Auslaß 76 und einen Durchlaß 86 in Verbindung, der von dem Auslaß 76 an den Balg 68 führt.

In dem Durchlaß 86 ist eine dämpfende Einschnürung 88 einge-

auf
baut. Der Strömungsmitteldruck Ps, den die Balgen 68 und 84' ansprechen, wird durch das Servoventil 48 geregelt, das die Durchflußfläche eines Abzugskanals 90 steuert, der unter einem verhältnismäßig niedrigem Abzugsdruck Po zwischen dem Durchlaß 86 und der Kammer 60 angeschlossen ist.

Der Zugang zu der Kammer 60 und zu den darin enthaltenen verschiedenen verstellbaren Teilen 50 _s 64 und 72 wird durch eine Öffnung in dem Gehäuse 14 geschaffen, die durch eine Kappe 92 verschlossen wird, welche mit Gewinde in das Gehäuse 14 eingeschraubt ist. Ein zwischen dem Gehäuse 14 und der Kappe 92 angeordneter "O"-Ring stellt eine Strömungsmittelabdichtung her.

Das von den Membranen 26 und 30 erhaltene Eingangssignal kann von den Temperaturschwankungen des Strömungsmittels mit dem Druck: Po unabhängig gemacht werden, das in dem Geh-äuse 14 umläuft. Wenn die Kammer 28 Brennstoff mit dem Druck Po enthalten würde, so wäre ersichtlich, daß die Temperaturschwankungen des Treibstoffes eine entsprechende Änderung des Druckunterschiedes über der Membrane 30 hervor --rufen wurden, wenn ein gegebener Druck in der Kammer 24 genommen würde. Um diese Wirkung zu vermeiden, kann die Kammer 28 mit einem Gas, z· B. Helium, gefüllt und auf einen Druck von ca. 20-50 ¥■ absoluter Quecksilbersäule entleert werden. Die Luftlenkung kann durch ein Rohr 96 bewirkt werden, das luftdicht an dem Gehäuse 14 befestigt ist und von der Kammer 28 nach außen durch das Gehäuse 14 führt. Eine Unterdruckquelle (nicht gezeigt), die lösbar an das Rohr angeschlossen ist, kann die Kammer auf den geeigneten Druck entleeren, woraufhin das Rohr 96 die Kammer 28 auf den Druck entleeren kann und durch ein Eindrücken 98 verschlossen wird, um durch ihr Abdichten das Druckniveau in der Kammer 28 aufrechtzuerhalten.

Die Arbeitsweise des Regelgerätes ist wie folgt:

Es wird angenommenj daß das temperaturempfindliche Kegelgerät ein Teil einer Brennstoffregelanlage für Gasturbine, ist, die in der US-Patentschrift Ir. 3.103.785 erläutert ist. In diesem lall kann die Strömungsmittelquelle mit dem regulierten konstanten Druck PE der Triebstoff sein, der von einer Hochdruck-Treibstoffquelle entnommen und dessen Druck durch eine übliche Reguliervorrichtung für Strömungsmitteldruck herabgesetzt wird. Die Kammer 60 kann an eine Niederdruck-Treibstoff quelle, wie z. B. den Einlaß einer Treibstoffpumpe oder dergleichen, entlüftet werden. Der Balg 84 kann so angeschlossen sein, daß er eine Kraft oder ein Stellungssignal liefert und dadurch den Treibstoffdurchfluß an das Triebwerk als Punktion einer wahrgenommenen Bedingung regelt, die z.B. die Lufttemperatur des Yerdichtereinlasses sein kann.

Unter den erwähnten Bedingungen ist das gewundene Rohr 16 der Luft ausgesetzt, die in den Yerdichtereinlaß eintritt} und nimmt die Temperatur dieser Luft an. Für den Beginn wird angenommen, daß die Regelvorrichtung eine stabile Stellung gemäß einer gegebenen Temperatur der Yerdichtereinlaßluft einnimmt.

Eine Zunahme der Yerdichtereinlaß-Lufttemperatur über diesen gegebenen Wert hinaus hat einen entsprechenden Temperaturanstieg des gewundenen Rohres feiaa-aa 16 und des darin enthaltenen Gases zur Folge. Die daraus entstehende Ausdehnung des Gases in dem bestimmten Innenvolumen des Rohres 16 erzeugt einen Anstieg des Gasdruckes in der Kammer 22, wodurch ein Druckge-

fälle über der Membrane 26 und ein nachfolgender Gasfluß durch das Kapillarröhrchen 34 erzeugt wird. Dadurch wird eine Kraft erzeugt, die dem mit der Fläche der Membrane multiplizierten Druckgefälle plus dem Druckunterschied zwischen den Kammern 24 und 28, der mit der Fläche der Membrane 30 multipliziert wird, entspricht₉ und die auf den Hebel 38 einwirkt, der sich entgegen dem Uhrzeigersinn um den Drehzapfen 40 dreht. Das mit dem Hebel 38 verbundene Servoventil 48 bewegt sich in Schließrichtung und verursacht einen Druckanstieg in dem an den Rückkopplungsbalg 68 und den Balg 84 führenden Druck Ps. Die von dem Eückkopplungsbalg 68 ausgehende Kraft wirkt über den Hebel 38 gegen die von den Membranen 26 und 30 erzeugte Eingangskraft und hat daher die Neigung, den Hebel 38 in der in derartigen Rückkopplungskreisen üblichen Weise auszugleichen. Die Eingangskraft wird teilweise auch durch die Wirkung des Dämpfungsbalges, 54 ausgeglichen, der aufgrund des Durchlasses 58, der dazu neigt, den Durchfluß in oder aus dem Balg 54 einzuschränken, und eine zeitweilige dämpfende Kraft erzeugt, die der entgegen dem Uhrzeigersinn gerichteten Bewegung des Hebels 38 entgegenwirkt.

Der Durchfluß von der Kammer 22 über das Kapillarröhrchen 34 an die Kammer 24 hat einen Ausgleich des in ihnen herrschenden Druckes und einen nachfolgenden Verlust des Druckgefälles über der Membrane 26 zur Folge, wodurch die von der Membrane 26 ausgehende Kraft verlorengeht. Die auf den in der Kammer 24 herrschenden Druck ansprechende Membrane 30 erzeugt die Eingangskraft für den Hebel 38, der dementsprechend in seiner Stellung stabilisiert wird, wenn angenommen wird, daß die an dem Rohr 16 wahrgenommene Temperatur stabilisiert ist<

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Auf diese Weise wirkt der an den Balg 84- führende Treibstoffdruck Ps als eine Funktion der von dem Rohr 16 wahrgenoiäenen Temperatur umgewandelter Signaldruck. Da die Kappe 92 in ihre Stellung zu dem Triebwerk "befestigt ist, feann der Teil des Gehäuses, der einen wesentlichen Teil der Kammer 24 bildet, in die Luft mit der Temperatur T ragen, damit das Gas in der Kammer 24- und das Rohr 16 unter derselben Temperatur gehalten werden. Auf diese Weise werden Druckänderungen in der Kammer 24 aufgrund einer von der wahrgenommen Temperatur T abweichenden Temperatur vermieden, wodurch die Genauigkeit gefördert wird·

Palis die von dem Rohr 16 wahrgenommene Temperatur abnimmt, tritt der beschriebene Vorgang umgekehrt auf. Der Gasdruck in der Kammer 22 nimmt ab und verursacht einen Druckabfall über der Membrane 26, und die daraus resultierende Kraft wirkt gegen die von dem Druck in der Kammer 22 erhaltene Kraft, die auf die Membrane 30 einwirkt. Der von der Kammer 24- durch das Kapillarröhrchen 34 an die Kammer 22 führende Durchfluß hat einen Ausgleich des herrschenden Druckes und eine Beseitigung der von der Membrane 26 erhaltenen Kraft in der erwähnten Weise zur Folge. Die auf den Hebel 38 einwirkende Kraft hängt dann allein von dem Druck in der Kammer 24 ab, der gegen die Membrane 30 einwirkt.

Es ist ersichtlich, daß das Kapillarröhrchen 34 eine laminare Durchflußeigenschaft für den Gasdurchlaß zwischen den Kammern 22 und 24 schafft, wodurch zwischen ihnen ein Durchfluß entsteht, der dem Druckgefälle über dem Kapillarröhrchen direkt proportional ist. Durch die lineare Beziehung zwischen dem

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Durchfluß und dem Druckgefälle des Kapillarröhrchen 34-kann die Zeitkonstante T der Kammer 34- unter jeder gegebenen Temperatur Tl durch die Beziehung T = '— ausgerückt werden, bei der ^a die absolute Viskosität des Heliums in kg see unter der Temperatur Tl, Pl den absoluten Druck des Heliums unter Tl, D den Inimdurchmesser des Röhrchens 34 in cm, L die Länge des Röhrchens 24- in cm und V2 das Volumen der Kammer 24- in cnr darstellt. Daher ist bei D = 0₉o1 cm,

L = 5,08 und V2 = 1,63 cm⁵, Pl = 11,95 kg/cm² und/b. = ^1,75 *

10 kg sec T so berechnet, daß sie 0,6 Sekunden beträgt

cm

und die Anlage daher dynamisch wie eine Anlage ersten Grades mit einer Verzögerung von 0,6 Sekunden wirkt. Es muß beachtet werden, daß die erwähnte Verzögerung von 0,6 Sekunden eine mögliche Verbesserung von einem Faktor 5 in der Ansprechzeit gegenüber der von demselben auf Temperatur ansprechenden Regelgerät ohne die von der Membrane 26 und dem Kapillarröhrchen 34- erfüllten Funktion darstellt.

Die zahlreichen verstellbaren Teile 50, 64 und 72 des Servo-

54-ventils 48, des Dämpfungsbalges und des Rückkopplungsbalges ermöglichen eine Eichung der Anlage, um das gewünschte Ansprechen des Ventiles 4-8 auf die an den Hebel 38 gelegte Eingangskraft zu schaffen.

Da das Innere des Röhrchens 16, der Kammer 24 ein abgedichtetes Volumen darstellen, wird die Möglichkeit der Verschmutzung durch Stat> und dergleichen auf ein Minimum gebracht. Auch werden die Drucksignale, denen die Membranen 26 und 30 unterliegen, von einem Gas abgeleitet, das im wesentlichen unempfindlich gegen Schwingungen und/oder Geräusche der U^"Sung

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ist, die bei vielen Anlagen dieser allgemeinen Art äußere Druckimpulssignale verursachen, die den auf den Eingangsdruck ansprechenden Körpern überlagert werden, welche daraufhin eine falsche Anzeige von der wahrgenommenen Temperatur geben.

Es sind zahlreiche Änderungen der Neuerung möglich, ohne ihren Bereich zu verlassen.

Claims

DR. ING. H. NEGENDANK

PATENTANWALT

HAMBURG 36 · NEUBH WALL 41 · FEHNHUF 36 74 28 UND 36 41 15 TELEGRAMM-ANSCHRIFT I KBOEDAPATBSfT

The Bendix Corporation

Fisher Building 14· März 1966

Detroit, Michigan

Schutz ansprüphe

1· Auf Temperatur ansprechendes Regelgerät, gekennzeichnet durch eine Temperatursonde (16), deren Innenvolumen mit einem unter Druck stehenden Gas gefüllt ist und die einer wahrzunehmenden veränderlichen Temperaturbedingung ausgesetzt sind, wodurch der Druck des Gases sich als Funktion der wahrgenommenen Temperatur ändert, eine erste Kammer (22), die an das Innere dieser Sonde gelüftet ist, eine zweite Kammer (24), die durch ein Kapillarröhrchen (34) mit der ersten Kammer verbunden ist, eine erste auf Strömungsmitteldruck ansprechende Membran (26), die die erste Kammer von der zweiten trennt und auf einen Strömungsmitteldruckunterschied anspricht, der zwischen diesen Kammern als Folge der den Durchfluß beschränkenden Wirkung des Kapillarröhrchens erzeugt wird, eine zweite auf Strömungsmitteldruck ansprede Membran (30), die der zweiten Kammer (24) ausgesetzt ist, und auf den in dieser herrsehenden Strömungsmitteldruck anspricht, und durch Mittel (32, 38,

. auf

48), die betriebsmäßig an den eisten und zweiten Druck

ansprechenden Membranen angeschlossen sind, um in Abhängigkeit von den Kräften, die von den Strömungsmitteldrücken erhalten werden, welche auf die ersten und zweiten druckempfindlichen Membranen einwirken, ein verwendbares Ausgangssignal (Ps) zu erzeugen, wobei die erste auf Strömungsmitteldruck ansprechende Membran auf den Strömungsmitteldruckunterschied anspricht_s der über dem Kapillarröhrchen gemäß einer .änderung des Gasdruckes in der ersten Kammer aufgrund einer Änderung in der wahrgenommenen Temperatur erzeugt wird, und der Strömungsmitteldruckunterschied sich in seiner Größe unter einen Wert ändert, der dem Inderungswert der wahrgenommenen Temperatur entspricht, wodurch eine entsprechende zweitweilige Belastungskraft geschaffen wirdο
2. Eegelgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kapillarröhrchen (34·) an der ersten auf Strömungsmitteldruck ansprechenden Membran (26) befestigt ist und sich mit diesem bewegen kann.

3» Regelgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste.; und zweite auf Strömungsmitteldruck ansprechende! Membranen elastische Metallmembranen sind«

4-. Segelgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (32, 38, 4-8), die das verwendbare Ausgangssignal erzeugen, ein Ventil (4-8) einschließen, das durch einen Hebel (3©) betätigt wird, der betriebsmäßig an die ersten und zweiten auf Strömungsmitteldruck ansprechenden Membranen angeschlossen ist, um einen

regulierten Strömungsmitteldruck (Ps) zu regeln, der auf einen ein Ausgangssignal erzeugenden Balg (84) einwirkt·

Regelgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel (38), der betriebsmäßig mit dem Ventil (48) und den ersten und zweiten auf Strömungsmitteldruck ansprechenden Membranen (26, 30) verbunden ist, weiterhin von einem auf Strömungsmitteldruck ansprechenden Balg (68) betätigt wird, der auf den regulierten Druck (Ps) anspricht, um eine Rückkopplungskraft zu schaffen, die gegen die von den ersten und zweiten auf Strömungsmitteldruck ansprechenden Membranen erhaltenen Kraft wirkt.