NO178839B - Strömningsregulator for opprettholdelse av en stabil strömningsmengde av et fluidum - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en strømningsregulator for opprettholdelse av en stabil strømningsmengde av et fluidum i en strømningskanal, omfattende et strømningspåvirket element som er bevegelig under påvirkning av et trykkfall i fluidumstrømmen, og en strupeventil for regulering av fluidumstrømmen under påvirkning av det nevnte element.

Et typisk anvendelsesområde for en sådan regulator er i forbindelse med hydrauliske pumper for lossing av lastetanker for olje e.l. på f .eks. et tankfartøy, hvor pumpene er koplet til og drives fra en ringledning som transporterer hydraulikkvæske under meget høyt trykk, nærmere bestemt ca. 300 bar (30 000 kPa). Det dreier seg her om pumper med meget stor effekt, av størrel-sesorden megawatt. Foran hver pumpe må det da benyttes en strømningsregulator for å sikre stabil væskeforsyning for drift av pumpene for å hindre at disse "løper løpsk" når de er i ferd med å tømme reservoaret og begynner å suge luft. En sådan situasjon med rusing av pumpen ville føre til ødeleggelse av denne i løpet av meget kort tid.

Det er blitt utviklet forskjellige typer av regulatorer for dette formål, hvor regulatorene altså sørger for at tilførse-len av hydraulikkvæske begrenses eller strupes så snart det inntreffer endringer av driftsbetingelsene som har tendens til at væsketilførselen i strømningskanalen frem til pumpemotoren øker. De kjente typer av strømningsregulatorer er imidlertid beheftet med problemer ved at de er kompliserte og ved at de absorberer en betydelig energimengde ved normale driftsforhold (dvs. ved liten struping av væskestrømmen). Dette er en følge av at det må etableres et betydelig trykkfall over disse kjente regulatorer for å frembringe de krefter som benyttes til å stabilisere gjennomstrømningen. Ved et ledningstrykk på rundt 300 bar kan det eksempelvis dreie seg om et trykkfall på ca. 10 bar for hver regulator. Dette innebærer i .realiteten et energitap av størrelsesorden 30 kw, hvilket fører til en vesentlig oppvarming av oljen, noe som på sin side krever kunstig avkjøling. Det er åpenbart at dette er økonomisk ugunstig samtidig som systemkonstruksjonen kompliseres.

Fra SE 349 356 er det kjent en væskestrømningsreguler-ingsanordning i form av en brennstoff regulator med en strupeventil som er innkoplet i strømningsregulerende forbindelse med en ledning, og en forbiledningsventil som er tilkoplet til den nevnte ledning for opprettholdelse av en konstant verdi av væsketrykkfallet over strupeventilen. Forbiledningsventilen påvirkes av en påvirkningsanordning, og en reguleringsanordning er påvirkbart forbundet med forbiledningsventilen via en anordning for midlertidig begrensning av forbiledningsventilens bevegelse i avhengighet av dens tilhørende påvirkningsanordning. Reguleringsanordningen er virksom i avhengighet av et inngangs-reguleringssignal som er et feilsignal som avledes fra et innstillbart organ og/eller et følerorgan. Denne kjente anordning er vesentlig forskjellig fra den innledningsvis angitte strøm-ningsregulator, idet den ikke omfatter noe strømningspåvirket element som er bevegelig under påvirkning av et trykkfall i fluidumstrømmen, og den kan ikke benyttes som strømningsregulator på det ovenfor omtalte område.

Fra SE 349 158 er det kjent en trykkreguleringsventil for innstilling av en ønsket verdi av trykket i et hydraulisk medium som skal reguleres. Ventilen omfatter et ventillegeme som er aksialt bevegelig i en sylinder. Rommet i sylinderen på ventillegemets frontside står i forbindelse med det hydrauliske medium hvis trykk skal reguleres, og en innstillbar styrekraft virker på ventillegemets bakside. Ventillegemet er langs sin omkrets forsynt med utsparinger som danner forbindelse mellom rommet på legemets frontside og et stabiliseringsrom i sylinderen, idet stabiliseringsrommet via en innstillbar strupeanordning står i forbindelse med en utgangskanal for det hydrauliske medium. Det dreier seg her om en trykkreguleringsventil som har som formål å regulere det aktuelle trykk med meget høy nøyak-tighet, og hvor avvikelser fra det ønskede trykk kompenseres automatisk, og ventilen kan ikke benyttes som strømningsregulator av den innledningsvis angitte type.

Det er således et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en strømningsregulator som kan arbeide med et vesentlig redusert trykkfall i strømningskanalen i forhold til de kjente regulatorer.

Et ytterligere formål er å tilveiebringe en sådan strømningsregulator som gir følsom regulering med kort responstid og glattere respons enn hva som oppnås med regulatorene ifølge den kjente teknikk.

Ovennevnte formål oppnås med en strømningsregulator av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at det strømningspåvirkede element utgjør et styreelement for en servoanordning som omfatter en pilotventil for styring av bevegelsen av en drivanordning som er koplet til et ventillegeme i strupeventilen, og som er innrettet til ved hjelp av servoanordningen å beveges på jevn måte uavhengig av plutselige trykkendringer i fluidumstrømmen, idet styreelementet er innrettet til å beveges i strømningsretningen først når strømningsmengden overskrider et på forhånd valgt nivå.

I strømningsregulatoren ifølge oppfinnelsen fungerer det strømningspåvirkede element som styreelement i en servo-styring av strupeventilen. Ved hjelp av denne teknikk er det oppnådd en effektiv stabilisering av fluidumstrømmen med et meget moderat trykkfall over regulatoren. Man regner med at trykkfallet kan reduseres til ca. 1 bar, dvs. til 1/10 av det trykkfall som kreves i regulatorene ifølge den kjente teknikk. Servostyringen absorberer noe energi, men dette er helt uvesentlig sammenliknet med den energi som går tapt i de eksisterende løsninger.

Strømningsregulatoren ifølge oppfinnelsen utmerker seg ved at den er lite energikrevende under normale driftsbetingel-ser, og at den opprettholder et stabilt strømningsnivå selv om det skjer plutselige endringer i driftsbetingelsene. Ved blant annet å utforme strupeventilen slik at det oppnås en effektiv balansering av de trykkrefter som påvirker ventillegemet i strupeventilen, fungerer strømningskontrollen godt med meget moderat bruk av servo. Ved hjelp av den benyttede teknikk har man således oppnådd å få en meget "glatt" og presis strømningsregule-ring, selv med et fluidumtrykk på inntil 300 bar.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med et utførelseseksempel under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et i lengderetningen, gjennomskåret riss av en strømningsregulator ifølge oppfinnelsen, og fig. 2 og 3 viser forstørrede snittriss av servoanordningen med pilotventilen på fig. 1 i to forskjellige driftsstillinger.

Strømningsregulatoren ifølge oppfinnelsen vil i det følgende bli beskrevet i forbindelse med regulering av en væskestrøm, men det skal understrekes at løsningen er egnet for ethvert fluidum.

Slik det fremgår av fig. 1, omfatter den viste ut-førelse av strømningsregulatoren et legeme 1 som inneholder en strømningskanal 2 og i hvilket regulatorelementene er innbygget som vist ved siden av strømningskanalen. I strømningskanalen 2 er det anordnet en trykkfallsfrembringende anordning i form av en blende (orifice) 3 for frembringelse av en strømningsavhengig kraft for påvirkning av regulatorens strømningspåvirkede element. I den viste utførelse er dette element et stempel 4 som er bevegelig i et sylindrisk hulrom som av stempelet er oppdelt i et første kammer 5 og et andre kammer 6. Det første kammer 5 er forbundet med kanalen 2 via en port 7 oppstrøms av blenden 3, og det andre kammer 6 er forbundet med kanalen 2 via en port 8 nedstrøms av blenden 3. Trykket i kammeret 6 er således redusert i forhold til trykket i kammeret 5 med en verdi som svarer til det over blenden 3 frembrakte trykkfall som på sin side er avhengig av strømningsmengden (strømningsnivået) i kanalen 2. Stempelet 4 er således påvirket av en kraft som søker å bevege stempelet i strømningsretningen. Stempelet 4 er imidlertid også påvirket av en passende forspent fjær 9 som motvirker den førstnevnte kraft på stempelet 4, slik at væskestrømmen må overskride et visst nivå før stempelet 4 beveges i strømningsret-ningen. Arrangementet i forbindelse med fjæren 9 skal beskrives nærmere senere.

Regulatoren omfatter en strupeventil 10 for regulering av væskestrømmen i kanalen 2 under påvirkning av stempelet 4, idet dette utgjør et styreelement for en servoanordning 11 for styring av bevegelse av en drivanordning 12 for manøvrering av strupeventilen.

Som vist på fig. 1, er drivanordningen 12 anordnet i det andre kammer 6 og omfatter et stempelhus 13 som er fast montert i legemet 1, og et drivstempel 14 som sammen med stempelhuset avgrenser et tredje kammer 15 på den side av stempelet 14 som vender bort fra strupeventilen 10. Stempelhuset 13 er dannet av et begerformet legeme som er utad åpent på den side av drivstempelet 14 som vender mot strupeventilen 10, slik at stempelet på denne side er påvirket av trykket i det andre kammer 6. På sin motsatte side er stempelet 14 påvirker av kraften fra en passende forspent drivfjær 16 og av trykket fra væske som er tilført til det tredje kammer 15 ved hjelp av servoanordningens 11 pilotventil 17. Stempelet 14 er via en stempelstang 18 fast forbundet med et ventillegeme 19 i strupeventilen 10.

Servoanordningens 11 pilotventil 17 omfatter en på styreelementstempelet 4 anordnet senteraksel 20 bestående av to deler 21, 22 som strekker seg på motsatte sider av stempelet, og en for senterakselen 20 anordnet føringshylse 23 som er forbundet med drivstempelet 14 og strekker seg utenfor det tredje kammer 15 i retning mot stempelet 4. Senterakselen 20 er på sin overflate forsynt med et antall langsgående kanaler 24 som ved sin ene ende står i forbindelse med det andre kammer 6 via første porter 25 gjennom føringshylsens 23 vegg, og som ved sin andre ende kan bringes i forbindelse med det tredje kammer 15 via andre porter 26 i føringshylsens vegg. Videre omfatter senterakselen 20 en tverrgående passasje 27 som kan bringes i forbindelse med føringshylsens 23 andre porter 26 når disse er avstengt fra kanalene 24, og som står i forbindelse med en passasje 28 som strekker seg gjennom senterakselen 20 i dennes lengderetning og står i forbindelse med et utløp 29 for utslipp av væske fra det tredje kammer 15. Dette utløp kan munne ut i det ytre omgivelses-trykk på 1 atmosfære.

Senterakselens 20 langsgående passasje 28 strekker seg som vist gjennom hele senterakselen og munner ut ved motsatte ender av denne, slik at den er trykkbalansert i aksialretningen.

Pilotventilens 17 styrefunksjon består i at den styrer væske til eller fra det tredje kammer 15 på en slik måte at drivstempelet 14 til enhver tid tvinges til å følge styreelement-stempelets 4 og dermed senterakselens 20 bevegelse. Slik det vil innses, beveges drivstempelet 14 i den ene eller den andre retning når den resulterende kraft fra drivfjæren 16 og væske-trykket i det tredje kammer 15 overskrider hhv. underskrider kraftpåvirkningen på stempelet på grunn av trykket i det andre kammer 6.

Ved hjelp av servoanordningen oppnås at drivstempelet 14 beveges på jevn måte selv om det skjer en plutselig trykk-endring i væskestrømmen i kanalen 2, og dermed en plutselig bevegelse av det strømningspåvirkede stempel 4, idet drivstempelet 14 først beveges når kammeret 15 fylles eller tømmes tilstrekkelig til å oppnå det nødvendige differensialtrykk over

stempelet 14.

Pilotventilens funksjonsprinsipp er nærmere vist på fig. 2 og 3 hvor de viste piler indikerer væskestrømmen i servomekanismen. Fig. 2 viser væskestrømmen når stempelet 4 og senterakselen 20 er beveget nedover og kammeret 15 fylles med væske slik at drivstempelet 14 beveges tilsvarende nedover, og fig. 3 viser væskestrømmen når stempelet 4 er beveget oppover og kammeret 15 tømmes for væske slik at drivstempelet 14 beveges tilsvarende oppover.

Som vist på fig. 1, er den øvre del 22 av senterakselen 20 ved utløpet 29 innført i et hulrom 30 i et stengelegeme 31 som på ikke nærmere vist måte er innstillbart i senterakselens lengderetning i legemet 1. Hulrommet 30 har en utløpsåpning 32 som er rettet mot stempelet 4 og som er avgrenset av en krage 33 som er innrettet til å samvirke med et ringformet sete 34 rundt senterakselen. Derved kan utløpet 29 stenges i forbindelse med avstenging av strupeventilen 10, slik som omtalt nedenfor.

Den foran omtalte forspenningsfjær 9 for forhåndsinn-stilling av strømningsnivået gjennom regulatoren er som vist innspent mellom stengelegemets 31 utløpsende og en støttedel 35 ved enden av senterakselen 20, slik at fjærens 9 forspenningskraft reduseres ved bevegelse av stengelegemet 31 i retning mot setet 34.

Regulatorens strupeventil 10 omfatter et hus 36 med et sylindrisk hulrom 37 i hvilket ventillegemet 19 på tettende måte er glidbart anordnet. I den viste utførelse er en tetningsring 38 anordnet mellom ventillegemet 19 og den tilgrensende husvegg. Denne tetningsring kan imidlertid sløyfes ved nøyaktig tilpasning og polering av glideflatene. Hulrommet 37 går over i regulatorens utløpsåpning 39, idet hulrommets nedstrømsende står i forbindelse med strømningskanalen 2 via et antall radiale porter 40 som er symmetrisk anordnet i husets 36 omkretsvegg, og via et ringrom 41 som er anordnet i legemet 1 rundt huset 36.

Ventillegemet 19 er som vist forsynt med gjennomgående, aksiale kanaler 42 for utlikning av trykkforskjellen mellom ventillegemets endeflater. Ved den aksiale bevegelse av ventillegemet oppnås en trinnløs og lite kraftkrevende endring av det effektive strømningstverrsnitt gjennom de radialt anordnede porter 40. Ved fullstendig stenging av strømningsregulatoren presses ventillegemets 19 nedre kant mot et sete 43 i ventilhuset 36. Dette sete er anbrakt i en viss avstand fra portene 40 for å minimalisere trykkeffekter når ventillegemet 19 bevirker en betydelig struping av væskestrømmen.

Regulatorens gjennomstrømning kan innstilles på ønsket nivå ved å etablere en gitt forspenning på fjæren 9. Fjærens forspenning er avhengig av stillingen av stengelegemet 31 som i denne sammenheng også kan betegnes som "kontrollsylinder". Denne kan innstilles ved manuell eller pneumatisk kontroll ifølge kjent teknikk. På fig. 1 er kontrollsylinderen hevet til sin øverste posisjon hvorved regulatoren er innstilt på maksimal gjennom-strømning. Det kan videre antas at væskestrømmen gjennom systemet tilsvarer det innstilte nivå. Kraften som forsøker å presse stempelet 4 nedover, er da like stor og motsatt rettet i forhold til spennkraften fra fjæren 9. I denne situasjon er strupeventillegemet 19 holdt i en stilling som tillater full gjennomstrømning via strupeventilens 10 porter 40.

Dersom de ytre betingelser endrer seg og væskestrømmen begynner å øke, vil stempelet 4 straks bli presset nedover og raskt sørge for at strupeventilen 10 trer i funksjon og derved opprettholder strømningsnivået. En vesentlig egenskap ved den viste utførelse er at stempelet 4 ikke påvirkes av krefter som kan skape ustabilitet i væskereguleringen. Det er således lagt vekt på å utbalansere uønskede trykkef f ekter på senterakselen 20. Alle porter er derfor symmetrisk plassert, og senterakselens gjennomgående passasje 28 sørger som nevnt for å eliminere uønskede aksiale krefter.

Når kontrollsylinderen 31 er innstilt i sin nederste posisjon, ligger kragen 33 tett an mot setet 34, slik at utløpet 29 er stengt. I denne situasjon kan det ikke tappes ut væske fra kammeret 15, og dette fylles gradvis med væske inntil fjæren 16 har presset strupeventillegemet 19 ned mot setet 43, slik at strupeventilen 10 er lukket.

I den viste utførelse er ventillegemet 19 anbrakt på innsiden av portene 40 i ventilhuset 36. I en alternativ utførelse (ikke vist) kan ventillegemet være anbrakt på utsiden av portene, men dette ville medføre en uønsket dimensjonsøkning av de bevegelige deler. Man kan også tenke seg å anbringe det strømningspåvirkede stempel 4 i væskestrømmen i strømningskana-len, og derved unngå den spesielle trykkfallsfrembringende anordning 3. Det har imidlertid vist seg at dette gir en noe dårligere stabilitet.

Claims (10)

1. Strømningsregulator for opprettholdelse av en stabil strømningsmengde av et fluidum i en strømningskanal (2), omfattende et strømningspåvirket element (4) som er bevegelig under påvirkning av et trykkfall i fluidumstrømmen, og en strupeventil (10) for regulering av fluidumstrømmen under påvirkning av det nevnte element (4), KARAKTERISERT VED at det strømningspåvirkede element (4) utgjør et styreelement for en servoanordning (11) som omfatter en pilotventil (17) for styring av bevegelsen av en drivanordning (12) som er koplet til et ventillegeme (19) i strupeventilen (10), og som er innrettet til ved hjelp av servoanordningen (11) å beveges på jevn måte uavhengig av plutselige trykkendringer i fluidumstrømmen, idet styreelementet (4) er innrettet til å beveges i strømningsretnin-gen først når strømningsmengden overskrider et på forhånd valgt nivå.

2. Strømningsregulator ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at styreelementet (4) er påvirket av en forspent fjær (9> som virker i motsatt retning av strømningsretningen, og hvis forspenningskraft er regulerbar for innstilling av det på forhånd valgte strømningsnivå.

3. Strømningsregulator ifølge krav 1 eller. 2, KARAKTERISERT VED at styreelementet (4) er et stempel som danner et skille mellom et første kammer (5) som er forbundet med strømningskana-len (2) oppstrøms av en trykkfallsblende (3) i kanalen, og et andre kammer (6) som er forbundet med kanalen (2) på blendens (3) nedstrømsside, og at drivanordningen (12) er anordnet i det andre kammer (6) og omfatter et stempelhus (13) og et drivstempel (14) som sammen avgrenser et tredje kammer (15) på den side av stempelet (14) som vender bort fra strupeventilen (10), idet det tredje kammer (15) ved hjelp av pilotventilen (17) er innrettet til å fylles med fluidum fra det andre kammer (6) eller tømmes for fluidum i avhengighet av styreelementets (4) bevegelse, idet drivstempelet (14) på den side som vender mot strupeventilen (10) er påvirket av trykket i det andre kammer (6), og på den motsatte side er påvirket av kraften fra en forspent drivfjær (16) og av trykket fra fluidum som er tilført til det tredje kammer (15), slik at drivstempelet (14) beveges når den resulterende kraft fra drivfjæren (16) og fluidumtrykket i det tredje kammer (15) overskrider hhv. underskrider kraftpåvirkningen fra trykket i det andre kammer (6).

4. Strømningsregulator ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at pilotventilen (17) omfatter en på styreelementstempelet (4) anordnet senteraksel (20) og en for senterakselen anordnet føringshylse (23) som er forbundet med drivstempelet (14) og strekker seg utenfor det tredje kammer (15), idet senterakselen (20) på sin overflate er forsynt med et antall langsgående kanaler (24) som ved sin ene ende står i forbindelse med det andre kammer (6) via første porter (25) gjennom føringshylsens (23) vegg, og som ved sin andre ende kan bringes i forbindelse med det tredje kammer (15) via andre porter (26) i føringshylsens (23) vegg, og idet senterakselen (20) videre omfatter en tverrgående passasje (27) som kan bringes i forbindelse med føringshylsens (23) andre porter (26) når disse er avstengt fra kanalene (24), og som står i forbindelse med en passasje (28) som strekker seg gjennom senterakselen (20) i dennes lengderetning og står i forbindelse med et utløp (29) for utslipp-.: av fluidum fra det tredje kammer (15).

5. Strømningsregulator ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at senterakselens (20) langsgående passasje (28) strekker seg gjennom hele senterakselen (20) og munner ut ved motsatte ender av denne, slik at den er trykkbalansert i aksialretningen.

6. Strømningsregulator ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at senterakselens (20) ende ved det nevnte utløp (29) er innført i et hulrom (30) i et stengelegeme (31) som er innstillbart i senterakselens (20) lengderetning, idet hulrommet (30) har en utløpsåpning (32) som er rettet mot styreelementstempelet (4) og er innrettet til å samvirke med et sete (34) for å stenge utløpet (29) for å bevirke stenging av strupeventilen (10).

7. Strømningsregulator ifølge krav 2 og 6, KARAKTERISERT VED at forspenningsfjæren (9) er innspent mellom stengelegemets (31) utløpsende og en støttedel (35) ved enden av senterakselen (20), slik at fjærens (9) forspenningskraft reduseres ved bevegelse av stengelegemet (31) i retning mot det nevnte sete (34).

8. Strømningsregulator ifølge ett av kravene 3-7, KARAKTERISERT VED at drivanordningens (12) drivstempel (14) via en stempelstang (18) er direkte forbundet med strupeventilens (10) ventillegeme (19).

9. Strømningsregulator ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at strupeventilen (10) omfatter et hus (36) med et sylindrisk hulrom (37) i hvilket ventillegemet (19) er glidbart anordnet og som går over i regulatorens utløpsåpning (39), idet hulrommets (37) nedstrømsende står i forbindelse med den nevnte strømningskanal (2) via et antall radiale porter (40) som er symmetrisk anordnet i husets (36) omkretsvegg.

10. Strømningsregulator ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at strupeventilens (10) ventillegeme (19) er forsynt med gjennomgående, aksiale kanaler (42) for utlikning av trykkforskjellen mellom ventillegemets (19) endeflater.