DE60209695T2

DE60209695T2 - Präzisionvorrichtung zur Durchflussregelung mit mehreren Verschlusselementen

Info

Publication number: DE60209695T2
Application number: DE60209695T
Authority: DE
Inventors: Christophe Promper; Thomas Badinand
Original assignee: Techspace Aero SA
Current assignee: Safran Aero Boosters SA
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2022-12-21
Also published as: EP1431634A1; DE60209695D1; EP1431634B1; US20040129911A1; US7083159B2

Description

Gegenstand der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klasse von Vorrichtungen wie Regelventile für die proportionale Durchflusskontrolle.
Das Wort „Durchfluss" bezieht sich auf ein materielles Fluid, wie zum Beispiel im Falle eines Ventils, das den Durchfluss von Flüssigkeiten oder Gasen kontrolliert.
Ein Beispiel für einen Anwendungsbereich ist der Bereich der Präzisionsregelventile in der Luftfahrt.
Stand der Technik
Es gibt Proportionalregelventile mit einem Motor oder Stellorgan, der oder das ein einfaches Absperrmittel vom Typ Absperrschieber, Drosselklappe, Gitter usw. steuert.
Das Dokument US-A-5,417,083 beschreibt zum Beispiel ein verstellbares Durchflussventil, das für den Einbau in eine Leitung, die ein Fluid führt, entwickelt wurde. Es umfasst eine unbewegliche Scheibe und eine bewegliche Scheibe, um den Fluss durch das Ventil zu kontrollieren. Die unbewegliche Scheibe und die bewegliche Scheibe verfügen jeweils über eine erste und eine zweite Gruppe von Schlitzen. Diese Schlitze haben vorzugsweise die gleiche Größe und Form. Die bewegliche Scheibe ist drehbar an das Drosselgerät gekoppelt auf einer Ebene, die parallel zu der Ebene der unbeweglichen Scheibe und senkrecht zum Durchfluss ist. Ein Schrittmotor ist über einen Linearsteller an die unbewegliche Scheibe gekoppelt. Die Bewegung des Linearstellers bewirkt die Drehung der beweglichen Scheibe im Verhältnis zur unbeweglichen Scheibe, so dass die Schlitze der beweglichen Scheibe selektiv mit den Schlitzen der unbeweglichen Scheibe in und ohne Übereinstimmung gebracht werden können.
Die absolute Präzision der Absperrung wird direkt erreicht durch die Verbindung:

– der „Präzision", gekennzeichnet durch die Reproduzierbarkeit einer Bewegung, die Auflösung oder die kleinstmögliche Bewegung, die Hysteresis oder das mechanische Spiel in dem System usw. des Stellorgans oder Triebsystems der beschriebenen Vorrichtung und
– der Präzision in Bezug auf die Merkmale des verwendeten Absperrmittels: die Linearität oder die Entwicklung des Festigkeitsmerkmals, wie Druckabfall bei einem Ventil usw., der Absperrvorrichtung in Bezug auf ihre Verstellung, die Reproduzierbarkeit dieses Festigkeitsmerkmals, das mechanische Spiel der Übertragung usw.

Bei den bestehenden Proportionalventilen stellt man also fest, dass die Notwendigkeit einer sehr hohen Präzision der Absperrvorrichtung die Notwendigkeit einer sehr hohen Präzision bei der Realisierung der kritischen Bestandteile dieser Ventile mit sich bringt, was sich als sehr kostspielig erweist.
Ziel der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung soll eine Lösung geboten werden, die es ermöglicht, die Nachteile des aktuellen Stands der Technik zu überwinden.
Ziel dieser Erfindung ist es insbesondere, eine sehr präzise und günstige Vorrichtung zur Durchflusskontrolle zu schaffen, die nicht die Realisierung von Hochpräzisionsteilen verlangt.
Wesentliche Merkmale der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Absperrvorrichtung für die Präzisionskontrolle eines materiellen Flusses, zum Beispiel flüssig oder gasförmig, die mindestens ein Absperrorgan in einem Abschnitt des Flussdurchlaufs umfasst, dessen Bewegung proportional zu der eines Stellorgans ist, das ihn steuert, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Vorrichtung mindestens zwei Absperrorgane umfasst, die von dem Stellorgan über ein Getriebe, das es ermöglicht, für die Bewegung der besagten Organe leicht unterschiedliche Proportionalitätskoeffizienten zu erhalten, gesteuert werden.
Gemäß einer ersten bevorzugten Umsetzungsform der Erfindung weist jedes der besagten Absperrorgane eine drehende Bewegung auf, die von einer Antriebswelle, manuell, elektrisch oder anders gesteuert wird, das es ermöglicht, die Bewegung der besagten Welle mit leicht unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen, vorzugsweise Untersetzungsverhältnissen, auf sie zu übertragen.
Bei dem besagten Getriebe handelt es sich vorzugsweise um einen Zahnrad-, Rollen- oder Kettentrieb.
Die Vorrichtung der Erfindung besteht vorzugsweise aus einem Gitterabsperrorgan, bei dem jedes der oben genannten Absperrorgane über seinen eigenen Durchflussbereich oder eine eigene Öffnung in Form eines Rings mit gleicher Achse verfügt, innen und außen mit Speichen versehen. Die Öffnung ist auf einen Winkel α begrenzt, der kleiner oder gleich 2Π ist, vorzugsweise kleiner oder gleich Π.
Gemäß einer anderen bevorzugten Umsetzungsform weisen die beiden Absperrorgane eine lineare Bewegung auf und sind vorzugsweise Sperrschieber.
Im Falle von zwei drehenden Absperrvorrichtungen oder bei Absperrorganen mit linearer Bewegung kann die Antriebswelle mit zwei verbundenen Zahnrädern ausgestattet sein. Im Falle von zwei drehenden Absperrmitteln, die durch eine Linearbewegung verstellt werden, kann die Antriebswelle auch mit einer doppelten Zahnstange ausgestattet sein.
Ein anderer Aspekt der Erfindung liegt in der Verwendung einer Absperrvorrichtung wie oben beschrieben in einem Hochpräzisionsregelventil, zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrt.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
1 zeigt ein Beispiel einer einfachen Absperrvorrichtung mit einem Durchflussbereich in Form eines Teilrings mit einem oder mit mehreren Löchern, je nach Stand der Technik.
2 stellt ein Absperrmittel mit zwei Organen dar, die jeweils einen Durchflussbereich in Form eines Teilrings aufweisen, gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Darstellung des Absperrmittels mit zwei Organen der 2, bei dem die besagten Organe von einem Zahnradtrieb angetrieben werden.
Beschreibung einer bevorzugten Umsetzungsform der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend beschrieben, indem auf einen besonderen Fall des Stands der Technik hingewiesen wird, der in 1 dargestellt wird und aus einem einfachen drehenden Absperrmittel 1 besteht, dessen Durchflussbereich 3 die Form eines Rings hat, mit einer Achse 2 und einer Öffnung α (z.B.: α = Π).
Die von der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Vorrichtung umfasst:

1. ein mechanisches Stellglied,
2. ein Absperrmittel mit zwei Organen, 01 und 02, die sich
– proportional zur Bewegung des Stellorgans,
– mit leicht unterschiedlichen Proportionalitätskoeffizienten bewegen,
3. eine mechanische Übersetzung, die es ermöglicht, die Bewegung des Stellorgans mit leicht unterschiedlichen Untersetzungsverhältnissen zu übertragen.

Das Funktionsprinzip kann durch das nachfolgende Beispiel, das sich, wie oben erklärt, auf drehende Absperrmittel mit einem Durchflussbereich im Form eines Teilrings mit einem Winkel α bezieht, dargelegt werden:
Es sei:

– δθ_m eine schrittweise Verschiebung des drehenden Stellorgans,
– i₁ das Übersetzungsverhältnis zwischen der Welle des Stellorgans und dem Absperrmittel 01 (siehe 2),
– i₂ das Übersetzungsverhältnis zwischen der Welle des Stellorgans und dem Absperrmittel 02,
– ε = i₂ – i₁ (ε << 1),
– δθ₁ = i₁·δθ_m, die schrittweise Verschiebung des Absperrmittels 01, die sich aus der Bewegung δθ_m des Stellorgans ergibt,
– δθ₂ = i₂·δθ_m, die schrittweise Verschiebung des Absperrmittels 02, die sich aus der Bewegung δθ_m des Stellorgans ergibt,
– S1 die Durchgangsfläche des Absperrmittels 01,
– S2 die Durchgangsfläche des Absperrmittels 02,
– die Form der Absperrmittel, zum Beispiel ein Kreis mit Öffnung α (Radianten), einem Innenradius r_innen und einem Außenradius r_außen, die für beide Absperrmittel gleich sind, S1 = S2 = S = α·(r_außen ² – r_innen ²)/2(0 < α 2Π),
– ein Ventil mit den oben beschriebenen Bestandteilen, dessen Ausgangsbedingungen wie folgt lauten: θ_m = θ₁ = θ₂ = 0.

Dann:

– erhält man für eine schrittweise Verschiebung δθ_m der Welle des Stellorgans eine relative Bewegung der Absperrmittel, die δθ = i₂·δθ_m – i₁·δθ_m = ε·δθ_m entspricht;
– erhält man die Anpassung des effektiven Durchlaufquerschnitts: δS = δθ·((r_außen ² – r_innen ²)/2 = ε·[(δ θ_m·((r_außen ² – r_innen ²)/2)] = ε·δθ_m·S/α; Dieses Verhältnis zeigt, dass, wenn ε gering ist, eine erhebliche Bewegung der Antriebswelle zu einer geringen Anpassung des Durchgangsquerschnitts S führt. Wenn zum Beispiel α = β und ε = 0,01, dann führt die Bewegung der Antriebswelle mit einer Amplitude Π (eine halbe Runde) zu einer Anpassung von 0,01·ΠS/Π, das heißt 1% des Durchgangsquerschnitts;
– beendet das Absperrmittel 01 eine Umdrehung nach i (= i₁) Umdrehungen der Antriebswelle;
– beendet das Absperrmittel 02 eine Umdrehung nach (i + ε) Umdrehungen der Antriebswelle;
– befinden sich die beiden Absperrmittel 01 und 02 wieder in ihren ursprünglichen Positionen nach einer Anzahl Umdrehungen, die i·(i + ε) entspricht, das heißt in der Größenordnung von i₂.

Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann in der Praxis gemäß mehreren bevorzugten Umsetzungsformen vorliegen, je nachdem, ob es sich zum Beispiel um ein drehendes oder lineares Absperrmittel handelt.
Drehbewegung
Die Differentialbewegung kann von klassischen mechanischen Antriebsmitteln ausgeübt werden, wie zum Beispiel durch:

– Getriebe mit leicht unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen; bei diesen Getrieben kann es sich um alle möglichen Getriebetypen handeln, die der Fachmann kennt, wie zum Beispiel um Stirnradgetriebe mit rechtssteigender Verzahnung oder Schrägverzahnung, um einen Zahnkranz oder Schneckenkranz, um Hypoidrad usw.,
– Rollengetriebe,
– Kettengetriebe.

3 ist eine schematische Darstellung eines drehenden Absperrmittels in einem Ventil 5, dessen Differentialbewegung der beiden Bestandteile 01, 02 mittels eines Zahnradgetriebes 4 zwischen dem Motor (Stellorgan) 6 und dem Absperrmittel 1 realisiert wird.
Lineare Bewegung
Das gleiche Prinzip kann für lineare Absperrmittel (Sperrschieber) angewandt werden.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung bietet den Vorteil, dass sie eine sehr hohe Präzision im offenen Regelkreis bietet, ohne dabei eine hohe Präzision der einzelnen Teile zu verlangen.

Claims

Absperrvorrichtung für die Präzisionskontrolle eines Materialflusses, zum Beispiel flüssig oder gasförmig, die mindestens ein Absperrorgan (1) eines Abschnitts (3) des Flussdurchlaufs umfasst, dessen Bewegung proportional zu der eines Stellorgans (6) ist, das ihn steuert, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Vorrichtung mindestens zwei Absperrorgane (01, 02) umfasst, die von dem Stellorgan (6) anhand eines Getriebes (4), das es ermöglicht, für die Bewegung der besagten Organe leicht unterschiedliche Proportionalitätskoeffizienten zu erhalten, gesteuert werden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Absperrorgane (01, 02) jeweils eine drehende Bewegung aufweisen, die von einer Antriebswelle (6) anhand eines Getriebes (4) gesteuert wird, das es ermöglicht, die Bewegung der besagten Welle mit leicht unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen, vorzugsweise Untersetzungsverhältnissen, auf die Organe zu übertragen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte Getriebe (4) ein Zahnrad-, Rollen- oder Kettengetriebe ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem Gitterabsperrorgan (1) besteht, bei der jedes der oben genannten Absperrorgane (01, 02) über einen eigenen Durchflussbereich oder eine eigene Öffnung (3) in Form eines Rings mit gleicher Achse (2) verfügt, innen und außen mit Speichen versehen. Die Öffnung ist auf einen Winkel α begrenzt, der kleiner oder gleich 2π ist, vorzugsweise kleiner oder gleich π.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Absperrorgane (01, 02) eine lineare Bewegung aufweisen, vorzugsweise Sperrschieber sind.
Verwendung einer Absperrvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem Hochdruckregelventil, zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrt.