DE1908887A1

DE1908887A1 - Servo-Steuereinrichtung

Info

Publication number: DE1908887A1
Application number: DE19691908887
Authority: DE
Inventors: Riggs Robert Roy
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1968-02-28
Filing date: 1969-02-21
Publication date: 1969-09-25
Also published as: US3491652A; GB1218523A; FR2002741A1; SE344107B

Description

Patentanwälte

Dr. Ing. H. Nsgendank

Dip!. Ing. H. Hauck

Dipl. Fhys. W. Schmitz

8 München 15, tfozBrisie.23

Tel. 538 0586

The Bendix Corporation

Fisher Building

Detroit, Michigan/USA 21. Februar I969

Anwaltsakte M-625

Servo-Steuereinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Servo-Steuereinrichtung zur Einstellung eines Steuer-Ausgangsgliedes in Abhängigkeit von einem Eingangssteuersignal .

Insbesondere richtet sich die Erfindung auf die Verbesserung einer | beispielsweise aus der USA=Patentschrift 3.232»179 bekannten \ Servosteuereinrichtungj eine derartige Steuereinrichtung wird im allgemeinen bei Gasturbinentriebwerken verwendet, um mehrere Brennstoff- oder Triebwerkssteuerfunktionen zu übernehmen. Die Erfindung läßt sich jedoch auch bei beliebigen Anwendungsfällen verwenden, bei denen eine Servosteuerung erforderlich ist.

Für die heutzutage weit verbreiteten Servostellvorrichtungen ist es typische daß sie recht kompliziert aufgebaut sind. Diese Verfeinerung der Auslegung macht es erforderlich, daß außerhalb des Gehäuses der Servostellvorrichtung einstellbare Justiervorrichtungen vorgesehen sind, um die Servostellvorrichtung bei der ersten Kalibrierung oder beim Einbau der Steuer-

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anlage und des Triebwerks in ein Plugzeug und weiterhin während der Wartung des Plugzeugs eichen und Justieren zu können.- Zwar , sind die bekannten Servostellvorrichtungen in manchen Fällen mit den erforderlichen Justiervorrichtungen versehen,-- jedoch sind diese nur schwierig von außen zugänglich. Daher ließ'sich eine richtige Eichung und Justierung nicht vornehmen,, oder wenn doch, waren die Kosten dafür unverhältnismäßig hoch. Infolge eines unzureichenden Einbaus oder einer unzureichenden Wartung In Verbindung mit der Unzugänglichkeit von Justiervorrichtungen · für die ServoStellvorrichtung hat dies gewöhnlich zu einer Verschlechterung der Arbeitsgenauigkeit der Anlage, und. insbesondere: ;u ungenau arbeitenden Plugzeug-Steueranlagen und einer damit verbundenen Pluggefährdung geführt.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Servosteuereinrichtung zu schaffen, deren Leistungsfähigkeit, Größe, Gewicht und äußere Form mit den Erfordernissen moderner Gasturbinentriebwerke übereinstimmt. ' .· ;.·.

Zu diesem Zweck schafft die Erfindung eine Servosteuereinrichtung mit einer Servo-Stellvorrichtung, deren Stellmotor bewegungsschlüssig mit dem Ausgangsglied verbunden ist und durch ein Servo ventil gesteuert wird, wobei zur Betätigung des Servoventils ein. einstellbares Steuergestange vorgesehen ist,_: an.· dem einerseits; ein -Eingangsmoment,.das ein Eingangssteuersignal, darstellt, und andererseits ein entgegengesetzt wirkendes Rückkoppelungsmoment angreift, das die Lage des Ausgangsgliedes darstellt, und zur .Nachjüstierung der Steilheit und /oder: des. Ab gleiche · ;. '"

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(trim) der Servo-Stellvorrichtung eine auf das Steuergestänge einwirkende einstellbare krafterzeugende Justiervorrichtung vorgesehen ist; diese Servosteuereinrichtung ist dadurch gekennzeichnet daß die krafterzeugende Justiervorrichtung mindestens ein druckempfindliches Stellglied aufweist, das auf das Steuergestänge ein von einem vorgegebenen Stelldruck abhängiges Einstellmoment ausübt, wobei der Stelldruck durch eine verstellbare Druck-Steuereinrichtung vorgebbar ist, die von der Servo-Stellvorrichtung entfernt angeordnet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Servosteuereinrichtung sind der Einbau und die periodische Wartung wegen der leichten Zugänglichkeit der entfernt liegenden Abgleichs- und/oder Steilheits-Justiervorrichtungen sehr günstig vorzunehmen, so daß ein genaues Arbeiten der Steueranlage weitgehend sichergestellt ist. Außerdem läßt sich die Betriebssicherheit des Flugzeuges durch eine routinemäßige Wartung sicherstellen, die mit bisher nicht erreichbar geringen Kosten durchführbar ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden beispielsweisen Beschreibung diner Servo-Steuereinrichtung in Verbindung mit den Zeichnungen hervor. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen hydromechanischen Servo-Steuereinrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Servo-Steuereinrichtung,
Fig. 3 und M Ciagramme, die die von der Servosteuereinrichtung

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erzielbare lineare Eingangs/Ausgangs-Beziehu'ng zeigen sowie verdeutlichenj wie dfese Eingangs/Ausgangs-BeZiehung durch Verstellung des Verstärkungsgrades bzw. des Abgleichs beeinflußt wird. .

Die in Fig. 1 gezeigte Servosteuereinrichtung enthält eine Servo-Stellvorrichtung Io von üblicher, beispielsweise in der USA-Patentschrift 3.232.179 gezeigten Bauart, die ein Ausgangsglied als Punktion eines Eingangs-Drucksteuersignals betätigt.

Die Servostellvorrichtung Io enthält in einem Gehäuse 12 einen Ventilsteuerhebel 14, der um einen Drehpunkt l6 schwenkbar gelagert ist und an seinem linken Ende mit einer Eingangssteuerkraft beaufschlagt wird, die durch einen Steuerbalg 18 erzeugt wird, der von einer Eingangsleitung 2o einem Eingangssteuerdruck P^ ausgesetzt ist. Vorzugsweise wirkt dem Balg 18 ein evakuierter Balg 22 entgegen, so daß das vom Drucksignal P^ auf den Hebel 14 ausgeübte Eingangsmoment im wesentlichen unabhängig von Druckschwankungen des Strömungsmitteldrucks im Inneren des Gehäuses 12 ist, wobei das Gehäuse mit einer Auslaßöffnung 148 versehen ist, die über eine Rücklaufleitung 15o mit der unter dem Druck P_Q stehenden Einlaßseite einer geregelten Strömungsmittel-Hochdruckquelle verbunden ist. - ;:

Im Gehäuse .12 ist ein Stellmotor-Gehäuse 2k vorgesehen, in dem ein Stellkolben 3o gleitfähig und strömungsmitteldicht angeordnet ist, der das Gehäuse 24 in zwei Kammern 26 und 28 veränderlichen Volumens unterteilt. Die Kammer 26 ist über einen Einlaß 36 und eine Leitung 35 mit dem unter dem Druck P„ stehenden Auslaß 33 - 4:■ -

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der Hochdruckquelle 31 sowie, über einen mit einer Drosselstelle 38 versehenen Kanal im Stellkolben 30 mit der Kammer .28 verbunden. Die Kammer 28 enthält einen Auslaß 4o, der über eine Leitung42 und ein bei 45 über-den Hebel 14 gesteuertes Dürchfluß-Regelventil-44 zum Inneren des unter dem Druck P stehenden Gehäuses 12 entlüftet ist. Der durch den Hebel 14 gesteuerte wirksame-Durehflußquerschnitt des Klappen-Servoventils 44, 45 bestimmt den Servo-Strömungsmitteldruck Px₁ in der Kammer 28 und somit die Relativverschiebung des (nicht gezeigten) Ausgangsgliedes, das über, eine dichtend und gleitfähig in einer öffnung 60 des Gehäuses 12 angeordnete Ausgangswelle 58 mit dem Stellkolben 30 verbunden ist.

An seinem linken Ende ist der Hebel 14 einem Rückkoppelungsmoment ausgesetzt, das dem Eingangsmoment entgegengerichtet ist und durch eine verschiebbare Rolle 54 erzeugt wird, die durch einen druckbelasteten Kolben 62 mit einer regulierten Druckkraft beaufschlagt wird und an dem Hebel 14 über einen Momentenarm angreift, dessen Länge sich in vorgegebener Abhängigkeit von der Verschiebung des Stellkolbens ändert.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Rolle 54 unmittelbar mit dem Kolben 3ö verbunden, und zwar über eine Steuerstange 46 und einen Zapfen 32, der abgedichtet und gleitfähig in einer öffnung 34 des Gehäuses 24 angeordnet und am Kolben 3o befestigt ist. Bei einer derartigen Verbindung ist das Rückkoppelungsmoment am Hebel 14 im wesentlichen proportional der Verschiebung des Ausgangsgliedes, so daß zwischen dem Eingangsdruck und der

Bewegung des Ausgangsgliedes eine lineare Beziehung herrscht.; Falls eine nicht-lineare Beziehung erwünscht ist, lassen sich; _v selbstverständlich verschiedene andere Verbindungsarten zwischen, dem Kolben 30 und der Rolle 54 verwenden. ,'-'-'__ ■

Durch Veränderung der über die Fläche To des druckbelasteten Kolbens 62 auf die Rolle 54 ausgeübten Kraft läßt sich der Verstär— kungsgrad verstellen. Zu diesem Zweck ist der Kolben 62 abge--\ -'.■": dichtet und gleitfähig in einer Bohrung 61 des Gehäuses 12 ge- ^ führt j so daß eine Druckkammer 64 gebildet wird, die über: eine _: Drosselstelle 68 zu dem Inneren des: unter dem Druck P₀ stehenden Gehäuses 12 entlüftet wird. Der Strömungsmittelstrom zur Kammer.., 64 und somit der den Verstärkungsgrad; bestimmende Strömungsmitteldruck Px^ in der Kammer wird durch eine Verstärkungsgrad-Jusiie.rvorrichtung 86 gesteuert, deren-Einlaß I06 über eine Leitung I05, mit dem Auslaß 33 der Hochdruckquelle 31 und deren Auslaß llo über eine Zufuhrleitung 112 mit dem Einlaß 66 der Kammer-64-verbunden ist. Die Verstärkungsgrad-Justiervorrichtung 86, die vom; Gehäuse 12 entfernt gelegen ist, besteht im wesentlichen aus einem Strömungsmittelkanal 96 veränderlichen DurchflußquerSchnitts, der eine Einlaßkammer 88 mit dem Auslaß l-lo verbindet. Der Durchflußquerschnitt des Kanals 96 wird einerseits durch einen profilierten Ventilkörper 98, der bei loo am Gehäuse der Vorrichtung 86 verstellbar befestigt ist, und andererseits durch, einen beweg- ' liehen ringförmigen Ventilsitz 94 gesteuert, der abgedichtet und ' gleit fähig in der Kammer 88 angeordnet und. zwischen ,einem orts- .'...'\ festen Ringanschlag Io3 und einem Paket thermos tat is elier Bimetall·- elemente Io2 gelegen ist, welche am Boden Io4 einer Kammer 92 ·: anliegen. Wenn die Einlaßkammer 88 von der Hochdruckquelle 31

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mit dem Strömungsmitteldruck P beaufschlagt ist, liegt der Ventil, sitz 94 beispielsweise bei I08 an dem Paket der Bimetallelemente Io2 an, derart, daß jegliche Temperatursehwankung des die Verstärkungsgrad-Justiervorrichtung 86 durchfließenden Strömungsmittels aufgrund des Ausdehnens oderZusammenziehens der Bimetallelemente zu einer entsprechenden Änderung des DurchflußquerschnJifcs des Kanals 96 führt. In einer betrachteten Einstellung des Ventilkörpers 98 sorgen daher die Bimetallelemente gemeinsam mit dem Ventilsitz 94 für einen Temperaturausgleich, so daß der vorgegebene, den Verstärkungsgrad festlegende Stelldruck Px₂ im wesentlichen konstant gehalten wird. Da sich der Verstärkungsgrad oder die Steilheit der Servo-Stellvorrichtung Io durch Verstellung des Drucks Px_ verändern läßt, wird somit anhand der Fig. 3, die charakteristische Betriebskennlinien der Servo-Stellvorrichtung zeigt und in der die Abszisse das dem Balg 18 zugeführte Eingangsdrucksignal P^ und die Ordinate den Verschiebeweg χ der Ausgangswelle 58 darstellt, ersichtlich, daß die Änderung des Verstärkungsgrades zwischen den Kennlinien 114, 116 und 118 durch Änderung der Einstellung des Ventilkörpers 98 gegenüber dem Ventilsitz 94 der Verstärkungsgrad-Justiervorrichtung 86 erhalten wird.

Die Servosteuereinrichtung enthält ferner eine Abgleiehs-Justiervorrichtung 12o, die im wesentlichen der Verstärkungsgrad-Justier-

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Vorrichtung/entspricht und einen Strömungsmitteldruck Px, steuert, der den Hebel 14 mit einer Abgleichs-Stellkraft belastet, und zwar mittels eines auf diesen Abgleichs-Stelldruck ansprechenden beweglichen Kolbens 74, der bei 82 an einem am Hebel 14 befestigten Wulst 84 anliegt. Der Kolben 74 ist abgedichtet und

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gleitfähig in einer Bohrung 73 des Gehäuses 12 angeordnet und bildet eine Druckkammer 76, die über eine Drosselstelle 80 zum ^: Inneren des unter dem Druck P_Q stehenden Gehäuses 12 entlüftet ist und an ihrem Einlaß 78 durch eine mit dem Auslaß 144 der Abgleichs-Justiervorrichtung 12o verbundene Leitung 146: mit Strömungsmittel unter dem Druck Px, versorgt wird. Die Abgleichs-Justiervorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Kanal 13o veränderlichen Durchflußquerschnitts, der zwischen einer Einlaßkammer 122, welche über einen Einlaß l4o und eine Leitung 139 mit dem Auslaß 33 der Hochdruckquelle 31 verbunden ist, und einer Auslaßkammer 126 gelegen ist, welche mit dem Auslaß 144 verbunden ist. Der Durchflußquerschnitt des Kanals I30 wird einerseits durch einen profilierten Ventilkörper 132, der bei 134 am Gehäuse der Vorrichtung 12o verstellbar befestigt ist, und andererseits durch einen beweglichen ringförmigen Ventilsitz 128 gesteuert, der abgedichtet und gleitfähig in der Kammer 122 angeordnet ist und zwischen einem Ringanschlag 137 und einem Paket thermostatischer Bimetallelemente I36 gelegen ist, welche am Boden I38 der Auslaßkammer 126 anliegen. Wenn die Einlaßkammer 122 von der Hochdruckquelle 31 mit Strömungsmittel unter dem Regeldruck .Pr beaufschlagt wird, wird der Ventilsitz 128 beispielsweise bei 142 in Anlage gegen die Bimetallelemente I36 gedrückt, welche, wie anhand der Vorrichtung 86 oben erläutert wurde, den Temperatureinfluß auf den Abgleichs-Stelldruck Px, auszugleichen vermögen. Aus Fig. 4, die die gleichen Koordinaten wie Fig. 3 hat, ist somit ersichtlich, daß die Änderungen in der Einstellung zwischen den Kurven 114, 149 und 151 durch Änderung der Einstellung des Ventilkörpers 132

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gegenüber dem Ventilsitz 128 der Vorrichtung 12o erhalten werden können, wobei die Vorrichtung 12o vorteilhafterweise entfernt vom Gehäuse 12 gelegen ist.

Wie auch bei anderen Anwendungsfällen muß eine für ein Gasturbiner triebwerk verwendete Servosteuereinrichtung beim Einbau der Steuerung und des Triebwerks in ein Flugzeug geeicht und eingestellt werden. Erfindungsgemäß läßt sieh die Anpassung der Eingangs/Ausgangs-Beziehung der -Servo-Steuer einrichtung an die Kennlinien des Triebwerks durch die leicht zugänglichen, entfernt gelegenen Verstärkungsgrad- und Abgleichs-Justiervorrichtungen 86 und 12o vornehmen.

Das in Pig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht bezüglich des Aufbaues und der Arbeitsweise im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und wird daher nur kurz beschrieben.

Der einzige Unterschied bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. besteht darin, daß die am Hebel 14 angreifenden Verstärkungsgrad- und Abgleiche-Stellkräfte eine Funktion der Druckdifferenz -(P - Px„) bzw. (P - Px,) sind und nicht eine Funktion der Druckdifferenzen (Px₂ - P_Q) und (Px,"- P₀), die bei dem Äusführungsbeispiel gemäß Fig. 1 an den Kolben 62 bzw. 7^ angreifen. Zu'diesem Zweck ist die Rolle 5k durch ein Kraftübertragungsglied ITo, I8o, 182, I83 beaufschlagt, das mit zwei entgegengesetzt wirkenden flächengleichen Membranen 168, 176 verbunden ist,

) und die Membran 176 auf die Druckdifferenz (Px₂ - P') anspricht. Bei einer

wobei die Membran 168 auf die Druckdifferenz (P_, -

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derartigen Anordnung wird die Rolle 54 mit einer Verstärkungsgrad-Stellkraft beaufschlagt, die sich in Abhängigkeit vom Druckunterschied (P₁, - Px₂) ändert. In gleicher Welse -wird der Steuerhebel 14 durch die Membranen 192, I98 mit einer Abgleichs-Stellkraft beaufschlagt, die sieh als Funktion der Druckdifferenz (P - Px-,) ändert. Bei diesem Ausführungsb.eispiel sind die am Steuerhebel 14 angreifenden Stellkräfte im wesentlichen unab-v hängig von Druckschwankungen des regulierten Hochdrucks P„, da die Stelldrücke Px₂ und Px, über die Steuerventile 2oo und 22o veränderlichen Durchflußquerschnittes von diesem Hochdruck abgeleitet werden.

- Io -

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OBtQiNM-

Claims

Patentansprüche

( !./Bervo-Steuereinriehtung mit einer Servo-Stellvorrichtung, deren Stellmotor bewegungsschlüssig mit dem Ausgangsglied verbunden ist und durch ein Servoventil gesteuert wird, wobei zur Betätigung des Servoventils ein einstellbares Steuergestänge vorgesehen ist,, an dem einerseits ein Eingangsmoment, das ein Eingangs-Steuersignal darstellt, und andererseits ein entgegengesetzt wirkendes Rückkoppelungsmoment angreift , das die Lage des Ausgangsgliedes darstellt, und zur NachJustierung der Steilheit und/oder des Abgleiche der Servo-Stellvorriehtung eine auf das Steuergestänge einwirkende einstellbare krafterzeugende Justiervorrichtung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die krafterzeugende Justiervorrichtung mindestens ein druckempfindliches Stellglied (62,7*0 aufweist, das auf das Steuergestänge (I¹J) ein von einem vorgegebenen Stelldruck (Px₂* ^^x^ abhängiges Einstellmoment ausübt, wobei der Stelldruck durch eine verstellbare Druck-Steuereinrichtung (86_a Io2) vorgebbar ist, die. von der Servo-Stell-

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vorrichtung (lo) entfernt angeordnet 1st.
2. Servo-Steuereinrichtung nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksteuereinrichtung (86, 12o).ein verstellbares Steuerventil veränderlichen Durchflußquerschnitts (94, 98; 128, 132) enthält, das zwischen einer geregelten Strömungsmittel-Hochdruckquelle (31) und einer zum druckgesteuerten Stellglied (62, 74) führenden Auslaßleitung (112, 146) angeordnet ist, wobei zwischen der Auslaßleitung und einem Niederdruck-Strömungsmittelspeicher (152) eine feste Drosselstelle (68, 8o) vorgesehen ist. . .
3. Servosteuereinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine dem Steuerventil (94, 98; 128, 132) zugeordnete Temperatur-Ausgleichsvorrichtung (Io2, 136), die auf die Temperatur des von der Hochdruckquelle (3^) gelieferten Strömungsmittels anspricht und den Durchflußquerschnitt des Steuerventils in Abhängigkeit von der Strömungsmitteltemperatur derart verändert, daß der Stelldruck (Px₂, Px,) in der Auslaßleitung (112, 146) auch bei Schwankungen der Umgebungstemperatur im wesentlichen auf einem konstanten Wert gehalten wird. "

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Le e rs e i t e