DE2449412A1

DE2449412A1 - Elektrisch gesteuerte hydraulische pumpe mit sicherung gegen zu hohen durchfluss und gegen ueberdruck

Info

Publication number: DE2449412A1
Application number: DE19742449412
Authority: DE
Inventors: John Clayton Richards
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-10-19
Filing date: 1974-10-17
Publication date: 1975-04-30
Also published as: FR2248429B1; JPS5078903A; IT1022946B; BE821254A; CA1013236A; FR2248429A1

Description

Dr. rer. not. Horst Schuler PATENTANWALT

6 Frunkfurt/Main 1, 16. Oktober 1974 Niddastraße 52 WK/Kö

Telefon (0611) 237220 Telex: 04-16759 mapat d Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt/M.

Bankkonto: 225/0389 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

2895-13DV-5922

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N. Y. / USA

Elektrisch gesteuerte hydraulische Pumpe mit Sicherung gegen zu hohen Durchfluß und gegen Überdruck

Die Erfindung betrifft allgemein hydraulische Pumpen, insbesondere eine elektrisch gesteuerte hydraulische Pumpe mit Strömungsbegrenzung und Druckbegrenzung. , ·

Hydraulische Steuerungen und Stellglieder werden in der Industrie häufig angewendet und haben sich im Laufe der Jahre als sehr wirksam erwiesen. Beispielsweise werden hydraulische Stellglieder in modernen Gasturbinentriebwerken ver-

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wendet. um don Auslaßquerschnitt einer Auslaßdüse mit variablem Querschnitt zu steuern. In solchen Anwendungsfällen müssen die hydraulischen Stellglieder in der Lage sein, sehr große Kräfte zu überwinden, welche durch den Druck auf die Klappen der Auslaß- oder Abgasdüse ausgeübt werden. Die Stellglieder müssen außerdem eine schnelle Ansprechzeit besitzen und müssen in hohem Maße zuverlässig sein. Das hydraulische Antriebssystem, welches die hydraulischen Stellglieder .steuert muß daher in der La_v ^rje sein, diese erwünschten Eigenschaften zu orgeben.

Bei hydraulischen Hochleistungssystemen, wie sie beispielsweise für das Abgassystem eines Gasturbinentriebwerkes benötigt werden, wurde bereits seit längerer Zeit erkannt, daß die direkte Strömungssteuerung der hydraulischen Pumpe das wirksamste Verfahren zur Erzeugung der notwendigen hydraulischen Leistung darstellt. Vienn man jedoch ein Strömungssteuerungssystera mit Stellgliedern verwendet, die Anschläge besitzen, dann wird beim Eingriff mit diesen Anschlägen bei fortbestehender Anforderung eines Pumpstromes die Möglichkeit bestehen, daß der Auslaßdruck der Pumpe auf einen Wert ansteigt, der zu Zerstörungen führen kann. Jedes direkte Steuersystem für eine Strömung muß daher Möglichkeiten zur Sicherung gegen zu hohen Druck aufweisen. Bekannte Verfahren zur Schaffung dieser Sicherung gegen zu hohen Druck beinhalteten die Verwendung eines Ablaßventils, um den abgegebenen Strom zum Einlaß der Pumpe auf einem Umleitungsweg zurückzuführen, wenn der maximale Druck erreicht wird. Unter diesen Bedingungen kann jedoch die Pumpen-Eingangsleistung und damit die Wärmeerzeugung auf dem maximalen Wert verbleiben und hierdurch wird ein sehr großer Kühler für die hydraulische Flüssigkeit und eine sehr große Wärmesenke erforderlich. Dieser bekannte Lösungsweg erweist sich daher als unerwünscht bei Anwendungen für Gasturbinentriebwerke, bei denen das zusätzliche Gewicht durch den großen Kühler und die große Wärmesenke die mögliche Nutz-

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last für ein Luftfahrzeug verringert, das von einem solchen Triebwerk angetrieben wird.

Die gleichen durch Gewichtsbetrachtungen gegebenen Beschränkungen haben auch noch weitere Anforderungen für die hydraulischen Stellgliedsysteme ergeben. Das System muß kompakt sein und ein geringes Gewicht besitzen und muß leicht an dem Außengehäuse des Triebwerkes befestigt werden können. Diese Anforderungen haben zur Notwendigkeit- einer elektrischen Steuerung der hydraulischen Pumpe infolge der Tatsache geführt, daß die elektrische Ausführung von Funktionen für die Steuerlogik und die Berechnung in einer Einheit mit sehr geringem Gewicht und geringem Raumbedarf erreicht werden kann Die Notwendigkeit für die elektrische Ausführung der Funktionen für die Steuerlogik und die Berechnung wurde noch weiterhin gesteigert infolge der komplizierteren Anforderungen an die Steuerung, wie sie durch die fortgeschritteneren modernen Gasturbinentriebwerke geschaffen werden.

Vorbekannte Lösungswege für das Problem der elektrischen Steuerung des Pumpenstroms enthielten eine Erfassung der Lage einer Steuerscheibenplatte (cam plate) durch Meßfühler mit einem elektrischen i'/andler und eine Verwendung dieses Signals für die elektrische Steuerung zur Erzeugung eines Signals zur Änderung der Strömung der Pumpe. In anderen Systemen ist eine Strömungssteuerung durch eine getrennte elektro-hydroiaecuanische Steuereinheit vorgesehen, die eine mechanische Eingangsgröße auf die Steuerscheibenplatte der Pumpe liefert. Jedes dieser Systeme brachte jedoch die Notwendigkeit der Verwendung zusätzlicher Bauteile für die erforderlichen weiteren Servoschleifen und für die Steuerung zwischen der elektrischen Steuerung und der hydraulischen Pumpe mit sich und hierdurch wurde die Kompliziertheit und das Gewicht des hydraulischen Steuersystems vergrößert.

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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein hydraulisches Steuersystem mit einer hydraulischen Pumpe zu schaffen, deren Ausgangswerte unmittelbar elektrisch gesteuert werden können. ¥eiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine solche, elektrisch gesteuerte Pumpe zu schaffen, die eine unmittelbare Strömungssteuerung der hydraulischen Pumpe verwendet, um die notwendige hydraulische Leistung zu erhalten. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche hydraulische Pumpe mit Überdruckregelung zu schaffen.

Zusammengefaßt werden diese und ähnliche Aufgaben gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, daß ein hydraulisches Steuersystem vorgesehen wird, das ein Pumpelement mit einem axialen Kolben und eine Kurvenplatte mit variablem Winkel zur Regelung des Kolbenhubs enthält. Die Strömungssteuerung'dieser Pumpe wird mittels eines integralen elektrohydraulischen Servoventils bewirkt, daß eine mechanische Strömungsrückkopplung und einen Konstantdruckregler enthält, welcher die durch die Steuerung angeforderte Strömungsmenge aufhebt (override), wenn der maximale Auslaßdruck erreicht wird. Die Strömungssteuerung proportional zum Einlaßstrom wird mit Hilfe eines einstufigen elektrohydraulischen Servoventils mit Strahlrohr ausgeführt.

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsfortn in Zusammenhang mit der Abbildung, die eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen hydraulischen Steuersystems enthält.

Es wird nachstehend auf die Abbildungen Bezug genommen. Das erfindungsgemäße Steuerungssystem (Regelsystem) enthält eine geeignete Quelle für hydraulische Flüssigkeit-, beispielsweise einen ülvorratstank 10, eine hydraulische Pumpe 12 und eine Vielzahl von hydraulischen Stellgliedern Ik, von denen nur ein Stellglied abgebildet ist. Das Steuer-

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system enthält auch noch eine elektrische Steuerung, die im vorliegenden Fall die Form einer Temperatursteuerung für das Nachbrennergebläse besitzt. In dem vorliegenden System wird das hydraulische Stellglied lk zur Lageeinstellung einer der Steuerklappen 18 für den Auslaßquerschnitt benutzt, von denen eine Vielzahl vorhanden ist und die den effektiven Auslaßquerschnitt 20 eines Gasturbinentriebwerkes steuern, von dem ein Teil bei 22 gezeigt ist. Die hydraulischen Stellglieder lk steuern die Lageeinstellung der Ivlappen l8 für die Abgasdüse mit Hilfe eines geeigneten mechanischen Verbindungsgestänges, das schßmatisch bei 2k dargestellt ist.

Wie für den Fachmann auf dem Gebiet der Gasturbinen be-.kannt. müssen die hydraulischen Stellglieder lk in der Lage sein, eine starke-Kraft auszuüben, um die Druckkräfte zu überwinden, welche auf die Klappen 18 der Abgasdüse während des Betriebes des Triebwerkes ausgeübt werden. Weiterhin müssen die hydraulischen Stellglieder lk in beiden , Richtungen entweder zum Öffnen oder zum Schließen des Auslaiiquerschnittes 20 schnell ansprechen, können. Um diese erwünschten Funktionen zu erreichen, enthält das hydraulische System die verbesserte hydraulische Pumpe 12, welche auf die Eingangssignale, die von der Temperatursteuerung l6 für das Naclibrennergebläse erzeugt werden, mit einer Zulieferung von hydraulischer Flüssigkeit zum Stellglied Ik anspricht. Bei den meisten Anwendungsarten des Systems wird dabei mehr als ein Stellglied lk verwendet* In der Abbildung ist nur ein einziges Stellglied lA und eine einzige hydraulische Pumpe 12 dargestellt. Es ist jedoch für den Fachmann leicht ersichtlich, daß die hydraulische Pumpe zur Einstellung der Lage einer Anzahl von Stellgliedern lk mit Hilfe eines geeigneten Verteilerkopfes benutzt werden kann» Weiterhin kann es in bestimmten Anwendungsfällen erwünscht sein, "eine Vielzahl von

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Stollgliedern l'l und mehr als eine hydraulische Pumpe JIi vorzusehen. Die nachstehende Beschreibung bezieht sich daher nur auf einen möglichen Anwendungsfall des Systems •und soll keine Beschränkung beinhalten.

Jedes der hydraulischen Stellglieder lk enthält ein zylindrisches Gehäuse 26, das einen hydraulischen Kolben LIo aufnimmt und mit diesem zusammen die Kopfkammer 30 (head chamber) und die Kolbenstangenkammer 32 (rod chamber) definiert. Der Kolben 28 enthält eine Kolbenstange "}h. die sich durch das Gehäuse 26 erstreckt und in bekannter Weise mit. dem mechanischen Übertragungsgestänge 2'i verbunden ist. Das Stellglied lh ist mit Hilfe eines llaltebiigels 36 an einem beliebigen Teil der Struktur befestigt. Weiterhin ist gemäß der Abbildung die Kopfkammer 30 strömungsniäßig über eine Leitung 3Ö mit der hydraulischen Puiirpe 12 gekoppelt und die Kolbenstangenkainmer yi ist in ähnlicher Weise durch eine Leitung ''iO mit der hydraulischen Pumpe gekoppelt.

Unter Bezugnahme auf die Abbildung erfolgt nachstehend eine Erörterung der Einzelheiten der hydraulischen Pumpe 12. Die Pumpe 12 enthält ein rotierbares Pumpenelement 42, das aus einem zylindrischen ßlock hh besteht, der drehbar im Innern einer ^zylindrisehen Öffnung hG angeordnet ist. Der drehbare Block hh enthält eine Vielzahl von zylindrischen Kammern hu, die sich über die axiale Länge des EJlocks hh erstrecken und innerhalb des Umfanges des Blockes mit gleichem Abstand angeordnet sind. Jede der Kammern hQ nimmt einen Gleitkolben 50 auf, der mit Hilfe eines sphärischen Kugelgelenkes 5h in Kontakt mit einer variablen Kurvenplatte oder Steuerplatte 52 ist. Das Kugelgelenk 5h gleitet dabei auf der variablen Steuerplatte 52. Jedes der Kugelgelenke 5h enthält eine sphärische Lagerhülse 56, die so eingerichtet ist, daß sie in eine Lagerplatte 58 hineinpaßt, welche in Kontakt mit derselben an der variablen

Steuerplatte 52 anliegt. Die tatsächliche Anzahl der Kammern 48 ist abhängig von den für eine bestimmte Konstruktion-gestellten Forderungen und von den Abmessungen der Pumpe 12.

Jeder Gleitkolben 50 arbeitet mit der jeweiligen Gleitkammer 48 zusammen und bildet mit derselben eine hydraulische Pumpenkammer, von denen die Kammer 60 und die Kammer 62 in der Abbildung wiedergegeben sind. Dieliydraulischen Pumpenkammern 60 und 62 sind strömungsmäßig an nierenförmige Öffnungen 64 und 66 gekoppelt, die in einer Gehäuseendplatte an. einem Ende der zylindrischen Kammer 46 gebildet sind. Weiterhin sind die Öffnungen 64 und 66 noch mit Hilfe von Kanälen 68 bzw. 70 an Leitungen 38 bzw. 40 gekoppelt.

Das Pumpelement 42 wird mit Hilfe einer Antriebs-welle 72 angetrieben, welche durch die Mitte des rotierenden Blocks 44 verläuft und mit Hilfe einer Antriebskerbverzahnung diesem Block 44 eine Drehbewegung vermittelt. Die Antriebswelle 72 ist durch Lager 76 gelagert und der Antriebswelle 72 wird über ein Zahnrad 78 mit Hilfe einer nicht gezeigten Kraftquelle Antriebsleistung zugeführt; die letztere kann ein Getriebe sein, welches durch das Gasturbinentriebwerk angetrieben wird.

Die hydraulische-Pumpe 12 wird aus einer geeigneten Vorratsquelle über ein ZuIeitungsrohr 80 mit hydraulischer Flüssigkeit versorgt, welche in diesem Falle die Form eines ülvorratsbelialters 10 besitzt. Die Flüssigkeit wird zunächst dem hydraulischen Element 82 zur Druckanhebung (boost element) zugeführt, das die Form einer einfachen Flügelradpumpe besitzen kann und die Flüssigkeit auf einen geeigneten Druck bringt, beispielsweise auf etwa 0,56 atü (80 US-Pfund pro Quadjratzoll) . Die unter Druck stehende

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Flüssigkeit wird dann über ein Filterelement ük einem der beiden inneren Kanäle 86 und 88 zugeführt, die zur Versorgung einer Servopumpe 90 bzw. eines Doppelweg-Wahlventils 92 dienen.

Die Servopuiape 90 bringt eine geringe Menge der hydraulischen Flüssigkeit auf einen hohen Druck mit einem Wert von etwa l40 atü (2.000 US-Pfund pro Quadratzoll). Diese in hohem Maße verdichtete Servoflüssigkeit wird dann einem integralen el ektrohydr aulis chen Servoventil 9^t zugeführt, dessen Zweck noch nachstehend erörtert wird.

Das elektrohydraulische Servoventil 9k kann verschiedene Formen annehmen und besteht im vorliegenden Anwendungsfall aus einem Düsenrohr (Strahlrohr) 96, welches die Flüssigkeit einer von beiden Einlaßöffnungen 98 oder loO zuführt. Das Strahlrohr 96 ist mit Hilfe einer kleinen Torsionsschale gehxeltert, welche das Rohr 96 umschließt und ein geringfügiges Schwenken desselben gestattet. Die Einlaßöffnungen 98 und 100 sind strömungsmäßig mit Hilfe von Kanälen IO6 bzw. IO8 mit Steuerkolben 102 bzw. 104 gekoppelt. Die Steuerkolben 102 und 104 wirken auf entgegengesetzte Enden der variablen Steuerscheibenplatte 52 ein, um dieselbe bei Vorhandensein und entsprechend einem Eingangssignal in eine bestimmte Lage einzustellen, wobei das Signal von der Temperatursteuerung l6 für das Nachbrennergebläse erzeugt wird. Das Eingangssignal wird der hydraulischen Pumpe als ein elektrischer Strom mit Hilfe von Leitungen 110 und 112 zugeführt, welche der Spule Il4 einen Impuls zuführen, die der Strahldüse 96 zugeordnet ist. Die Spule Il4 wirkt ihrerseits auf einen Elektromagnet-Stab oder eine Armatur II6, um auf denselben ein Drehmoment auszuüben und dadurch die Lage der Düse des Strahlrohres in einer solchen Weise einzustellen, daß sie den Öffnungen 98 und 100 Servoflüssigkeit zuführt.

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wie bereits zuvor erwähnt, enthält die hydraulische Pumice 12 auch noch eine mechanische Kückkopplungsschleife für die Strömung; im vorliegenden Fall besteht diese aus einer kleinen Blattfeder 1^8, die in irgendeiner gecignc ton ./eise an der variablen Stcucrplattc 5?. befestigt ist, beispielsweise mit Hilfe eines kleinen Lagers 150, das integral oder einstückig i-iit der Steuerplatte 52 ausgebildet ist und eine Nut besitzt, die ein vergrößertes kugelförmiges freies iincle der Blattfeder l40 aufnimmt. Die Blattfeder wird so gegenüber dem Strahlrohr 96 geschwenkt, dafj ein Drehmoment proportional zum Winkel der Steuerplatte 5'.1 auf das Strahlrohr 96 ausgeübt wird, um dem Drehmoment des Drehmomentmotors entgegen zu wirken, der durch die Spule 1'JA und die Armatur 1x6 gebildet ist. Der Strom zum Drehmomentmotor bewirkt daher eine Drehung der Steuerplatte 52 in eine Lage, bei der die Kraft der Blattfeder l48 für die liückkopplung gleich groß ist wie die Kraft des Drehmomentmotors. Daher ist der Winkel der Steuerplatte und damit die Auslaß-Strörrmng eier pumpe proportional dem Eingangsstrom, welcher auf den Leitungen 110 und 112 zugeführt wi r d.

Während des normalen Betriebs des hydraulischen Stellgliedsystems befindet sich das Strahlrohr 96 in einer Null-Lage, in der den öffnungen 9^ und 100 gleiche Mengen der Servoflüssigkeit zugeführt werden und damit gleiche Mengen der Servoflüssigkeit den Steuerkolben 102 und 104 zugeführt werden. Y/enn durch die Temperatursteuerung l6 für das Nachbrennergebläse eine Änderung des Querschnittes der Abgasdüse 20 angefordert wird, dann wird an die Spule Il4 ein elektrisches Signal angelegt und es wird hierdurch bewirkt, daß das Strahlrohr 96 eine größere Menge von Servoflüssigkeit an eine der Öffnungen 9S oder 100 liefert.

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Es sei angenommen, daß die größere r'lüssigkeitsinenge an die Öffnung 100 geliefert wird. Der auf den Steuerkolben 104 wirkende Druck wird dann größer sein als der Druck auf den Kolben 102, und der Kolben 104 wird sich nach links bewegen und dadurch bewirken, daß die variable Steuerplatte 52 die in der Abbildung wiedergegebene Lage einnimmt. In dieser Lage wird dann die Drehmoment-Rückkopplung genau gleich dein Drehmoment des ürehmomentmotors sein und das Strahlrohr wird sich in der Null-Lage befinden.

Wenn die Steuerplatte 52 in dies.er Weise in ihrer Lage eingestellt wird, dannjvrerden die Gleitkolben 50 nach rechts gedrückt (wie in der Abbildung gezeigt), wenn sie sich dem unteren Quadranten der Drehbewegung nähern. Kit der Annäherung an den oberen Quadranten der Drehbewegung, können die Kolben 50 nach links gleiten. Auf diese Weise ändert sich das Volumen der hydraulischen Pumpkammern mit der Drehung des Blocks 44, wobei in den Lagen gemäß der Abbildung das Volumen der Kammer 60 auf seinem Maximum ist und das Volumen der Kammer 62 auf dem Minimum ist.

Die Arbeitsweise des Pumpelementes 42 wird nachstehend aus der Sicht eines Beobachters beschrieben, welcher die Drehbewegung von einem Bezugspunkt am Ende der i/elle 72 entsprechend dem Zahnrad 7^ beobachtet und in Richtung des rotierenden Blocks 44 blickt. Bei der Drehung des Blocks im Uhrzeigersinn bezüglich dieses Betrachtungspunktes wird sich das Volumen der hydraulischen Pumpenkammer 60 bei der Drehung der Kammer 60 von der Stellung 12 Uhr nach 6 Uhr vermindern, während sich das Volumen der Pumpkammer bei der Drehung der Kammer 62 von der Stellung 6 Uhr nach 12 Uhr erhöht. Es sei angenommen, daß sich die nierenförmige Öffnung 64 in dem Segment zwischen 6 Uhr und 12 Uhr befindet und daß sich die nierenförmige Öffnung 66 in dem Segment von 12 Uhr nach 6 Uhr befindet. Die hydraulische Flüssig-

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lceit wird dann der Öffnung 66 aus dem abnehmenden Volumen der Kammer 60 zugeführt und andererseits wird die hydraulische Flüssigkeit der Öffnung 6k aus dem ansteigenden Volumen der Kammer 62 während jeder Umdrehung des Blocks kk zugeführt.

Wenn sich daher variable Steuerplatte 52 in der in der Abbildung gezeigten Lage befindet, dann wird die hydraulische Flüssigkeit mit Hilfe des Pumpelementes k2 und der Öffnung 6k zur Öffnung 66 gepumpt. Der Druck im Innern der Öffnung 66 steigt daher an und der Druck in der öffnung 6k nimmt ab und .daher steigt der Druck in der Kolbenstangenkammer des Stellgliedes lk bezogen auf die Kopfkammer 30 an. Infolge des Druckanstiegs in der Kolbenstangenkammer 32 wird sich der Kolben 28 des Stellgliedes nach links bewegen (wiederum gemäß der Darstellung in der Abbildung) und dadurch den Querschnitt der Abgasdüse 20 des Gasturbinentriebwerkes verändern.

Als ein Teil des Rückkopplungssystems ist die Temperatursteuerung l6 für das Nachbrennergebläse mit einem Rückkopplungssignal für den Querschnitt ausgestattet mit Hilfe einer Leitung II8, die mit einem Meßfühler 120 an einem der Stellglieder l4 verbunden ist. Der Meßfühler 120 kann verschiedenartigste Formen annehmen; es kann beispielsweise ein Stellungswandler sein, welcher dem Kolben 28 des Stellgliedes zugeordnet ist. Mit Hilfe dieses Yiandlers wird der Temperatursteuerung l6 für das Nachbrennergebläse ein Signal aufgeprägt, das den tatsächlichen Querschnitt der Abgasdüse anzeigt. Dieses Rückkopplungssignal wird mit einem Sollwei-tsignal für den Querschnitt verglichen, das von der Temperatursteuerung l6 für das Nachbrennergebläse erzeugt wird, und die Steuerung l6 prägt dann anschließend

dem Servoventil 9^ mit Hilfe der Leitungen 110 und 112 ein neues Eingangssignal auf.

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Es sei angenommen, daß der Ist-Querschnitt mit einem Soll-Querschnitt übereinstimmt. Das Eingangssignal zum Servoventil 9^ würde dann das Servoventil in eine Null-Stellung bringen und dadurch gleiche Mengen von Servoflüssigkeit zu den Einlaßöffnungen 9Ö und 100 leiten. Zu diesem Zeitpunkt wurden sich dann die Steuerkolben 102 und 104 in ihren Nullstellungen bewegen, wodurch dann die variable Steuerplatte 52 senkrecht zu der Antriebswelle 72 steht. Als Folge dieses Vorganges wären dann alle Gleitkolben 50 in der gleichen axialen Lage und wurden daher gleiche Volumen für die Pumpkammern 60 und 62 und alle übrigen nicht sichtbaren Pumpkammern ergeben. Wenn das Pumpelement 42 auf diese V/eise arbeitet, dann arbeitet die hydraulische Pumpe 12 lediglich in der Art einer konventionellen Pumpe mit Konstantdruck. Dies heißt, es wird keine hydraulische Flüssigkeit von der Kopfkammer 30 zur Kolbenstsngenkammer 32 oder umgekehrt gepumpt und die hydraulische Pumpe bewirkt lediglich das Pumpen einer ausreichenden Flüssigkeitsmenge zur Aufrechterhaltung konstanter Dx-ucke im. Innern der Kammern 30 und 32-. Mit anderen V/orten wird die Flüssigkeit über den Kanal 80 dein Zwei_weg-Wahlventil 92 zugeführt und fließt durch die Niederdruckseite des Ventils 92. Hierdurch wird der Druck entweder im Kanal 68 oder im Kanal 70, und zwar jeweils in der Niederdruckseite, auf einem konstanten Minimalwert gehalten, beispielsweise auf etwa 0,56 atü (80 US-Pfund pro Quadratzoll). Die an dem hydraulischen Druckanhebungselement 82 ausströmende Flüssigkeit, die zur Aufrechterhaltung dieses Mindestdruckwertes nicht benötigt wird, fließt einfach durch ein Rückstromventil 122 zurück zum hydraulischen Druckanhebungselement 82 und wird erneut in den Kreislauf eingeführt. Da die Strömungswerte und Druckwerte am Druckanhebungs element 82 niedrig sind, wird der V/ärmeverlust hierdurch auf ein Minimum gebracht und normalerweise

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arbeitet das System in dieser Betriebsart.

Es sei angenommen, daß dem Stellglied l4 keine körperlichen Anschläge zugeordnet sind und daß keine Druckgrenzen besteben. Dann würde sich der Kolben 23 des Stellgliedes so langejnach links bewegen, wie die variable Steuerplatte die Lage gemäß der Abbildung besitzt. Für praktische Anwendungen müssen jedoch für Stellglieder 14 körperliche Anschläge und üruckgrenzen vorgesehen werden. Daher ist die hydraulische Pumpe Vi. mit einem Konstantdruck-Regler 124 ausgestattet, welcher die Anforderung der,Strömung durch die Steuerung aufhebt, wenn ein maximaler Auslaßdruck für die Pumpe erreicht wird.

Der Druckregler 124 enthält einen Kolben 126, der mit Hilfe einer Feder 130 so vorgespannt ist, daß er eine Öffnung oder einen Kanal 120 verschließt. Der Druckregler 124 kann weiterhin einen um den Kolben 126 herum führenden Umleitungskanal 132 besitzen, in dem eine Engstelle 134 angeordnet ist, um den Kolben 126 mit einer Funktion für zeitliche Voreilung (lead time function) auszustatten und hierdurch den Regler 124 zu stabilisieren.

Der Kolben 126 besitzt zwei ungleiche Druckflächen I36 und I3Ö, auf welche die hydraulische Flüssigkeit einwirkt. Die Flächen 136 und I38 sind so bemessen, daß im Zusammenwirken mit der Feder I30"der Kolben 126 den Kanal 128 bis zu einem bestimmten , durch die Konstruktion vorgegebenen Druckwert sperrt. Dann ist der auf die Fläche I36 ausgeübte Druck ausreichend zur Überwindung der kombinierten Kräfte der Feder I30 und des Druckes auf die Fläche I38 und zu einer Bewegung des Kolbens 126 zum Boden der Kammer l"4ö, in der sich der Kolben 126 befindet. Auf diese V/eise kann die Flüssigkeit durch den Kanal I28 und den Kanal 142 zum Steuerkolben 102 strömen.

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Der Druckregler 124 ergibt eine Möglichkeit zur Aufhebung des von dem Servoventil 9^ιΐ für das Strahlrohr erzeugten Signals, wenn der Druck der hydraulischen Flüssigkeit im Innern der KoIbenstangenkammer 32 des Stellgliedes während eines vorübergehenden Betriebszustandes einmal einen bestimmten Wert erreicht. Es sei angenommen, daß sich die Steuerplatte 52 in der Stellung entsprechend der Abbildung befindet und der Kolben 28 des Stellgliedes den Punkt in seinem Bewegungsweg oder Hubweg erreicht hat, der in der AbbiJLdung wiedergegeben ist, und in'Kontakt mit einem nicht gezeigten körperlichen Anschlag gekommen ist, der sich am Stellglied Ik befindet. Normalerweise würde nun der Druck in der Kolbenstangenkammer 32 weiterhin ansteigen, da das Pumpelement 42 weiterhin Flüssigkeit von der Öffnung 64 zur Öffnung 66 pumpt. Wenn jedoch einmal dieser Zustand erreicht ist, dann wird der Druck in dem Kanal 70 ausreichend groß, um einmal den doppelt wirkenden Kolben 92 in die in der Abbildung gezeigte Stellung zu.verschieben und die auf den Kolben I26 wirkenden Federkräfte zu überwinden. Mit dem Erreichen des durch die Konstruktion festgelegten Maximaldrucks wird sich der Kolben 126 zum Boden der Kammer l40 bewegen und dadurch eine Strömung vom Kanal 70 zum Steuerkolben 102 in einer solchen Weise zulassen, daß die Steuerplatte 52 ihre Nullstellung einnehmen wird. Die Pumpe 12 wird dann konstante Druckwerte in den Kammern 30 und aufrechterhalten, wie dies vorstehend beschrieben ist.

Die Flüssigkeitsabgabe der hydraulischen Pumpe 12 wird sich in dieser Weise so lange fortsetzen, bis die Temperatursteuerung l6 für das Nachbrennergeblase eii/verschiedenes Eingangssignal an das Servoventil ^k abgibt, das bewirkt, daß die variable Steuerplatte 52 eine neue Stellung einnimmt, welche die Kolben 28 der Stellglieder l4 in der zuvor beschriebenen Weise von ihren Anschlägen wegbewegt.

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An sich könnte ein ähnlicher Druckregler in Verbindung mit der Kopfkammer 30 ^ur*d der lColbenstangenkammer 32 eines Stellgliedes Ik verwendet werden. In vielen Anwendungsfällen werden jedoch die Druckwerte für eine dieser beiden Kammern so beschaffen sein, daß ein einfaches Ablaßventil, wie es schematisch bei lA6 gezeigt ist, verwendet werden kann, um die Auslaßströmung des Pumpelementes k2 im Nebenfluß abzuleiten, wenn der durch die Konstruktion festgelegte Maximaldruck in dieser Kammer mit Niederdruck erreicht wird. In der Ausführungsform gemäß der Abbildung öffnet sich das Ablaßventil lA6 jedesmal dann, wenn der Druck in der Kopfkammer 30 einen gewissen V/ert erreicht, beispielsweise etwa 70 atü (1.000 US-Pfund pro Quadratzoll) und die Strömung läuft anschließend

lediglich im Kreislauf durch das Puiapelement 42 in die Kanäle 68 und 70. Da die Druckwerte bei diesem Betriebszustand relativ gering sind, ist die Pumpeingangsleistung und damit der Warneverlust minimal.

Viele vorbekannte Systeme benutzen Ablaßventile wie das Ventil 1Λ6, und zwar sowohl in der Kopfkammer 30 als auch in der Kolbenstangenkammer 32. Bei Hochieistungssystemen, wie sie jedoch für die Betätigung der Klappen für die Abgasdüse in einem Gasturbinentriebwerk benötigt werden, wo die Drucke auf der Hochdruckseite Werte in der Größenordnung von etwa 315 atü (4.500 US-Pfund pro Quadratzoll) erreichen, sind die Pumpeingangsleistung und die Uärmeerzeugtuig relativ groß, wenn man die Pumpe in der Art eines Systems mit Uezirkulation laufen läßt, wenn die Stellglieder die Düse in einer extremen Einstellung halten. Es wurde daher das vorstehend beschriebene System für die Druckbegrenzung vorgesehen, um diese inhärenten Nachteile der bekannten Systeme njit Hezirkulation zu überwinden.

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Wxe vorstehend beschrieben, vjuräc ein verbessertes hydraulisches Steuersystem geschaffen, bei dem die Ausgangsleistung der hydraulischen Pumpe 12 unmittelbar als Funktion eines elektrischen Eingangssignals gesteuert wird. Diese Steuerung wird in einer solchen l/eise erreicht, dajj eine direkte Ströraungssteuerung der hydraulischen Pumpe möglich ist, welche die leistungsfähigste Methode zur Erzeugung der notwendigen hydraulischen Leistung deirstellt. Weiterhin wurde das erfindungsgemäße System in einer solchen Weise aufgebaut, daß eine zerstörerische Belastung des Stellgliedes Ik während bestimmter vorübergehender Betriebszustände des Steuersystems ausgeschlossen wird. Das erfindungsgemäße System führt die \^rorgenannte Funktion aus ohne Notwendigkeit einer Jtiezirkulation der Strömung durch die Pumpelemente 42 wählend des normalen Betriebes der hydraulischen Pumpe und während vorübergehender Betriebszustände an den Endlagen des Systems mit hoher Belastung. Vorstehend wurde das erfindungsgemäße System in seiner Anwendung auf ein Stellgliedsystem für die Düse eines Gasturbinentriebwerkes beschrieben. Für den Fachmann ist jedoch leicht ersichtlich, daß das System auch auf andere Stellgliederfordernisse für hohe Leistung angewendet werden kann, ohne den weiteren Umfang der orfindungsgemäßen Konzeption zu verlassen.

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Claims

Patentansprüche

'fr 1. )Hydraulisches Steuersystem des Typs mit einer Quelle für hydraulische Flüssigkeit, mindestens einem hydraulischen Stellglied mit einer Kolbenkammer und einer Kolbenstange, wobei eine Kopfkammer und eine Kolbenstangenkammer gebildet sind, und mit einer hydraulischen Pumpe zur Lieferung hydraulischer Flüssigkeit aus der Quelle zu dem Stellglied, wobei diese Pumpe mindestens einen Steuerkolben zur Änderung der Ausgangsleistung der Pumpe besitzt', gekennzeichnet durch:

Einrichtungen (l6) zur Erzeugung eines elektrischen Eingangssignals als Anzeige der gewünschten Ausgangsgröße für die Pumpe (12),

ein elektrohydraulisches Servoventil (94) mit einem Strahlrohr (96) zur Leitung hydraulischer Flüssigkeit zu dem Steuerkolben (102, 104) zur Einstellung der Lage desselben, wobei das Servoventil (94) mit Strahlrohr (96) unmittelbar auf das elektrische Eingangssignal anspricht,

Einrichtungen (118,120) zur Ittickführung und Rückkopplung der ausgangsseitigen Stellung der Pumpe auf das Servoventil (94) mit Strahlrohr (96), und Einrichtungen (124) zur Aufhebung der Ausvrirkung des Servoventils (94) mit Strahlrohr (96) bei Vorhandensein eines gesteuerten Druckwertes in der Kolbenkammer (3D) des Stellgliedes (l4), wobei diese Einrichtung (124) zur Rückstellung des Steuerkolbens (102,104) eingerichtet ist.
2. Hydraulisches Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn z. eich, net, daß die liydraulische Pumpe ein Pumpelement (42) zum"Pumpen von Flüssigkeit zwischen der Kopfkammer (30) und der Kolben-

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Stangenkammer (32) bei Vorhandensein einer Bewegung des Steuerkolbens (28) besitzt.
3· Hydraulisches Steuersystem nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß das Pumpelement einen rotierenden Block (44) mit einer Vielzahl von Olleitkammern (48) besitzt, wobei in jeder dieser Gleitkammern (48) ein Gleitkolben (50) angeordnet ist und mit derselben zusammen eine Pumpenkammer (60,62 usw.) bildet und eine variable Steuerplatte (52) mit einem ersten Ende jedes der Gleitkolben. (50) in Kontakt und in ihrer Lage so einstellbar ist, daß bei Drehung des Blocks (44) das Volumen der Pumpenkammern (4o) variierbar ist.
4. Hydraulisches Steuersystem nach Anspruch 3i da — dur ch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (102, 104 usw.) in Kontakt mit der variablen Steuerplatte (52) ist zur Einstellung der Lage derselben.
5· Hydraulisches Steuersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Steuerplatte (52) eine Nullstellung besitzt entsprechend einer fehlenden Ausgangsleistung von dem Pumpenelement (42).
6. Hydraulisches Steuersystem nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (124) zur Einstellung der Steuerplatte (52) in ihrer Nullstellung eingerichtet ist.
7. Hydraulisches Steuersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß es eine Servoversorgungspui.ipe (90) enthält, welche Flüssigkeit von der Quelle zu dem Servoventil (94) für das Strahlrohr (96) liefert.

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8. Hydraulisches Steuersystem nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Einrichtungen (92,126) zur Aufrechterhaltung eines Konstantdruckes in der Kopfkammer (3O)₅ wenn sich die Steuerplatte (52) in ihrer Nullstellung befindet.
9. Stellgliedsystem für die Düse eines Gasturbinentriebwerkes , gekennzeichnet durch:

eine Vielzahl von Diisenklappen ( l8) , die einen Auslaß (20) mit variablem Querschnitt für das Triebwerk (22) bilden, mindestens' ein hydraulisches Stellglied (1*1) mit einer Kolbenkammer (26) für das Stellglied und einer Kolbenstange (3'±) in derselben; einer Kopfkammer (30) und einer Kolbenstangenkammer (32), eine Einrichtung (?A) zur Verbindung dos Stellgliedes (lA) mit mindestens einer der Klappen (l8) zur ßewegung der Klappe bei Bewegung der Kolbenstange (3'Ό,

eine hydraulische Pumpe (12) zur Lieferung hydraulischer Flüssigkeit zum Stellglied (l'l). wobei die Pumpe (12) mindestens einen Steuerkolben (102, 10'i usw.) zur Änderung der Ausgangsleistung der Pumpe enthält.

Einrichtungen (l6) zur Erzeugung eines elektrischen Eingangssignals in Abhängigkeit von einer gewünschton Ausgangsgröße für die Pumpe,

ein elektrohydraulisches Strahlrohr-Servoventil (9't) zur Leitung der hydraulischen Flüssigkeit zum Steuerkolbon ( 102, 10'i) zur Einstellung der Lage desselben, wobei dieses Servoventil (9^) für das Strahlrohr (96) durch das elektrische Eingangssignal unmittelbar steuerbar ist,

Einrichtungen (ll8,12 0) zur Rückkopplung der Ausgangsstellung der Pumpe auf das Strahlrohr-Servoventil (*)^ιι) , und

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Einrichtungen (I30) zur Aufhebung der Wirkung des Strahlrohr-Servoventils bei Vorhandensein eines gesteuerten Druckwertes in der Kolbenkammer (^)O), wobei durch diese Einrichtung (I30) der Steuerkolben (102,10'i) in seine Stellung rückstellbar ist.

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