DE3815381A1 - Fluessigkeitsregler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Regu­ lieren eines Strömungsmittelflusses und insbesondere zum Einstellen eines Flüssigkeitsstromes, jedoch kann die er­ findungsgemäße Vorrichtung auch zur Steuerung eines Gas­ stromes dienen.

Es gibt viele Fälle, bei denen Ventile benutzt werden, um die Strömungsrate einer Flüssigkeit oder eines Gases zu steuern. Die Flüssigkeit kann dabei Brennstoff sein, und hierbei ist die Strömungsrate der bestimmende Faktor für die Leistungseinstellung einer Maschine, die mit diesem Brennstoff beschickt wird. Eine genaue und betriebssiche­ re Einstellung der Brennstoffströmung durch das Ventil ist sehr häufig von kritischer Wichtigkeit für die Ar­ beitsweise des Motors. Wenn das Ventil beispielsweise fehlerhaft arbeitet oder völlig ausfällt, können die Fol­ gen sehr schwerwiegend sein. Wenn der betreffende Motor beispielsweise ein Gasturbinentriebwerk ist, könnte eine unzuverlässige Steuerung der Brennstoffströmung nach dem Triebwerk dazu führen, daß dieses Triebwerk durch Über­ drehzahl beschädigt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitsregler zu schaffen, der die Probleme hin­ sichtlich Betriebssicherheit und Genauigkeit im wesentli­ chen beseitigt, die den einzelnen Ventilen anhaften.

Die Erfindung geht aus von einem Flüssigkeitsregler mit einem Flüssigkeitssteuerorgan, das mehrere parallel ge­ schaltete Ventile aufweist, von denen jedes individuell zwischen einer vollen Öffnungsstellung und einer vollen Schließstellung beweglich ist, wobei Steuermittel das Öffnen und Schließen der Ventile gemäß einer gewünschten Flüssigkeitsströmung durch den Flüssigkeitsregler bewir­ ken. Hierbei wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß wenigstens einige der Ventile im Normalzustand redundant sind, aber selektiv durch das Steuerorgan betä­ tigbar sind, wenn eines der anderen arbeitenden Ventile des Flüssigkeitsreglers ausfällt.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zei­ gen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Ventils in einem Flüssigkeitsregler gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Grundrißansicht einer Lochplatte zur Be­ nutzung in Verbindung mit dem Flüssigkeitsreg­ ler nach der Erfindung,

Fig. 3 ein schematisches Diagramm eines Brennstoff­ regelsystems für ein Gasturbinentriebwerk, das einen Flüssigkeitsregler gemäß der Erfindung benutzt.

Das in Fig. 1 allgemein mit dem Bezugszeichen (10) be­ zeichnete Ventil weist einen Träger (11) auf, an dem eine Oberfläche (12) eines piezo-elektrischen Kristalls (13) festgelegt ist. Eine Platte (14) liegt im Abstand zu dem Träger (11), und zwar in einer Entfernung a, die gleich der Dicke des piezo-elektrischen Kristalls (13) ist, wenn dieser in Ruhestellung befindlich ist, wie dies durch die strichlierten Linien angedeutet ist.

Die Platte (14) besitzt eine Öffnung (15), die durch die flache Oberseite (16) des piezo-elektrischen Kristalls (13) abgesperrt wird, die der Fläche (12) gegenüber­ liegt. Wenn jedoch eine Potentialdifferenz an den piezo­ elektrischen Kristall (13) über die Leitungen (17, 18) angelegt wird, dann wird der Kristall (13) angespannt und er deformiert sich elastisch, um die Gestalt einzunehmen, die in Fig. 1 in den ausgezogenen Linien dargestellt ist, wobei der Kristall eine Dicke b hat, wodurch die Öffnung (15) freigegeben wird. Es ist demgemäß ersichtlich, daß das Ventil (10) geöffnet oder geschlossen werden kann, je nachdem, ob eine Potentialdifferenz an dem piezo-elektri­ schen Kristall (13) angelegt wird.

Ein weiteres Merkmal des Ventils (10) besteht darin, daß der Abstand zwischen dem piezo-elektrischen Kristall und der Öffnung (15) von der Höhe der Potentialdifferenz ab­ hängt, die am Kristall (13) anliegt, bis zu jener Poten­ tialdifferenz, die dazu führt, daß der Kristall (13) völ­ lig gesättigt und demgemäß vollständig deformiert ist. Infolgedessen führt das Anlegen unterschiedlicher Poten­ tialdifferenzen am piezo-elektrischen Kristall (13) zu entsprechend veränderten Abständen zwischen der Oberflä­ che (16) des Kristalls (13) und der Öffnung (15).

Das Ventil (10) wird in Kombination mit einer Vielzahl gleicher Ventile benutzt. Demgemäß ist die Öffnung (15) eine einer großen Zahl gleicher Öffnungen in der Platte (14), wie aus Fig. 2 ersichtlich ist. Einer jeden dieser Öffnungen ist ein entsprechender Kristall (13) zugeord­ net. Im Betrieb wird die Platte (14) zwischen eine Quelle unter Druck stehenden flüssigen Brennstoffs und ein nicht dargestelltes Gasturbinentriebwerk geschaltet, welches durch jenen Brennstoff gespeist wird. Wenn sämtliche piezo-elektrischen Kristalle (13) im Ruhezustand befind­ lich sind, d. h. wenn keine Potentialdifferenz angelegt ist, dann sind die Öffnungen (15) abgesperrt, und demge­ mäß findet keine Brennstoffströmung nach dem Gasturbinen­ triebwerk statt. Wenn jedoch eine Potentialdifferenz an einige oder alle piezo-elektrischen Kristalle (13) ange­ legt wird, dann wird je nachdem ein Teilstrom oder ein Gesamtstrom des Brennstoffs dem Gasturbinentriebwerk zu­ geführt. Es ist daher ersichtlich, daß ein Flüssigkeits­ regler, der mehrere dieser Ventile (10) umfaßt, eine ge­ eignete Vorrichtung ist, um das Zumessen von Brennstoff nach einem Gasturbinentriebwerk zu bewirken.

Wenn es erforderlich ist, eine noch feinfühligere Steue­ rung der Brennstoffmenge, die dem Triebwerk zugeführt wird, zur Verfügung zu haben, als dies mit dem Flüssig­ keitsregler möglich ist, der nur voll offene oder voll geschlossene Ventile (10) aufweist, dann können unter­ schiedliche Potentialdifferenzen an die Kristalle (13) angelegt werden, um die Abstände zwischen den Kristallen (13) und den Öffnungen (15) zu ändern. Eine solche Verän­ derung im Abstand zwischen den Kristallen (13) und den Öffnungen (15) steuert die Brennstoffströmungsrate durch die Öffnungen (15), und es wird dadurch eine bessere Strömung der Gesamtströmungsrate von Brennstoff durch die Öffnungen (15) möglich.

Die Ventile (10) werden elektronisch durch einen geeigne­ ten Mikroprozessor gesteuert, damit eine annehmbar schnelle Ansprechrate erhalten werden kann. Ein solches Steuersystem (19) ist schematisch in Fig. 3 dargestellt.

Das Steuersystem (19) umfaßt einen Mikroprozessorsteuer­ chip (20), der gemäß einem Eingangssignal eines Detektors (21) arbeitet. Der Detektor (21) liefert ein Ausgangssig­ nal, das repräsentativ ist für die Last, in diesem Fall einem Gasturbinentriebwerk. Der Steuerchip (20) berech­ net, wenn er über die Größe der Triebwerksbelastung in­ formiert wird, die Zahl von Ventilen (10) in einer Matrix (22) von Ventilen (10), die offen sein müssen, um die er­ forderliche Brennstoffströmung nach dem Gasturbinentrieb­ werk zu gewährleisten.

Wenn eine Änderung der Belastung erfolgt, wird dies durch den Detektor (21) festgestellt, und es wird ein geeigne­ tes Signal dem Steuerchip (20) übermittelt, der seiner­ seits die Zahl von Ventilen (10) berechnet, die geöffnet oder geschlossen werden müssen, um eine Änderung der Brennstoffströmung herbeizuführen, die das Gasturbinen­ triebwerk in einer bestimmten bekannten Bezugslage, d. h. bei einer konstanten Drehzahl hält.

Eine Matrix (22) von Ventilen (10) ist insofern anfällig für eine inkorrekte Brennstoffströmung, als beispielswei­ se einige der Ventile (10) blockiert sind oder auf son­ stige Weise die ordnungsgemäße Funktion beeinträchtigt wird. Um solchen Eventualitäten vorzubeugen, sind einige der Ventile (10) in der Matrix (22) normalerweise redun­ dant, d. h. sie sind in Schließstellung festgelegt. Der Steuerchip (20) fragt regelmäßig nacheinander jedes Ven­ til (10) in der Matrix (22) ab, um festzustellen, welches Ventil nicht arbeitet. Falls ein nicht arbeitendes Ventil (10) entdeckt wird, zeichnet der Steuerchip (20) seine Lage auf und gewährleistet, daß kein weiterer Versuch un­ ternommen wird, um dieses Ventil zu betätigen. Statt des­ sen wird ein anderes Ventil (10) der Gruppe redundanter Ventile (10) als Ersatz in den Kreis eingeschaltet. Der Steuerchip (20) hält eine Aufzeichnung sämtlicher nicht funktionierender Ventile (10) aufrecht, so daß dann, wenn sämtliche redundante Ventile (10) in Betrieb gesetzt sind, eine geeignete Anzeige geliefert wird, daß eine Wartung der Ventilmatrix (22) erforderlich ist.

Die Öffnungen (15) brauchen nicht notwendigerweise alle die gleiche Größe zu haben, so daß eine Verminderung der Gesamtzahl der Ventile (10) in einer Matrix (22) erlangt werden kann. Es werden jedoch viele jeder Ventilgröße in solchen Fällen benötigt, damit redundante Ventile (10) in den Arbeitskreis geschaltet werden können, falls ein Ven­ til (10) ausfällt.

Die vorstehende Erfindung wurde in Verbindung mit piezo­ elektrischen Ventilen beschrieben, es ist jedoch klar, daß auch andere Ventiltypen anwendbar sind.

Claims (9)

1. Flüssigkeitsregler mit einem Strömungssteuerorgan, das eine Anordnung von Ventilen enthält, die par­ allel zueinander arbeiten, wobei jedes Ventil indi­ viduell zwischen einer vollen Öffnungsstellung und einer vollen Schließstellung beweglich ist, und mit Steuermitteln, die das Öffnen und Schließen der Ventile gemäß einer gewünschten Strömung durch den Flüssigkeitsregler bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der Ventile (10) normalerweise redundant sind, aber durch das Steuerorgan (19) selektiv wirksam werden, wenn irgendein anderes Betriebsven­ til (10) des Flüssigkeitsreglers ausfällt.

2. Flüssigkeitsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerorgan (19) regelmäßig jedes Ventil (10) abfragt, um fest­ zustellen, ob es ordnungsgemäß arbeitet, und daß dann, wenn irgendein Ventil (10) nicht mehr richtig arbeitet, kein weiterer Versuch unternommen wird, dieses Ventil zu betätigen.

3. Flüssigkeitsregler nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß jedes der Ventile (10) ein Organ (14) mit einer Öffnung (15) aufweist, durch die eine Flüssigkeit hindurch­ treten kann, und daß ein piezo-elektrischer Kristall (13) und Mittel (17, 18) vorgesehen sind, um eine Potentialdifferenz über dem Kristall (13) gemäß dem Ausgang der Steuereinrichtung (10) anzulegen, um eine Deformation des Kristalls zu bewirken, und daß der piezo-elektrische Kristall (13) gegenüber der Öffnung (15) so angeordnet ist, daß die Öffnung (15) gemäß der Deformation des Kristalls selektiv abgesperrt und freigegeben wird.

4. Flüssigkeitsregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der piezo-elek­ trische Kristall (13) die Öffnung (15) absperrt, wenn er nicht deformiert ist, und daß der Kristall unter dem Einfluß einer Potentialdifferenz derart defor­ miert wird, daß die Öffnung (15) freigegeben wird.

5. Flüssigkeitsregler nach Anspruch 3 und 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Potentialdifferenz, die über dem piezo-elektrischen Kristall (13) angelegt wird, veränderbar ist, so daß der sich ergebende Deformationsgrad des piezo-elek­ trischen Kristalls entsprechend veränderbar ist.

6. Flüssigkeitsregler nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (10) zum Durchtritt einer Flüssigkeit be­ stimmt ist.

7. Flüssigkeitsregler nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das die Öffnung (15) aufweisende Organ (14) platten­ förmig ausgebildet ist.

8. Flüssigkeitsregler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der piezo-elek­ trische Kristall (13) auf einem Träger (12) gelagert ist, der im Abstand zu der Platte (14) liegt.

9. Flüssigkeitsregler nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß er im Brennstoffregelkreis eines Gas­ turbinentriebwerks eingebaut ist.