DE2921030A1

DE2921030A1 - Steuerventilanordnung

Info

Publication number: DE2921030A1
Application number: DE19792921030
Authority: DE
Inventors: Peter David Toot
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-09-25
Filing date: 1979-05-23
Publication date: 1980-04-03
Also published as: GB2030325B; US4227443A; JPS6327563B2; IT7922944A0; IT1114036B; FR2436926A1; GB2030325A; FR2436926B1; JPS5544173A; CA1112540A

Description

Steuerventilanordnunq

Die Erfindung bezieht sich auf eine bei Steuersignalausfall selbsttätig blockierende Steuerventilanordnung, und speziell auf eine solche, die zum Einsatz in einem digitalen Impulsbreiten-Modulationssystem geeignet ist.

Elektrohydraulisch^ Steuerventile sind als Interface zwischen elektrischen Steuersystemen und mechanischen oder hydraulischen Abmessungs- oder Betätigungseinrichtungen im Einsatz. Beispielsweise wird im Steuerungssystem für die Zuführung von Kraftstoff zu einer Gasturbine durch einen Kraftstoffregelungsrechner ein elektrisches Steuersignal erzeugt, das dem Eingang eines Servoventils zugeführt wird. Das Servoventil beeinflußt in Abhängigkeit von dem elektrischen Signal einen Servokolben, der ein mechanisches Ausgangssignal erzeugt, das die Position eines die Kraftstoffmenge beeinflussenden Ventils bestimmt. Das Servoventil ermöglicht somit eine hochstabile und genaue Steuerung der der Haschine zugeführten Kraftstoffmenge.

In vielen Anwendungsfällen, speziell bei kritischen Steuerungssystemen, wie in Kraftstoffregelungssystemen einer Gasturbine, ist es notwendig, daß die Servoventile blockiert werden, wenn das Steuerungssignal ausfällt. Hiermit ist gemeint, daß die mechanische Ausgangsgröße, die der Servokolben an ein Einstellglied, beispielsweise die Kraftstoffzuführungseinrichtung, liefert, in seiner augenblicklich eingenommenen Stellung blockiert wird, wenn das elektrische Steuerungssignal ausfällt.

BekannteServoventile dieser Art verwenden bipolare Eingangsströme, d.h. der Servokolben bewegt sich in der einen Richtung, wenn ein positiver Strom empfangen wird, und er bewegt sich in der anderen Richtung, wenn ein negativer Strom empfangen wird.

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Wird gar kein Strom empfangen und auch in einem toten Bereich von etwa + 12,5 % des Maximalstromes ist der Servokolben im wesentlichen in seiner Stellung blockiert, von kleinen Bewegungen aufgrund von Leckströmen einmal abgesehen. Die bekannten selbstblockierenden Servoventile sind für viele Anwendungsfälle zwar brauchbar, der ihnen innewohnende tote Bereich und die unvorhersehbare Leckstrom-Drift des Servokolbens innerhalb des toten Bereiches machen sie jedoch für gewisse digitale Steuerungsfälle untauglich, in welchen der Eingangsstrom in Form von Rechteckimpulsen zugeführt wird, d.h. in denen der Strom zwischen 0 und einem positiven Maximalstrom alternierend umgeschaltet wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Steuerventilanordnung anzugeben, die auch bei Steuerung durch digitale Impulsbreiten-modulierte Signale Selbstblockierungseigenachaften aufweist. Dabei sollte eine zusätzliche Totbereichskompensation nicht erforderlich sein.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die vollständige Steuerventilanordnung nach der Erfindung;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Teil des Steuerventils nach Fig. 1, jedoch in verändertem Betriebszustand;

Fig. 3 einen Längsschnitt ähnlich Fig. 2 in einem wiederum anderen Betriebszustand;

Fig. 4 einen Längsschnitt ähnlich Fig. 2 und 3 in einem vierten Betriebszustand;

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Fig. 5 einen Längsschnitt ähnlich den Figuren 2 bis 4 in einem fünften Betriebszustand, und

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Betriebsweise der Steuerventilanordnung nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Steuerventilanordnung 10, die bei Ausfall eines elektrischen Steuerungssignals selbstblockierende Eigenschaften aufweist. Diese Steuerventilanordnung 10 enthält ein flexibles Strahlrohr 12 in einem Gehäuse 14. Das Strahlrohr 12 empfängt ein unter Druck stehendes Fluid, das jedes geeignete Servo- oder Hydraulikfluid sein kann, und gibt es durch eine Düse 16 relativ kleinen Querschnitts in eine Kammer 18 ab. Die Kammer 18 hat einen Auslaß 20, der über eine Rückführleitung 22 mit einem unter Niederdruck stehenden Sumpf (nicht dargestellt) verbunden ist. Der Druckabfall an der Düse 16 bewirkt, daß das Fluid als hochschneller Strahl in die Kammer 18 einfließt. In dem Gehäuse 14 sind zwei Auffangleitungen 24 und 26 angeordnet, die zum Aufnehmen des Fluidstrahles bestimmt und in Strömungsverbindung mit den beiden gegenüberstehenden Enden eines Steuerventilgehäuses 28 stehen, in welchem sich ein in Längsrichtung verschiebbarer Kolbenschieber 30 befindet. Zum Auslenken des Strahlrohres 12 ist eine Auslenkeinrichtung vorgesehen, die aus einem ein einseitiges Drehmoment hervorbringenden Motor 32 besteht. Dieser arbeitet in Abhängigkeit eines elektrischen Eingangssignals, das über eine Mehrzahl von Leitungen empfangen wird, die insgesamt mit 34 bezeichnet sind. Ein Anker 36 des Motors 32 ist mit dem Strahlrohr 12 verbunden und bringt an ihm ein Biegemoment hervor, das das Rohr 12 nach links auslenkt (Fig. 1), und zwar proportional umso mehr, je größer die Stärke des mittleren, im Motor fließenden Stromes ist, bis zu einer linken Endstellung, die durch einen Maximalstrom im Motor erreichbar ist. An dem Anker 36 ist eine eine Vorspannung hervorbringende

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Feder 37 befestigt, die eine Rückführkraft erzeugt, die das Strahlrohr 12 in die Mitte seines Axialhubes zurückführt (Fig. 1), wenn der "Null"-Strom fließt. Hit "Null"-Strom wird hier jener verstanden, der etwa der Hälfte des Maximalstromes auf Zeitmittelwertsbasis entspricht. Dieser "Null"-Strom kann daher ein Gleichstrom von einer Hälfte des pulsierenden Stromes sein oder er kann ein Wechselstrom sein, dessen Mittelwert eine Hälfte des pulsierenden Stromes ist, vorausgesetzt, daß dessen Frequenz hoch genug ist, daß der Motor nicht pulsieren kann.

Der Kolbenschieber 30 weist eine Vielzahl von Bünden 46, 48, 50, 52 und 54 auf, die zwischen sich ringförmige Zwischenräume 38, 40, 42 und 44 begrenzen. Ein Zuführungskanal 56 liefert ein unter Druck stehendes Fluid von einer Pumpe (nicht dargestellt) über eine Einlaßöffnung 58 in einen ringförmigen Raum 59, der von dem Zwischenraum 38 und einer ringförmigen Rille innerhalb des Steuerventilgehäuses 28 gebildet wird.

Das Druckfluid tritt aus dem ringförmigen Raum 59 durch eine Auslaßöffnung 60 aus, die über eine Leitung 62 mit dem Strahlrohr 12 verbunden ist. Weiterhin fließt das Druckfluid vom Einlaßkanal 56 über eine Verbindungsleitung 64 durch eine Einlaßöffnung 66 in einen Ringraum 67, der von dem Zwischenraum 44 zwischen den Bünden 52 und 54 und einer ringförmigen Rille im Ventilgehäuse 28 gebildet wird. Eine Auslaßöffnung im Ventilgehäuse 28 steht mit einem Ringraum 69 in Verbindung, der von den Zwischenräumen 40 und 42 zwischen den Bünden 48, und 52 und einer ringförmigen Rille im Ventilgehäuse begrenzt wird. Dieser Ringraum 69 ist mit dem Auslaß 22 verbunden.

Zu der Steuerventilanordnung gehört weiterhin eine Servoeinheit 70, die im wesentlichen aus einem axial verschiebbaren Kolben in einer Bohrung 74 besteht. Am Kolben 72 ist eine Kolbenstange

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befestigt, die mit einem die Kraftstoffzufuhr beeinflussenden Organ od.dgl. verbunden sein kann. Die Kopfseite des Kolbens 72 ist über eine in die Bohrung 74 führende Öffnung 78 und eine Verbindungsleitung 80 mit einer Ventilöffnung 82 im Steuerventilgehäuse 28 verbunden. In gleicher Weise ist die Stangenseite des Kolbens 72 über eine Öffnung 84 und eine l/erbindungsleitung 86 mit einer Ventilöffnung 88 im Steuerventilgehäuse 28 verbunden. O-Ringe 90 verhindern Leckströme an der Bohrung 74.

Am Strahlrohr 12 ist das eine Ende einer Rückführfeder 92 befestigt, deren anderes Ende an dem mittleren Bund 50 des Kolbenschiebers 30 angreift. Diese Rückführfeder 92 ruft eine Rückführkraft hervor, die das Strahlrohr 12 in die Null-Position zurückführt, wenn der Kolbenschieber sich aus der Null-Position entsprechend einer Veränderung im zeitlichen Mittelwert des Motorstromes gegenüber dem Null-Strom nach links oder rechts verschoben hat.

Wie zuvor schon erwähnt, stellt Fig. 1 den Zustand des Steuerventils dar, in welchem dieses sich in der "Null"-Stellung befindet, in welcher der Motor 32 den Null-Strom empfängt. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, befindet sich das Strahlrohr 12 in einem ausbalancierten Auslenkungszustand, in welchem gleiche Anteile des austretenden Fluidstrahles in die beiden Auffangleitungen 24 und 26 eintreten. Als Folge davon ist der Druck an beiden Enden des Kolbenschiebers 30 gleich groß und letzterer befindet sich in der Mitte seines Axialhubes. In dieser ausbalancierten Lage sperren die Bünde 48 und 52 des Kolbenschiebers 30 die Öffnungen 88 und 82, wodurch verhindert wird, daß Fluid in die Servoeinheit 70 einfließen bzw. aus ihr ausfließen kann. "Der Servokolben 72 wird daher in seiner augenblicklichen Stellung blockiert.

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Wenn der zeitliche Hittelwert des durch den Motor 32 fließenden Stromes über den Null-Strom anwächst, dann lenkt der Motor 32 das Strahlrohr 12 nach links aus, wodurch in die Leitung 24 ein größerer Anteil des Strahles eintritt als in die Leitung 26. Als Folge dieser ungleichförmigen Beaufschlagung des Kolbenschiebers 30 mit Druckfluid wird der Druck auf der linken Seite des Bundes 46 größer als auf der rechten Seite des Bundes 54, wodurch der Kolbenschieber 30 nach rechts geschoben wird und beispielsweise in eine Lage gelangt, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Verschiebung und augenblickliche Lage des Kolbenschiebers 30 ist direkt proportional der Veränderung des zeitlichen Mittelwertes des im Motor fließenden Stromes gegenüber dem Null-Strom. In der in Fig. 2 dargestellten Lage wird innerhalb des Ventilgehäuses 28 ein Kanal freigegeben, der es erlaubt, daß das Druckfluid aus dem Einlaß 56 durch die Einlaßöffnung 58 durch den Ringraum 59, durch die Ventilöffnung 88 und die Verbindungsleitung 86 zur Stangenseite des Kolbens 72 in der Servoeinheit 70 fließt. Gleichzeitig wird in gleicher Weise ein weiterer Kanal ausgebildet, durch den von der Kopfseite des Kolbens 72 der Servoeinheit 70 durch die Verbindungsleitung 80, die Öffnung 82, den Ringraum 69 und die Auslaßöffnung 68 in die Rückführleitung 22 fließen kann. Die Beaufschlagung der .Stangenseite des Kolbens 72 mit Druckfluid und die gleichzeitige Ableitung des Fluides von der Kopfseite des Kolbens 72 schiebt den Kolben nach rechts, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens 72 direkt proportional der Änderung des zeitlichen Mittelwertes des Motorstromes gegenüber dem Null-Strom ist.

Die Bewegung des Kolbenschiebers 30 nach rechts veranlaßt die Rückführfeder 92, das Strahlrohr 12 in die Null-Position zurückzubringen, womit der Kolbenschieber 30 in seiner neuen Lage festgehalten wird, als dessen Folge der Kolben 72 fortfährt, mit konstanter Geschwindigkeit nach rechts zu wandern.

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Wenn hingegen der mittlere Motorstrom unter den Null-Strom abfällt, dann wird das Strahlrohr 12 nach rechts ausgelenkt, womit dann in entsprechender Weise der Kolbenschieber 30 nach links beispielsweise bis in eine Position geschoben wird, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Die so in dem Steuerventilgehäuse 28 geschalteten Kanäle erlauben es dem Druckfluid nun, in entsprechend umgekehrter Weise zu der Servoeinheit 70 hin und von ihr weg zu fließen, wodurch der Kolben 72 nach links bewegt wird. Die Bewegung des Kolbenschiebers 30 nach links veranlaßt die Rückführfeder 92, das Strahlrohr 12 in die Null-Position zurückzubringen, wodurch der Kolbenschieber 30 in der neuen Lage festgehalten wird, als dessen Folge der Kolben 72 mit gleichförmiger Geschwindigkeit seine Bewegung nach links fortsetzt.

Im Falle, daß der zeitliche Mittelwert des Motorstromes Null oder nahezu Null wird, was beispielsweise eine Folge einer Störung einer nicht dargestellten Steuereinrichtung oder eines Stromausfalls oder eines Defektes an den Eingangsleitungen 34 sein kann, dann wird das Strahlrohr 12 vollständig nach rechts in eine nicht ausgelenkte Position geführt, womit ein unterer Grenzzustand erreicht ist. In dieser Lage des Strahlrohrs 12 wird noch mehr des Fluidstrahles in die Auffangleitung 26 geführt, womit der Kolbenschieber 30 noch weiter nach links bis in eine erste Extremlage im Steuerventilgehäuse 28 gedrückt wird, wie sie in Fig. 4 dargestellt it. In oder nahe dieser ersten Extremlage blockieren die Bünde 44, 48, 50 und 52 des Kolbenschiebers 30 die Fluidströmung zu und von der Servoeinheit 70 und halten damit den Kolben 72 an seinen Platz. In gleicher Weise wird, wenn der zeitliche Mittelwert des Motorstromes auf einen Wert anwächst, der nahe oder gleich dem Nennstrom ist, oder wenn der Strom diesen übersteigt, das Strahlrohr 12 voll nach links ausgelenkt, womit ein Überstrom-Endzustand eingerichtet ist. In dieser Stellung des Strahlrohres 12 wird noch mehr des Fluid-

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Strahles in die AufFangleitung 24 eingeleitet, womit der Kolbenschieber 30 ganz nach rechts in eine zweite Endstellung im Steuerventilgehäuse 28 gedrückt wird, wie in Fig. 5 dargestellt ist. An oder nahe dieser zweiten Endstellung blockieren die Bünde 44, 48, 50 und 52 des Kolbenschiebers 30 die Zu- und Ableitung von Druckfluid zu bzw. von der Servoeinheit 70, womit der Kolben 72 wiederum in seiner Stellung blockiert wird.

Fig. 6 zeigt eine graphische Darstellung der Ausgangsgröße in Abhängigkeit von der Eingangsgröße an dem Steuerventil 10. Es geht deutlich aus dieser Darstellung hervor, daß die Ausgangsgröße, die im Primär-Arbeitsbereich (zwischen 20 % und 80 % des Nennstromes) erzielt wird, im wesentlichen linear verläuft, wobei eine Null-Position bei 50 % des Eingangsstromes erreicht wird. Wie zuvor beschrieben, bringen Eingangsströme nahe den Grenzströmen (kein Eingangsstrom oder Maximalstrom) ebenfalls einen "Null"-Zustand am Ausgang hervor.

Claims

Ansprüche

( 1Λ Steuerventilanordnung, bestehend aus einem Steuerventilgehäuse mit einer Vielzahl von Ventilöffnungen, von denen eine als Einlaß für ein Druckfluid dient, einem Strahlrohr zum Abgeben eines Strahles von der Einlaßöffnung zugeführten Druckfluides, einer auf ein elektrisches Eingangssignal ansprechenden Auslenkeinrichtung zur Auslenkung des Strahlrohres und zwei Auffangleitungen, die mit den einander entgegengesetzten Enden des Steuerventilgehäuses in Verbindung stehen und zur Aufnahme des von dem Strahlrohr abgegebenen Fluidstrahles bestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangkanäle (24,26) gleich große Anteile des Fluidstrahles aufnehmen, wenn das Strahlrohr (12) sich in einer ausbalancierten Stellung befindet, daß der eine Auffangkanal (26) einen größeren Anteil des Fluidstrahles aufnimmt, wenn das Strahlrohr (12) sich zwischen einer nichtausgelenkten Stellung und der ausbalancierten Stellung befindet, daß der andere Auffangkanal (24) einen größeren Anteil des Fluidstrahles aufnimmt, wenn sich das Strahlrohr (12) zwischen der ausbalancierten Stellung und einer voll ausgelenkten Stellung befindet, daß in dem Steuerventilgehäuse (28) ein axial verschiebbarer Kolbenschieber (30) mit einer Vielzahl von Bünden (46,48,50,52,54) mit dazwischen liegenden Zwischenräumen (38,40,42,44) angeordnet ist, daß eine Servoeinheit (70)

MÜNCHEN: TELEFON (O89) 225585 KABEL: PROPlNDUS -TELEX O5 24 24

BERLIN:' TELEFON (O3O) Θ312088 KABEL: PROPINDUS -TELEX OI 84O57

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vorgesehen ist, die einen in einer Bohrung (74) axial verschiebbaren Kolben (72) aufweist und bei der die zu beiden Seiten des Kolbens (72) liegenden Bohrungskammern mit verschiedenen Ventilöffnungen (82,88) am Steuerventilgehäuse (28) in Verbindung stehen, und daß im Steuerventilgehäuse (28) Überströmkanäle vorhanden sind, die je nach Stellung des Kolbenschiebers (30) Bundzwischenräume mit Ventilöffnungen verbinden und Druckfluid einer ersten Seite des Kolbens (72) der Servoeinheit (70) zuleiten und das Druckfluid von der anderen (zweiten) Seite des Kolbens (72) ableiten, wenn der Kolbenschieber (30) zwischen einer Position nahe dem ersten Ende des Steuerventilgehäuses (28) und der Mitte seines Axialhubes im Steuerventilgehäuse (28) steht, und Druckfluid der zweiten Seite des Kolbens (72) der Servoeinheit (70) zuleiten und das Druckfluid von der ersten Seite des Kolbens (72) ableiten, wenn sich der Kolbenschieber (30) zwischen der Mitte seines Axialhubes und dem anderen (zweiten) Ende des Steuerventilgehäuses (28) befindet, und die die Druckfluidzufuhr und -abfuhr zur bzw. von der Servoeinheit (70) sperren, wenn der Kolbenschieber (30) sich an den Enden oder exakt in der Mitte seines Axialhubes im Steuerventilgehäuse (28) befindet.
2. Steuerventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Fehlen eines elektrischen Signals an der Auslenkeinrichtung sich der Kolbenschieber (30) in einer ersten Endlage lage befindet und daß sich der Kolbenschieber (30) beim Anlegen eines elektrischen Signals an die Auslenkeinrichtung sich proportional mit der Amplitude des elektrischen Signals in Richtung auf die andere Endlage bewegt, und daß sich der Kolbenschieber (30) in der anderen Endlage befindet, wenn ein vorgegebenes elektrisches Maximumsignal an der Auslenkeinrichtung wirksam ist.

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3» Steuerventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkeinrichtung einen Motor (32) mit einseitig gerichtetem Drehmoment aufweist, dessen Auslenkkraft proportional dem Mittelwert des Eingangsstromes zwischen Null und einem Maximalwert ist.

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