DE2432660C2

DE2432660C2 - Durchflußmengenregler für kompressible Fluide

Info

Publication number: DE2432660C2
Application number: DE2432660A
Authority: DE
Inventors: Floyd Richard Simsbury Conn. Emmons; George Christian Canton Conn. Rannenberg
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1973-07-12
Filing date: 1974-07-08
Publication date: 1984-09-20
Also published as: IT1015688B; DE2432660A1; FR2237245A1; FR2237245B1; US3862644A; GB1473892A

Description

- ΓΑ*ί±ίά> -r^-PJ (L₁ A₁ _

-V~ K₂L₂A₂ K₂ \L₂A₂

wobei:

'5 W— Fluidgewichtsstrom,

7"= absolute Temperatur,
P₁ = absoluter Druck,

P_a = absoluter Umgebungsdruck um den Durchflußmengenrcgler,
Af₁ = mechanische Konstruktionskonstante,

K₂ = durch die Eigenschaften des Fluids und durch die Querschnittsfläche des Durchflußbegren/ers festgelegter Faktor,

L₁ A₁ = Drehmoment des stromaufwärts des Durchflußbcgrenzers gemessenen Druckes,
L₂ A j = Drehmoment des am eingeschnürten Querschnitt des Durchflußbegrenzers gemessenen Druckes.

2. Durchflußmengenrcgler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Membran (34), die mit dem Druck an dem eingeschnürten Querschnitt des Durchflußbegrenzers (16) in Verbindung steht, kleiner ist als die Fläche der anderen Membran (32).

3. Durchflußmengenregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (32', 34') im wesentlichen die gleiche Fläche haben, daß aber die dem Druck an dem eingeschnürten Querschnitt des Durchflußbegrenzers ausgesetzte Membran (34') näher bei dem Drehpunkt des Hebels (52) angeordnet ist als die andere Membran (32').

Die Erfindung betrifft einen Durchflußmengenreglcr der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Bei einem solchen bekannten Durchflußmengenregler (US-PS 1685205) wird der Druckabfall an einem festen

Durchflußbegrenzer in Form eines Venturi-Rohres mittels einer Membran abgcfühlt, und mittels einer krafterzeugenden weiteren Membran wird das Dosicrorgan verstellt, um bei veränderlichen Drücken die Durehflußmenge einer Flüssigkeil im wesentlichen konstant zu halten. Auf diese Weise läßt sich aber ein konstanter Gewichtsstrom eines kompressiblen Fluids nicht aufrechterhalten, insbesondere dann nicht, wenn sich die Drücke in einem großen Bereich verändern.

Die Standardslrömungsgleichung, die diesen Umstand deutlich macht und die die Beziehung in bekannten Durchflußmengenreglern ausdrückt, lautet:

W]Zf = ^Ρφ-

so (Die Liste der verwendeten Symbole ist am Ende der Beschreibung angegeben).

Somit ändert sich die Strömungsregelgröße mit der Wurzel des Druckes des Venturi-Rohres, was gerade dann zu einer ungenauen Regelung führt, wenn eine konstante Strömung gewünscht wird.

Dieser Fehler ist auch bei Durchflußmengenreglern vorhanden, die in Flugzeug-Klimaanlagen verwendet werden, weil die Dosierorgane, die die Luftzufuhr zur Kabine od. dgl. einstellen, immer dann eine Änderung des Druckwertes in dem Venturi-Rohr bewirken, wenn sie beeinflußt werden. Die Folge dieser Druckwertänderung in dem Venturi-Rohr hat eine ungünstige Auswirkung auf die Durchflußmengenregelung.

Bei einem weiteren bekannten Durchflußmengenregler (GB-PS 914746) soll der Fluiddruck am Ende der Strömungsleitung konstant gehalten werden, auch wenn sich die Durehflußmenge ändert. Dabei wirkt der Fluiddruck direkt auf das Servosystem ein, um das Dosierorgan zu verstellen. Ein konstanter Strömungsverlauf wird bei diesem bekannten Durchflußmengenregler also weder angestrebt noch erzielt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Durchflußmengenregler der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sich ein im wesentlichen konstanter Strömungsverlauf eines kompressiblen Fluids über einem gegebenen Druckbereich ergibt.

Diese Aufgabe ist durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst
Bei dem Durchflußmengenregler nach der Erfindung wird die Genauigkeit der krafterzeugenden Bestandteile und damit die Genauigkeit der Durchflußmengenregelung vergrößert, indem die Drehmomente an dem erzwungen abgeglichenen Hebel des Servosystcms so gewählt werden, daß sich in einem bestimmten Druckben.ich ein im wesentlichen konstanter Strömungsverlauf ergibt.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

F i g. 1 eine schematische, teilweise geschnittene Darstellung, welche eine Ausfuhrungsform des Durchflußreglers nach der Erfindung veranschaulicht.

Fig. 2 teilweise in schematischer und teilweise in geschnittener Darstellung eine Teilansicht, welche eine zweite Ausführungsform des Durchflußreglers veranschaulicht,

Fig. 3 in einer Schnittansicht noch eine weitere Ausführungsform des Durchflußreglers und

F i g. 4 ein Diagramm, in welchem die Strömung bei einer bestimmten Temperatur über dem Druck aufgetragen ist und in welchem zum Vergleich mit der Erfindung eine typische Durchflußmengenregelung bekannter Art dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt einen Durchflußmengenregler, welcher insgesamt mit der Bezugszah· 10 bezeichnet ist und dazu dient, die Strömung stromabwärts einer Drehklappe 12 auf einem im wesentlichen konstanten Wert zu halten, sowie ein Stellglied 14 und ein Venturi-Rohr 16, die in einer Strömungsleitung 18 angeordnet sind. Diese Ausführungsform ist ein Beispiel für eine Klimaanlage eines Flugzeuges, bei welchem die Turbinenanlage die Luftquelle bildet und bei welchem die Strömung in einem gegabelten Abschnitt 20 in ein Paar stromabwärts gelegener Kanäle 22 und 24 unterteilt ist. Ein fester Durchflußbegrenzer 26, der in dem Kanal 22 angeordnet ist, kann die Statorleitschaufel der Turbine (nicht dargestellt) darstellen, die ununterbrochen dem Versorgungsdruck ausgesetzt ist, während ein in der Zweigleitung 24 in dem gegabelten Abschnitt 20 angeordnetes Absperrorgan 28 die zahlreichen Absperrorgane oder Ventile in der Anordnung darstellen kann, dL· mechanisch oder automatisch beeinfluß werden, um beispielsweise die Luftzufuhr zu der Flugzeugkabine od. dgl. zu dosieren. Ein als Block dargestellles Stellglied 30 hai die Aufgabe, die Querschnitts- oder Durchlaßfläche des Absperrorgans 28 zu verändern.

In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird zwar ein Venturi-Rohr zum Messen der Strömung in der Strömungsleitung 18 verwendet, die Messung des Druckabfalls an einem festen Durchflußbegrenzer würde jedoch denselben Zweck erfüllen. Außerdem ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel zwar das Venturi-Rohr 16 stromabwärts der Drehklappe 12 angeordnet (diese Anordnung wird immer bevorzugt, wenn der Druck in der Strömungsleitung sich in einem beträchtlich großen Bereich ändert), es versteht sich aber dennoch, daß das Venturi-Rohr 16 stromaufwärts der Drehklappe 12 angeordnet sein kann, und zwar in einem Fall, in welchem sich der Druck in der Strömungsleitung nicht so stark ändert.

Die Strömung in der Strömungsleitung 18 stromabwärts der Drehklappe 12 wird durch eine Membran 32, die mit dem statischen Druck stromaufwärts des Venturi-Rohres 16 in Verbindung steht, und durch eine Membran 34 abgefühlt, die mit dem statischen Druck an dem eingeschnürten Querschnitt des Venturi-Rohres 16 in Verbindung steht. Die Membranen 32 und 34 sind an Gehäusen 36 bzw. 38 angebracht und bilden eine bewegliche Wand derselben. Wie aus Fig. 1 zuerkennen ist, bildet jedes Gehäuse 36,38 eine Kammer 40 bzw. 42 mit veränderlichem Volumen, die mit dem Druck in dem Venturi-Rohr 16 über Leitungen 44 bzw. 46 direkt in Verbindung stehen. Die Membranen 32 und 34 tragen Stößel 48 bzw. 50, die an einem zweiarmigen Hebel 52 anliegen, der an einem Drehlager 54 schwenkbar gelagert ist. Der Hebel 52 ist Teil des Kraftabgleichssystems für das Servosystem, welches zum Positionieren des Stellglieds 14 dient. Das erreicht man, indem die Kraft mit Bezug auf eine Strahldüse 60 zum Einstellen von deren Abschirmfläche abgeglichen wird. Folglich werden die Drehmomente, die durch die durch die Membranen 32 und 34 erzeugten Kräfte geschaffen werden, durch die entgegenwirkende Druckfeder 62 ausgeglichen, die zum Festlegen der Nullposilion mechanisch oder automatisch in bezug auf die Strahldüse 60 verstellbar ist.

Auf diese Weise wird die Drehklappe 12 durch das Stellglied 14 verstellt, welches im wesentlichen ein Halbflächenstellglied ist, damit die Strömung in der Strömungsleitung 18 gemäß dem durch die Druckmeßvorrichtung gewählten Strömungsverlauf geändert wird. Das Halbflächenstcllglicd 14 enthält eine Membran 62. die innerhalb eines Gehäuses 64 abgestützt ist, welches einen Hohlraum 66 mit größerem Durchmesser und einen Hohlraum 68 mit kleinerem Durchmesser hat. Die Membran 62 ist durch eine Abstützvorrichtung 70 zentral abgestützt und unterteilt das Gehäuse 64 in getrennte Kammern 72 und 74. Es ist zu erkennen, daß die Membran 62 auf ihrer rechten Seite mit dem Druck in der Kammer 74 und auf ihrer linken Seite mit dem Druck in der Kammer 72 beaufschlagt wird, und. da die Querschnitisfläche auf der rechten Seite halb so groß ist wie die Querschnittsfläche auf der linken Seite, ist der halbe Druck erforderlich, um sie in der festen Position festzuhalten. Es ist zu erkennen, daß der Druck stromaufwäris der Drehklappe 12 über eine Verbindungsleitung 76 in die Kammer 74 eingeleitet wird, und daß der Druck auf der linken Seite der Membran 62 in der Kammer 72 mit dem Druck stromaufwärts der Drehklappe 12 über eine Zweigleitung 84 in Verbindung steht, die ihrerseits mit einer Leitung 86 in Verbindung steht. Der Druck in der Kammer 72 wird beeinflußt, indem der Druckabfall an einem festen Durchflußbegrenzer 88 durch Öffnen und Schließen der Strahldüse 60 mit Hilfe des zweiarmigen Hebels 52 verändert wird.

Es ist folglich zu erkennen, daß die Abdeckfläche, die durch den Hebel 52 gebildet wird, dazu dient, den Druck in der Kammer 72 aufzubauen und damit die Lage der Membran 62 und mit Hilfe des Verbindungsgeslänges die Stellung der Drehklappe 12 zum Ausbilden der Dosierfläche einzustellen. Weiter ist ersichtlich, daß dann, wenn eine Stnimungsiinderung erfolgt, die durch die Membranen 32 und 34 festgestellt wird, der Hebel 52 um seinen Drehpunkt schwenkt, damit die Fläche im Sinne einer Vergrößerung oder Verringerung ihres Wertes geändert wird, wodurch μ wiederum der Druckabfall an dem festen Durchflußbegrenzer 88 und infolgedessen der Druck in der Kammer 72 geändert winl. Durch diese Druckänderung wird die Membran 62 so verschoben, daß eine Bewegung der Drehklappe 12 hervorgerufen wird, durch die die Slrömungsündcrung berichtigt und eine im wesentlichen konstante Strömung in der Strömungsleitung 18 aufrechterhalten wird.

Die Fläche der Membran 34 ist kleiner als die Fläche der Membran 32. Die Veränderung der Fläche bezweckt, den (,5 Wert der Kraft voreinzustellen, der durch diese Membranen erzeugt wird.

Eine strenge mathematische Analyse kann zwar die Gültigkeit dieser Gleichung zeigen, jedoch ist das Folgende eine vereinlachte Ableitung:

Ein Kraftabgleich der Durchflußmengenregeleinrichtung IO ergibt in dem abgeglichenen Zustand:

Die angenäherten Kennwerte eines Venturi-Rohrcs in dem nicht eingeschnürten Bereich sind:
W¹ T

P₁-Pi = K,/

Aus den Gleichungen (1) und (2) erhält man:

W\/T= JP^^A^P^P,-P₁₁) (L₁A₁
is V ^₂L₁A₂ K₁ XL_xA₁

Trägt man den Gewichtsstrom über dem Druck stromaufwärts des Venturi-Rohres auf, wie in Fig. 4 angegeben, so ergibt der hier beschriebene Durchflußmengenregler die darin mit dem Bezugsbuchstaben A bezeichnete Kurve. Eine Linie F stellt die Betriebskennlinie des Systems stromabwärts des Venturi-Rohres 16 dar, wobei das Dosierventil 28 vollständig geschlosen ist. Eine Linie G stellt die Betriebskennlinie des Systems stromabwärts des Venturi-Rohres 16 dar, wobei das Dosierventil 28 vollständig geöffnet ist. Es ist zu erkennen, daß in dem Bereich zwischen den Linien B und C bei welchem es sich folglich um einen typischen Bereich von möglichen Betriebsdrücken für eine bestimmte Flugzeug-Klimaanlage handelt, der obere Teil der Kurve A im wesentlichen eben und konstant ist. Wenn somit die Kraftwerte so gewählt werden und die Anlage so aufgebaut wird, daß innerhalb dieses Druckbereiches gearbeitet wird, zeigt es sich, daß der gewünschte Gewichtsstrom innerhalb dieses Druckbereiches auf einem im wesentlichen konstanten Wert bleiben wird. Das wird mit einem typischen bekannten Durchflußmengenregler verglichen, dessen Kennlinie durch eine Kurve D dargestellt ist, welche einen beträchtlichen Fehler aufweist, wie etwa durch einen Pfeil E an dem unteren Ende des Bereiches angegeben.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele des Durchflußmengenreglers, die identische Ergebnisse liefern und

sich lediglich in ihrer Ausführung unterscheiden. (Die mit einem Apostroph versehenen Bezugszahlen in Fig. 1). Wiein Fig. 2angegebcn, hat die Membran 32'zwar die gleiche Fläche wie die Membran 34', jedoch sind die Stößel 48' und 50' in bezug auf das Drehlager 54 des Hebels 52 vcrsct/t angeordnet. In diesem Beispiel werden folglich statt der Flächen der Membranen die Hebelarme verändert.

In Fig. 3 ist die Membran 34' kleiner als die Membran 32'. In diesem Fall ist jedoch die Strahldüse 60' an dem Ende der Meßvorrichtung statt, wie in dem Fall von Fig. 1, in der Mitte derselben angeordnet. Es ist zu beachten, daß in diesem Fall die Einstellfeder 62' konzentrisch zu einer Abgleichfeder 90' angeordnet ist. Eine zweite Abgleichfeder 92 kann bei dieser Ausführungsfonm ebenfalls erforderlich sein.

Der beschriebene Durchflußmengenregler kann hinsichtlich Höhenänderungen kompensiert werden, wenn es sich dabei um ein wichtiges Konstruktionskriterium handelt. In diesem Fall würden die Membranen durch Bälge ersetzt

werden und einer dieser Bälge würde evakuiert werden. Die Bälge und der drehbar gelagerte Hebel 52, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. wurden in eine verschlossene Kammer eingekapselt werden und der Druck stromaufwärts des Venturi-Rohres 16 würde in diese Kammer eingeleitet werden, damit er die Bälge umgibt, und die Innenräume der anderen Bälge würden mit dem Druck an dem eingeschnürten Querschnitt des Venturi-Rohres in Verbindung gebracht werden.

Liste der verwendeten Symbole

Index 1 = stromaufwärts des Venturi-Rohres (oder des Durchflußbegrenzers), sofern nichts anderes angegeben isi, Index 2 = am eingeschnürten Querschnitt des Venturi-Rohrcs (oder des Durchflußbegrenzers), sofern nichts andcres angegeben ist.

A = Fläche.

L = Absland von dem Drehpunkt.
W = Fluidgewichtsstrom.
P₁ = absoluter Druck,
P₀ = absoluter Umgebungsdruck um den Durchflußmengenregler.

T= absolute Temperatur.

L₁A₁= Drehmoment des stromaufwärts des Venturi-Rohrcs gemessenen Druckes,
L₂A₁ = Drehmoment des an dem eingeschnürten Querschnitt des Venturi-Rohres gemessenen Druckes,

K₁ = mechanische Konstruktionskonstante, und

K₁ = durch die Eigenschaften des Fluids und durch die Querschnittsfläche des Venturi-Rohres festgelegter Faktor.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Durchflußmengenregler für komprcssiblc Fluide, mil einem in einer Strömungsieilung angeordneten Durchflußbegrenzer und mit einem Meßfühler, der die am Durchflußbegrenzer auftretende Druckdifferenz mittels wenigstens einer Membran mißt, welche in Zusammenwirken mit einer Strömungsöffnung über ein Servosystem ein Dosierorgan in der Strömungsleitung ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler zwei getrennte Membranen (32,34) und einen zwischcngeschalteten erzwungen abgeglichenen Hebel (52) aufweist, dessen Drehmoment L₁A₁ größer als L₂A₂ ist, um damit in einem bestimmten Druckbereich einen im wesentlichen konstanten Strömungsverlauf nach folgender Gleichung zu erzeugen: