DE69816956T2

DE69816956T2 - Redundantes Regelventil

Info

Publication number: DE69816956T2
Application number: DE69816956T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Fournier; Francis Meyer; Christian Languedoc; David Salze
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1997-12-29
Filing date: 1998-12-29
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2018-12-30
Also published as: EP0927845B1; US6223774B1; FR2773200B1; FR2773200A1; DE69816956D1; EP0927845A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein redundantes Regelventil, um das Durchströmen eines Fluids zu regeln, aufweisend ein Ventilhauptteil, welcher eine Passage für das Abfließen eines Fluids definiert, und ein Hauptschieberelement, welches mit Hilfe einer Hauptsteuereinrichtung bewegbar ist um die Passage wahlweise zu verschließen.
Stand der Technik
Auf 5 ist das Schema einer hydraulischen Einrichtung dargestellt, welches eine vollständige Redundanz aufweist zur Steuerung des wahlweisen Abfließens eines Fluids in einem Kreislauf, welcher Hauptleitungen 10, 13 aufweist. In diesem redundanten System sind zwischen den Hauptleitungen 10, 13 zwei parallele Leitungen 11, 12 zwischengeschaltet, auf denen jeweils zwischengeschaltet in Serie montiert ein Schließventil 21 bzw. 22 und ein Regelventil 31 bzw. 32 sind.
Der auf 5 schematisch dargestellte Aufbau bietet eine vollständige Redundanz durch die komplette Verdoppelung aller Einrichtungen (Schließventil und Regelventil), weist aber bedeutende Nachteile auf, in dem Fall, in dem dieses System mit Elementen belastet ist, die eine beträchtliche Masse besitzen, was dieses System vor allem in Raumfahrtanwendungen ausschließt.
Der vollständig redundante Aufbau weist außerdem erhöhte Kosten auf und kann schwierig umzusetzen sein mit schwierigen Übergangsphasen innerhalb eines geregelten Systems.
Wie schematisch in 6 dargestellt wurde außerdem vorgeschlagen ein Regelventil zu benutzen mit einem Ventilhauptteil 3, welcher eine Passage 4 für das Abfließen eines Fluids definiert, welcher verschlossen werden kann durch ein selektives Schließsystem aufweisend ein Schieberelement 1A, welches linear in die Passage 4 verlagert werden kann um am Anschlag um einen festen Kanal 1C des Ventilhauptteils 3 anzukommen durch Wirkung einer Steuereinrichtung 1B. Zur Vergrößerung der Sicherheit ohne unnötige Vermehrung des Gewichts oder der Kosten ist die Steuereinrichtung 1B redundant, d. h. sie weist die Steuerelemente doppelt auf, derart, dass ein Ersatzelement in Aktion treten kann im Fall des Versagens eines ersten Elements der Steuereinrichtung 1B.
Eine solche Redundanz einzelner Steuerelemente ermöglicht eine einfache Durchführung und macht die Anordnung zuverlässiger, aber bietet keine Lösung in dem Fall, dass das Schieberelement 1A selber sich als fehlerhaft erweist, z. B. aufgrund eines Verkantens. Ein solches Versagen kann aber katastrophale Folgen in einer Reihe von Anwendungen haben.
Ein Ventil entsprechend der Präambel des Anspruchs 1 ist in US-A-5 247 964 offengelegt.
Ziel und kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung zielt darauf, die oben genannten Unzulänglichkeiten zu beheben und die Sicherheit der Funktion eines Regelventils für ein Fluid zu erhöhen, ohne unnötig die Komplexität oder die Ausmaße des Systems zu erhöhen und für die Anordnung der Einrichtung eine reduzierte Masse und angemessene Kosten für Herstellung, Montage und Betrieb beizubehalten.
Diese Ziele werden erreicht mit Hilfe eines redundanten Regelventils, zum Steuern des Strömens eines Fluids, aufweisend ein Ventilhauptteil, welcher eine Passage des Abfließens eines Fluids definiert, ein Hauptschieberelement, welches mit Hilfe einer Hauptsteuereinrichtung bewegbar ist, um die Passage wahlweise zu verschließen, welches mit Hilfe einer redundanten Steuereinrichtung bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei geschlossener Stellung des Ventils, bei normalem Betrieb, das Hauptelement und das redundante Element miteinander in Kontakt sind und dass beide zusammen die Passage vollständig verschließen, und dass bei dieser geschlossenen Stellung das Haupte lement in der Nähe seiner Position maximaler Verlagerung in Richtung des Verschließens ist und nur etwa die Hälfte der Passage verschließt, während das redundante Element in einer Position mittlerer Verlagerung ist, und dass der Weg des redundanten Elements so ist, dass dieses redundante Element gesteuert werden kann, um das Verschließen der Passage zu gewährleisten, auch wenn das Hauptelement in maximal geöffneter Stellung ist.
Insbesondere ist das Hauptschieberelement oder die Hauptsteuereinrichtung mit einer Anschlageinrichtung verbunden welche in der Position der maximalen Öffnung und der normalen Schließposition des Ventils wirkt, und das redundante Schieberelement oder die redundante Steuereinrichtung ist mit einer Anschlageinrichtung verbunden, welche in der Position der maximalen Öffnung des Hauptschieberelements und in der Sicherungschließposition des redundanten Schieberelements wirkt.
Gemäß einer bestimmten Ausführungsform weist die Hauptsteuereinrichtung einen Elektromotor und eine Schraube-Mutter-Anordnung auf, welche das Hauptschieberelement antreiben. Gemäß eines Aspekts der Erfindung ist die Hauptsteuereinrichtung mit einem Regelkreis verbunden, aufweisend:

a) Mittel zur Auslösung des Öffnens des Hauptelements bis zur nominalen Öffnung gemäß einem vorgegebenen ersten Profil,
b) Mittel zum Regeln der Position, wenn die nominale Öffnung des Hauptelement erreicht ist, gemäß einem vorher definierten Parameter, der verknüpft ist mit einer Einrichtung, die durch das Strömen des Fluids durch das Ventil angetrieben ist,
c) Mittel zur Auslösung des Schließens des Hauptelements gemäß einem vorgegebenen zweiten Profil, welches ein Abbremsen am Ende der Strecke des Hauptelements gewährleistet, wobei es zum Anschlag gegen das redundante Element kommt. Insbesondere weist der mit der Hauptsteuereinrichtung und der redundanten Steuereinrichtung verbundene Regelkreis außerdem auf:
d) Mittel zum Erfassen einer Abweichung der Öffnung des Hauptelements gemäß dem ersten vorgegebenen Profil,
e) Mittel zum Steuern der Verlagerung des redundanten Elements im Fall der Abweichung vom ersten vorgegebenen Profil während des Öffnens des Hauptelements,
f) Mittel zum Erfassen einer Abweichung der Regelung des Hauptelements gemäß dem vorgegebenen Parameter,
g) Mittel zum Regeln der Verlagerung des redundanten Elements im Fall einer Abweichung der Regelung des Hauptelements,
h) Mittel zum Erfassen einer Abweichung des Schließens des Hauptelements gemäß dem zweiten vorgegebenen Profil, und
i) Mittel zur Auslösung des Verlagerns des redundanten Elements im Fall einer Abweichung vom zweiten vorgegebenen Profil während des Schließens des Hauptelements.

Gemäß einer ersten Ausführungsform sind das Hauptschieberelement und das redundante Schieberelement aus einer Hauptschieberstange bzw. einer redundanten Schieberstange gebildet, welche axial ausgerichtet und in axialer Richtung beweglich sind mit Hilfe der Hauptsteuereinrichtung bzw. der redundanten Steuereinrichtung.
Gemäß einer besonderen Ausführung sind die Hauptstange und die redundante Stange, welche axial ausgerichtet sind, bei normaler Schließposition durch vordere, plane, ringförmige Flächen in Kontakt.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform sind die Hauptstange und die redundante Stange, welche axial ausgerichtet sind, bei normaler Schließposition durch konische oder bogenförmige Drehflächen in Kontakt.
Gemäß noch einer weiteren Ausführung sind die Hauptstange und die redundante Stange koaxial und teilweise ineinander gefügt.
In diesem Fall weist die Hauptstange vorzugsweise interne Kanäle auf, welche die Durchströmung der Hauptstange gewährleisten und radial in Öffnungen in der zylindrischen Wand dieser Hauptstange münden, Dichtungen befinden sich zwischen den koaxialen zylindrischen Flächen der Hauptstange und der redundanten Stange und mindestens eine der radialen Öffnungen der Hauptstange ist selektiv verschließbar durch die zylindrische Wand der redundanten Stange, in welcher die Hauptstange eingefügt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das Hauptschieberelement und das redundante Schieberelement aus einer Hauptschieberstange bzw. einer redundanten Schieberstange gebildet, die axial ausgerichtet sind und mit Schließschiebern ausgestattet sind, die mit Hilfe der Hauptsteuereinrichtung bzw. der redundanten Steuereinrichtung drehend bewegbar sind.
Gemäß einem besonderen Aspekt weist das Ventil Einrichtungen zur Stoßdämpfung auf, welche an den Grenzflächen zum Einen der Hauptsteuereinrichtung und dem Hauptschieberelement und zum Anderen der redundanten Steuereinrichtung und dem redundanten Schieberelement angeordnet sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung der beispielhaft gegebenen besonderen Ausführungen in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen:
1 bis 4 sind schematische Ansichten, welche das Funktionsprinzip eines redundanten Regelventils entsprechend der vorliegenden Erfindung zei gen, mit einer Ansicht des Ventils in normaler Schließposition, einer Ansicht des Ventils in normaler Öffnungsposition und zwei Ansichten des Ventils in Schließposition in zwei Fällen einer Störung des Hauptschließelements des Ventils, wobei die Schieberelemente axial beweglich sind,
5 ist eine schematische Ansicht eines Systems aus dem Stand der Technik, welches eine vollständige Redundanz präsentiert mit vier Ventilen verteilt auf zwei parallele Leitungen welche jeweils zwei Ventile hintereinander aufweisen,
6 ist eine schematische Ansicht eines Ventils aus dem Stand der Technik, welches eine redundante Steuerung aufweist,
7 bis 9 sind axiale Schnittansichten von drei Ausführungen eines redundanten Regelventils entsprechend einer ersten Ausführung der Erfindung mit zwei Schieberstangen, die axial ausgerichtet und verschiebbar sind,
10 ist eine axiale Schnittsansicht eines redundanten Regelventils gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit zwei koaxialen Schieberstangen, die teilweise ineinander gefügt sind,
11 ist eine schematische Schnittsansicht, mit einer Ebene senkrecht zur Strömung des Fluids, welche ein Beispiel eines redundanten Regelventils gemäß der Erfindung zeigt, in welchem die Strömungsschieberelemente drehbar sind,
12 ist ein Schnitt entlang der Ebene XII-XII der 11 und zeigt eine Ansicht des Ventils in normaler Schließposition,
13 ist ein Schnitt entsprechend dem der 12, aber er zeigt das Ventil in maximaler Öffnungsposition des Hauptschieberelements,
14 ist ein Schnitt entsprechend dem der 12, aber er repräsentiert einen Störungsfall des Hauptschieberelements und der Schließung durch das redundante Schieberelement,
15 ist ein Schnitt entsprechend dem der 12, aber er repräsentiert einen Störfall des Hauptschieberelements und eine Öffnung durch das redundante Schieberelement,
16 ist eine axiale Querschnittsansicht eines Regelventils gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung mit zwei drehbaren axial ausgerichteten Schieberstangen, und
17 ist ein Organigramm, welches die Durchführung der Steuerbefehle der beiden Schieberstangen eines redundanten Regelventils gemäß der Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung besonderer Ausführungsformen
Man bezieht sich zunächst auf die 1 bis 4, mit Hilfe welcher die Eigenschaften und die Funktion eines Regelventils gemäß der Erfindung erklärt werden, in einem Durchführungsmodus des Typs der Translation.
Ein Regelventil gemäß der Erfindung weist ein Ventilhauptteil 300 auf, welches eine Passage 400 für das Abfließen eines Fluids definiert, welche wahlweise verschließbar ist mit einer Hauptschließanordnung 100 und einer redundanten Schließanordnung 200.
Die Hauptschließanordnung 100 weist ein Hauptschieberelement 110, Führungsmittel 120 des Hauptschieberelements 110, eine Anschlageinrichtung 102 und eine Steuereinrichtung 130 des Hauptschieberelements 110 auf. Die redundante Schließanordnung 200 weist ein redundantes Schieberelement 210, Führungsmittel 220 des redundanten Schieberelements 210, eine Anschlageinrichtung 202 und eine Steuereinrichtung 230 des redundanten Schieberelements 210 auf.
Die Hauptschließanordnung 100 und die Hauptschließanordnung 200 können weitgehend ähnliche Konfigurationen haben. Die Ausrichtung dieser beiden Anordnungen 100, 200 in Bezug auf das Ventilhauptteil ist jedoch unterschiedlich.
Wie man auf den 1 bis 4 sehen kann, sind das Hauptschieberelement 110 und das redundante Schieberelement 210 axial ausgerichtet und können mit Hilfe der Steuereinrichtungen 130 und 230 entsprechend axial verlagert werden.
Bei normaler Funktion, sind das Hauptschieberelement 110 und das redundante Schieberelement 210 miteinander in Kontakt, wenn das Ventil in geschlossener Position ist (1). In dieser normalen Schließposition, bei welcher das Abschließen in der Passage 400 durch die Schieber 110, 210 unterbrochen ist, ist der Hauptschieber 110 in der Nähe seiner Position maximaler Verlagerung in Richtung des Verschließens (Anschlageinrichtung 102 ist in seiner Position extrem links), während der redundante Schieber 210 in einer Position mittlerer Verlagerung ist (Anschlageinrichtung 202 befindet sich in mittlerer Position).
Bei Öffnung des Ventils wird der Hauptschieber 110 normalerweise auf 2 nach rechts verlagert, um das Abfließen des Fluids in der Passage 400 zu ermöglichen. Der Hauptschieber 100 wird betätigt durch die Hauptsteuereinrichtung 130, welche eine lineare Verlagerung des Hauptschiebers in die beiden Richtungen ermöglicht, die ein Regeln des Abfließens des Fluids in der Passage 400 ermöglichen. Unter normalen Betriebsbedingungen bleibt das redundante Schieberelement 210 in der gleichen Position wie auf 1 und beteiligt sich nicht an der Modulation des Stroms des Fluids, welches durch die Passage 400 zirkuliert. Das redundante Schieberelement 210 wird durch die redundante Steuereinrichtung 230 nur im Falle des Versagens des Hauptschieberelements 110 oder der Hauptsteuereinrichtung 130 angesteuert, um an der Regulation des Stroms des Fluids in der Passage 400 mitzuwirken.
3 und 4 zeigen den Fall eines Störfalls des Hauptschieberelements 110 oder seiner Hauptsteuereinrichtung 130. Im Fall der 3 ist der Hauptschieber 110 teilweise in die Passage 400 verlagert, aber aufgrund einer Störung kann er nicht weiter nach links verlagert werden um das Ventil wieder zu verschließen. Daher wird der redundante Schieber 210 durch die redundante Steuereinrichtung 230 betätigt, um im Anschlag gegen den Hauptschieber 110 zu kommen und somit das Wiederverschließen des Ventils sicherzustellen.
Im Fall der 4 ist der Hauptschieber 110 in der extremen Position maximaler Öffnung des Ventils zurückgezogen, derart, dass er nicht mal teilweise die Passage 400 verschließt. Die Anschlageinrichtung 102 befindet sich daher in der extrem rechten Position auf 4; der redundante Schieber 210 selbst wird durch die redundante Steuereinrichtung 230 derart betätigt, dass er alleine vollständig die Passage 400 verschließt. Die Anschlageinrichtung 202 ist daher in der extrem rechten Position in 4.
Aus der in 1 bis 4 verdeutlichten Funktion folgt, dass der Weg der redundanten Schieberstange 210 derart ist, dass die redundante Schieberstange 210 gesteuert werden kann, um das Verschließen der Passage 400 sicherzustellen, auch wenn die Hauptschieberstange 110 in der Position maximaler Öffnung ist.
Umgekehrt, falls die Hauptschieberstange 110 in ihrer normalen Schließposition der 1 blockiert ist, in welcher sie etwa die Hälfte des Abschnitts der Passage 400 verschließt, und falls aufgrund einer Panne diese Hauptschieberstange 110 nicht zurückgezogen werden kann, um eine Öffnung wie in 2 sicherzustellen, kann die redundante Schieberstange 210 selber nach links zurückgezogen werden (da das Anschlagelement 202 nur auf dem halben Weg ist), um eine Öffnung der Passage 400 sicherzustellen, mit einer Möglichkeit der Regulation des Abschnitts dieser Öffnung durch den redundanten Steuerschaltkreis 230.
Daher, auch wenn das Ventil in der Tat geschlossen ist (1), wird die Dichtigkeit zwischen zwei mobilen Schieberelementen 110, 210, welche definiert positioniert sind, hergestellt, das Ventil bietet daher eine Redundanz sowohl bei der Öffnung, bei der Schließung, und während der Steuerung.
Der Kanal 400 kann Querschnitte mit diversen Formen darstellen, aber stellt vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt dar. Das Hauptschieberelement 110 kann nur die Hälfte des hydraulischen Kanals 400 (1) abdecken. Dafür ist das redundante Schieberelement 210 vorgesehen, um eine vollständige Verschließung des hydraulischen Kanals 400 (4) sicherstellen zu können. Dichtungseinrichtungen (auf den 1 bis 4 nicht gezeigt) sind verbunden mit dem Hauptschieberelement 110 und dem redundanten Schieberelement 210.
Die Anschlagelemente 102, 202 können Teil der Haupt- und redundanten Steuereinrichtung 130, 230 sein oder des hydraulischen Teils des Ventils, bestehend aus dem Haupt- und redundanten Schieberelement 110, 210. Die Anschlageinrichtung 202 ist aktiv in der Schließposition des Ventils (1, linke Stellung) wie auch in einer vollständigen Öffnungsposition des Ventils (rechte Stellung wie auf 4, die einem bei vollständiger Öffnung blockiert gehaltenen Hauptschieberelement entspricht).
Die Anschlageinrichtung 202 ist in der Schließposition des Ventils durch das redundante Schieberelement 210 aktiv (4, rechte Stellung). Falls das Hauptschieberelement 110 in der Schließposition blockiert gehalten ist ( 1), und falls die Öffnung des Ventils durch die redundante Steuereinrichtung 230 gesteuert wird, kann das Anschlagselement 202 auch in eine Position extrem links kommen, entsprechend einer einfachen Öffnung des Ventils durch das redundante Schieberelement 210.
Die Steuereinrichtungen 130, 230 sind vorzugsweise vom elektrischen Typ.
Im Falle eines normalen Betriebs des Ventils durch das Hauptschieberelement 110, wird das redundante Schieberelement 210 blockiert mittels einer Bremse oder aufgrund der Irreversibilität der Steuerung z. B. wenn die Steuereinrichtung eine motorische Steuerung mit großer Übersetzung oder einen piezoelektrischen Motor umfasst.
Im Falle des Betriebs des Ventils mittels des redundanten Schieberelements 210, ist es gleichfalls vorteilhaft, das Einhalten der Position des Hauptschieberelements 110 zu gewährleisten mit einer Hauptsteuereinrichtung 130 des gleichen Typs wie jener der redundanten Steuereinrichtung 230.
Nun folgt eine Beschreibung einer ersten Ausführungsform eines Regelventils gemäß der Erfindung in Bezug auf 7 bis 9. 7 bis 9 zeigen drei Durchführungsvarianten, welche unterschiedliche Anordnung der Kontaktflächen zwischen den Enden der Hauptschieberstange 110 und der redundanten Stange 210 aufweisen. Außer diesen unterschiedlichen Geometrien der Kontaktfläche, sind die restlichen Elemente, welche das Ventil bilden, in den drei Ausführungsvarianten identisch und tragen dieselben Bezugszeichen. Diese erste Ausführungsform wird zuerst besonders beschrieben in Bezug auf 7, welche ein Ventil mit verschiebbaren Schieberstangen betrifft.
Das Ventilhauptteil 300 in 7 weist einen zentralen Teil 1301 und zwei laterale Teile 1302, 1303 auf, bezogen auf das zentrale Teil 1301 und daran angebracht durch Verbindungselemente 1306, 1309. Der zentrale Teil 1301 des Ventilhauptteils 300 definiert eine Passage 400 für das Abfließen eines Fluids mit einer Eingangsöffnung 1401, einer Austrittsöffnung 1402 und Hohlräume 1403, 1404, welche wahlweise verschlossen werden können durch eine Hauptstange 110 und eine redundante Stange 210. Im Beispiel von 7 weist die Hauptstange 110 ein von Kanälen 1113 und in seinem hinteren Bereich (auf 7 rechts) durch ein Teil mit verringertem Querschnitt 1115 verlängerten Hauptteil 1111 auf, in Kontakt mit der Steuereinrichtung 130. Das zylindrische Hauptteil 1111 dient als Führungsmittel 120 für die Hauptstange 110, in Bezug auf ein im zentralen Teil 1301 des Ventilhauptteils gebildete Bohrung. Die Dichtungen 1122, 1123, 1124 sind zwischen der äußeren zylindrischen Oberfläche des Hauptteils 1111 und der Bohrung des zentralen Teils 1301 angebracht.
Die Hauptsteuereinrichtung 130 weist einen Elektromotor 1131 auf, z. B. des bürstenlosen Typs, dessen Gehäuse mit dem lateralen Teil 1302 des Ventilhauptteils durch ein Gehäuse 1304 verbunden ist. Die Antriebswelle des Elektromotors 1131 steuert eine Schrauben 1132-Mutteranordnung 1133, welche mit dem hinteren Bereich 1115 der Hauptstange 110 verbunden ist, um lineare Verlagerungen in axialer Verschiebung derselben in einer oder der anderen Richtung auszulösen. Der Motor 1131 selber wird durch ein Regelsystem gesteuert, auf welches Signale von einem Messelement 1501 der Position der Hauptstange 110 einwirken.
Im Beispiel von 7 weist die redundante Stange 210 ein im wesentlichen zylindrisches Hauptteil 1211 auf, welches in einer zylindrischen Bohrung des zentralen Teils 1301 des Ventilhauptteils gleiten kann. Eine Dichtung 1222 ist zwischen dem Hauptteil 1211 und der zylindrischen Bohrung des zentralen Teils 1301 angebracht. Ein zylindrischer Teil mit vergrößertem Querschnitt 1212 der redundanten Stange 210 kann zum Führen und zum Anschlag im Inneren eines zylindrischen Hohlraums 1313, der im zentralen Teil 1301 des Ventilhauptteils ausgespart ist. Die redundante Stange 210 ist in ihrem hinteren Bereich verlängert (auf 7 links) durch ein Teil 1215 mit verringertem Querschnitt, in Kontakt mit einer redundanten Steuereinrichtung 230, welche einen Elektromotor 1231 aufweist, z. B. vom bürstenlosen Typ, dessen Gehäuse mit dem lateralen Teil 1303 des Ventilhauptteils über ein Gehäuse 1305 verbunden ist. Die Antriebswelle des Elektromotors 1231 steuert eine Schrauben 1232-Mutteranordnung 1233, die mit dem hinteren Teil 1215 der redundanten Stange 210 verbunden ist, um lineare Verlagerungen in axialer Verschiebung derselben in die eine oder andere Richtung auszulösen, im Falle des Versagens des Hauptschiebers 110 oder seines Steuersystems. Einrichtungen zur Schockdämpfung 1103, 1203 sind angebracht an den Grenzflächen zum einen der Hauptsteuereinrichtung 130 und dem hinteren Teil 115 der Hauptstange 110 und zum anderen der redundanten Steuereinrichtung 230 und dem hinteren Teil 1215 der redundanten Stange 210.
Das Teil vor der redundanten Stange 210 stellt in der Anordnung in 7 ein zentrales konisches Kern-Teil dar, das in das Innere eines axialen Kanals 1113 des Hauptteils 110 eindringen kann, und ein vorderes, äußeres, planes, ringförmiges Teil 1217, welches in Kontakt mit einem vorderen, äußeren, planen, ringförmigen Teil 1116 der Hauptstange 110 kommen kann, wenn das Ventil in geschlossener Position ist, in einer Situation, die entsprechend der in 1 und 3 ist, bei welcher es zu einem Kontakt zwischen den frontalen Endbereichen der Hauptstange 110 und der redundanten Stange 210 kommt. 7 selbst entspricht einer geöffneten Position des Ventils, entsprechend der in 2. Die Bezugszeichen 1112 und 1212 repräsentieren Anschlagelemente der Haupt- und redundanten Stange 110, 210.
8 und 9 entsprechen Ausführungsvarianten von 7, welche in gleicher Weise bei geöffneter Position des Ventils dargestellt sind. Identische Elemente in den Varianten von 7, 8 und 9 tragen die gleichen Bezugszeichen und werden nicht erneut beschrieben.
In der Variante von 8 ist die Oberfläche 1117 des Endabschnitts des Hauptteils 1111 der Hauptstange 110 konisch, während der Bereich 1218 des Hauptteils der redundanten Schieberstange 210 bogenförmig geformt ist, um auf einer ringförmigen Fläche mit der konischen Oberfläche 1117 in Kontakt zu kommen, wenn das Ventil in Schließposition ist. 8 entspricht selber einer geöffneten Position des Ventils, analog zu der in 2.
In der Variante von 9 bildet die Fläche 1118 des Endabschnitts des Hauptteils 1111 der Hauptstange 110 eine ringförmige Fläche, die auf einem Kragen des Hauptteils 1111 gebildet wird und dazu bestimmt ist, mit einer ebenen vorderen Fläche 1219 des Hauptteils 1211 der redundanten Stange 210 zu kooperieren, wenn das Ventil in Schließposition ist. 9 selber entspricht einer geöffneten Position des Ventils, analog zu der von 2.
10 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Elemente auf 10, welche analog zu denen der Ausführungsform von 7 bis 9 sind, tragen Bezugszeichen, welche den drei letzten Ziffern der entsprechenden bereits in Bezug auf 7 bis 9 beschriebenen Elemente. Die Elemente 301 bis 303 des Ventilhauptteils 300, welche untereinander durch Verbindungseinrichtungen 306 bis 309 verbunden sind, die Hauptsteuereinrichtung 130 und die redundante Steuereinrichtung 230, welche auf 7 bis 10 gleichartige Eigenschaften aufweisen, werden nicht erneut detailliert beschrieben.
Die Ausführungsform der 10 unterscheidet sich insbesondere durch die Tatsache, dass die Hauptstange 110 und redundante Stange 210 koaxial und teilweise ineinander gefügt sind.
Insbesondere weist die Hauptstange 110 einen Hauptteil 111 mit einem internen axialen Kanal 113 auf, der die Durchströmung der Hauptstange 110 gewährleistet und radial in Öffnungen 113a, 114 durch die zylindrische Wand der Hauptstange 110 mündet, um bei geöffneter Position des Ventils eine Passage des Fluids von der Eintrittsöffnung 401 des Ventilhauptteils durch den internen Kanal 113 und von dem internen Kanal 113 zu der Austrittsöffnung 402 durch eine Öffnung 214, welche in der zylindrischen Wand des Hauptteils 211 der redundanten Stange 210 gebildet ist, in welche die Hauptstange 110 eingefügt ist, zu ermöglichen. Die Position der Hauptstange 110 und der redundanten Stange 210 sind derart eingestellt, dass die radialen Öffnungen 114, 214 der Stangen 110, 210 in der Schließposition des Ventils entsprechend dem Fall der Situation auf 1, 3 und 4 sich nicht überlagern, oder in der in 10 dargestellten der Situation in 2 entsprechenden Öffnungsposition sich überdecken.
Auf 10 bezeichnet das Bezugszeichen 501 einen Messfühler der Position der Hauptstange 110. Dieser Messfühler 501 ist gegenüber des Hauptkörpers 111 der Hauptstange 110 platziert, könnte aber auch gegenüber dem hinteren Teil 115 dieser Hauptstange 110 angeordnet werden.
Im Betrieb dringt die Hauptstange 110 in die Bohrung 314 der redundanten Stange 210 ein und die redundante Stange selber kann auf einem begrenzten Weg verlagert werden, der aber größenordnungsmäßig doppelt so lang wie jener der Hauptstange 110 sein kann, im Inneren einer Bohrung 313, welche im Hauptteil des Ventils 300 gebildet ist.
Im Schrauben 232-Mutter 233 System der redundanten Steuereinrichtung 230, weist die Schraube 232 eine Länge auf, die doppelt so groß ist, wie diejenige der Schraube 132 des Schrauben 132-Mutter 133 Systems der Hauptsteuereinrichtung 130.
Ein Regelventil gemäß der Erfindung ist besonders geeignet im Bereich der Raumfahrt verwendet zu werden, zum Beispiel, um in eine Treibstoffversorgungsleitung eines Gasgenerators zwischengeschaltet zu werden, der zur Versorgung von Turbopumpen zur Treibstoffversorgung eines Raketentriebwerks bestimmt ist.
Die Ausführung der Steuereinrichtungen 130, 230, welche Schrauben-Muttersysteme verwenden, gewährleistet das Blockieren der Schieberstangen 110, 210 in definierten Positionen durch Regelkreise, auch in Gegenwart einer vibrierenden Umgebung und unter starkem Druck.
Ein Ventil gemäß der Erfindung wird bevorzugt positions-geregelt, innerhalb eines Regelkreises unter Berücksichtigung eines vorher definierten Parameters, der verknüpft ist mit dem Betrieb einer Einrichtung, die durch das Strömen der Flüssigkeit durch das Ventil angetrieben ist.
Im Fall der Anwendung eines Versorgungsventils eines Gasgenerators, der mit einem Raketentriebwerk verbunden ist, ermöglicht der Regelkreis die Steuerung der Leistung des Gasgenerators, der verwendet wird für den Betrieb von Turbopumpen zur Treibstoffversorgung eines Raketentriebwerks, und dadurch die Steuerung der Leistung des Raketentriebwerks ermöglicht, durch Einstellung der Position des Schieberelements des Ventils.
Der Steuerprozess eines Ventils gemäß der Erfindung, welches in einen Regelkreis integriert ist, wie der oben in Bezug auf den Betrieb eines Gasgeneratorsdefinierte, welcher mit einem Raketentriebwerk verknüpft ist, ist wie folgt:
Zunächst sind die beiden Schieberelemente (Kernkolben oder Hauptstange 110 und redundante Stange 210) in Kontakt in der Achse der Passage des Fluids (1). Wenn der Gasgenerator gezündet werden muss, wird das Ventil gemäß einem Steuerprofil geöffnet durch Wirken der Hauptsteuereinrichtung 130 auf die Hauptstange 110 (2). Wenn die Hauptstange 110 die der nominalen Öffnung entsprechende Position erreicht, wird die Verlagerung der Hauptstange 110 durch einen Parameter des Raketentriebwerks geregelt. Beim Ende des Betriebs des Raketentriebwerks wird dieses abgeschaltet durch Wirken auf das Ventil mit Hilfe der Hauptsteuereinrichtung 130, welche die Verlagerung der Hauptstange 110 gemäß einem vorgegebenen Profil steuert, welches das Bremsen oder Dämpfen am Ende des Weges berücksichtigt, um einen Stoß auf die redundante Stange 210 beim Anschlag zu vermeiden.
Die redundante Steuereinrichtung 230 greift ein im Fall des Versagens der Hauptsteuereinrichtung 130 oder der Hauptstange 110, zum Beispiel bei der Öffnung des Ventils, falls die Mittel zur Öffnung nicht befolgt werden, oder während des Regelns, falls das Messen der Verlagerung der Hauptstange 110 zeigt, dass die Hauptstange nicht erhaltenen Befehlen folgt, oder auch beim Schließen, falls die Hauptstange 110 sich in einer zurückgezogenen Position eingeklemmt befindet.
17 fasst die Hauptschritte der Funktion eines Regelkreises zusammen, welcher die Hauptsteuereinrichtung 130 und die redundante Steuereinrichtung 230 steuert.
In einem ersten Schritt 51 steuert die Hauptsteuereinrichtung 130 die Öffnung des Ventils durch Verlagerung der Hauptstange 110 gemäß einem vorgegebenen Profil. Parallel dazu, in einem Schritt 52, übermittelt ein Positionmessfühler der Hauptstange eine Information an den Regelkreis, welcher eine Prüfung gemäß einem Schritt 53 bewirkt. Falls festgestellt wird, dass die Öffnung des Ventils nicht gemäß dem vorgegebenen Profil ausgeführt wird, kommt es zu einer Weiterleitung an den Befehlsschritt 54, durch die redundante Steuereinrichtung 230 zum Verlagern der redundanten Stange 210, um die Öffnung des Ventils gemäß dem vorgegebenen Profil zu gewährleisten.
Der folgende Schritt 55 besteht aus der Steuerung der Position der Hauptstange 110 gemäß einem vordefinierten Parameter (wie ein Parameter, der mit dem Betrieb eines Gasgenerators verknüpft ist, dessen Versorgung das Ventil gewährleistet).
Parallel dazu, im Schritt 56, sendet ein Messfühler der Position der Hauptstange 110 eine Information an den Regelkreis, welcher eine Prüfung gemäß Schritt 57 bewirkt. Falls festgestellt wird, dass die Änderungen der Position der Hauptstange 110 nicht den Steuerbefehlen entsprechen, wird zu einem Steuerschritt 58 weitergeleitet, durch die redundante Steuereinrichtung 230 der Position der redundanten 210, um die gesteuerte Öffnung des Ventils gemäß den Änderungen des vordefinierten Parameters zu gewährleisten.
Der folgende Schritt 59 besteht aus der Steuerung, durch die Hauptsteuereinrichtung 130, des Schließens des Ventils durch Verlagern der Hauptstange 110 gemäß einem vorgegebenen Profil.
Parallel dazu, im Schritt 60, sendet ein Messfühler der Position der Hauptstange 110 eine Information an den Regelkreis, welcher einen Test gemäß Schritt 61 bewirkt. Falls festgestellt wird, dass die Schließung des Ventils gemäß dem vorgegebenen Profil arbeitet, wird zu Schritt 63 weitergeleitet, welcher das Ende des Prozesses bildet, oder ein Schritt des Wartens auf einen nächsten Befehl zum Öffnen mit Wiederholung der verschiedenen Schritte ab Schritt 51.
Falls im Gegenzug das Schließen des Ventils nicht gemäß dem vorgegebenen Profil agiert, steuert der Test 61 das Weiterleiten zu Schritt 62, gemäß welchem der Steuerbefehl zum Schließen des Ventils durch die redundante Steuereinrichtung 230 ausgelöst wird, durch Verlagern der redundanten Stange 210 gemäß einem vorgegebenen Profil, vor dem abschließenden Schritt 63.
11 bis 16 betreffen eine weitere Ausführungsform der Erfindung in welcher das Hauptschließelement 100' und das redundante Schließelement 200', obwohl axial angeordnet wie gemäß den 1 bis 4 und 7 bis 10, weisen ein Hauptschieberelement 110' bzw. ein redundantes Schieberelement 210' auf, die nicht in Translation verschiebbar sind, aber um ihre Achse drehbar sind, derart, dass sie ermöglichen, das Öffnen des Ventils auf redundante Art zu gewährleisten, gemäß einem Prozess, der dem im Bezug auf die vorhergehenden Ausführungsformen beschriebenen ähnlich ist.
In der Ausführungsform in 11 bis 16 tragen Elemente, die denen der Ausführungsformen in 1 bis 4 und 10 ähnlich sind, die gleichen Bezugszeichen entsprechend dem ursprünglichen Zeichen. Daher wird nicht von neuem jedes der das redundante Regelventil mit drehbaren Schieberelementen bildende Element detailliert beschrieben.
In 11 sind schematisch dargestellt die Hauptsteuereinrichtung 130' und redundante Steuereinrichtung 230', die Einrichtung 102', aufweisend die Anschlageinrichtungen zum Öffnen und zum Schließen des Ventils durch die Hauptschließanordnung 100', die Einrichtung 202, aufweisend mindestens eine Anschlageinrichtung des Öffnens des Ventils durch die redundante Schließeinrichtung 200', die Dichtungen 122', 222', und das Hauptschieberelement 110' und redundante Schieberelement 210' zum Verschließen des Kanals 400' zum Abfließen des Fluids angebracht im Ventilhauptteil 300'.
Wie aus 11 und 12 ersichtlich, sind das Hauptschieberelement 110' und das redundante Schieberelement 210' gebildet aus gekrümmten Platten in Form von Zylindersektionen, welche Teil sind der drehbaren Stangen, ausgerichtet von der Hauptschließanordnung 100' und der redundanten Schließanordnung 200'.
In der normalen Schließposition in 11 und 12 ist der Kanal 400' völlig verschlossen durch die in Schließposition platzierten Haupt- (110') und redundanten (210') Schieberelemente, wobei jedes der Schließelemente 110', 210' die Hälfte des hydraulischen Kanals 400' verschließt.
Das redundante Schieberelement 210' erstreckt sich über einen größeren Winkelsektor als das Hauptschieberelement 110'. Während der normalen Öffnung des Ventils wird das Hauptschieberelement 110' effektiv nur bis zum Erreichen der maximalen Öffnungsposition, dargestellt in 13, zurückgezogen, so dass dieses Hauptschieberelement 110' nur auf die Hälfte der Passage des Kanals 400' wirkt. Im Fall des Versagens des Hauptschieberelements 110' muss das redundante Schieberelement 210' verlagert werden können, entweder durch Rotation im Sinne eines Zurückziehens aus dem Kanal 400' (15), um das Öffnen des Ventils zu gewährleisten, oder im Sinn eines totalen Verschließens des Kanals 400' (14) durch Wiederanschließen an das in Öffnungsposition blockierte Hauptschieberelement. Das redundante Element 210' muss daher einen Winkelsektor abdecken können, welcher der Gesamtheit der Passage des Kanals 400' entspricht.
16 zeigt ein spezielles Beispiel der Ausführung eines vollständig redundanten Ventils mit drehbaren Schließelementen.
Das Ventilhauptteil weist die Elemente 301' und 305' auf miteinander verbunden durch Bindeeinrichtungen 306' bis 311'. Der Kanal 400' zum Abfließen des Fluids weist einen Eingang 401' und einen Ausgang 402' und Leitungen 113', 114' auf, die in den Hauptendabschnitten 111', 211' des Hauptschieberelements 110' und redundantem Schieberelement 210' gebildet sind. Die Leitungen 113', 114' werden nur in teilweise oder vollständige Verbindung gebracht durch die wahlweise Funktion der relativen Rotationspositionen der Schieberelemente 110' und 210', gemäß einem Prozess, der analog zu dem ist, der in Bezug auf 11 bis 15 beschrieben wurde. 16 stellt eine Öffnungsposition des Ventils dar. In einer normalen Schließposition wirken die Steuereinrichtung 130' und 230' auf die hinteren Bereiche 115', 215' der drehbaren Haupt- 110' und redundanten 200-Stangen, derart, dass die Schieberelemente 110', 210' jeweils die Hälfte des Querschnitts der Passage 400' bei den Leitungen 113', 114' verschließen.
Die Haupt- und redundante Steuereinrichtung 130', 230' weisen vorzugsweise jeweils einen Elektromotor auf, der geeignet ist durch eine Schrauben-132', 232'-Mutter 133', 233'-Anordnung oder analoge Anordnung eine Verlagerungsbewegung mit Bremsen oder Sicherstellen des Festhaltens der drehbaren Elemente zu übertragen in der Position, die von der jeweiligen Steuereinrichtung beeinflusst wird.
Die Bezugszeichen 122' bis 125' und 123', 224' repräsentieren diverse Dichtungen, die mit dem Hauptschließelement 100' und dem redundanten Schließelement 200' verbunden sind.
Das Bezugzeichen 501' bezeichnet einen Winkelpositionsmessfühler der Hauptschließeinrichtung 100'. Dieser Fühler 501' kann natürlich an verschiedenen Stellen angebracht werden.
Die Bezugszeichen 102' und 202' bezeichnen Anordnungen, die einen Anschlag und Schockdämpfungen während der Rotation der Hauptschließanordnung 100' und redundanten Schließanordnung 200' bilden.

Claims

Redundantes Regelventil, um das Durchströmen eines Fluids zu regeln, aufweisend einen Ventilhauptteil (300, 300'), welcher eine Passage (400, 400') für das Abfließen eines Fluids definiert, ein Hauptschieberelement (110, 110'), welches mit Hilfe einer Hauptsteuereinrichtung (130, 130') bewegbar ist, um die Passage (400, 400') wahlweise zu verschließen, und ein redundantes Schieberelement (210, 210'), welches mit Hilfe einer redundanten Steuereinrichtung (130, 130') bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei geschlossener Stellung des Ventils, bei normalem Betrieb, das Hauptelement (110, 110') und das redundante Element (210, 210') miteinander in Kontakt sind und beide zusammen die Passage vollständig verschließen, und dass bei dieser normalen geschlossenen Stellung das Hauptelement (110, 110') in der Nähe seiner Position maximaler Verlagerung in Richtung des Verschließens ist und nur etwa die Hälfte der Passage (400, 400') verschließt, während das redundante Element (210, 210') in einer Position mittlerer Verlagerung ist, und dass der Weg des redundanten Elementes (210, 210') so ist, dass dieses redundante Element (210, 210') gesteuert werden kann, um das Verschließen der Passage (400, 400') zu gewährleisten, auch wenn das Hauptelement (110, 110') in maximal geöffneter Stellung ist.
Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptschieberelement (110, 110') oder die Hauptsteuereinrichtung (130, 130') mit einer Anschlageinrichtung (102, 102') verbunden ist, welche in der Position der maximalen Öffnung und in der normalen Schließposition des Ventils wirkt, und dass das redundante Schieberelement (210, 210') oder die redundante Steuereinrichtung (230, 230') mit einer Anschlageinrichtung (202, 202') verbunden ist, welche in der Position der maximalen Öffnung des Haupt schieberelements (110, 110') und in der Sicherungsschließposition des redundanten Schieberelements (210, 210') wirkt.
Ventil gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es Dichtungseinrichtungen (121 bis 124, 222, 223; 1122 bis 1124, 1222; 122' bis 125', 222', 223') aufweist, welche in der Nähe des Hauptschieberelements (110, 110') und des redundanten Schieberelements (210, 210') angeordnet sind.
Ventil gemäß einer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptsteuereinrichtung (130) einen Elektromotor (131; 1131) und eine Schraube-Mutter-Anordnung (132, 133, 1132, 1133) aufweist, welche das Hauptschieberelement (110) antreiben.
Ventil gemäß einer der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die redundante Steuereinrichtung (230) einen Elektromotor (231; 1231) und eine Schraube-Mutter-Anordnung (232, 233, 1232 1233) aufweist, welche das redundante Schieberelement (210) antreiben.
Ventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptsteuereinrichtung (130, 130') mit einen Regelkreis verbunden ist, aufweisend a) Mittel (51) zur Auslösung des Öffnens des Hauptelements (110) bis zur nominalen Öffnung gemäß einem vorgegebenen ersten Profil, b) Mittel (55) zum Regeln der Position, wenn die nominale Öffnung des Hauptelements (110) erreicht ist, gemäß einem vorher definierten Parameter, der verknüpft ist mit einer Einrichtung, die durch das Strömen des Fluids durch das Ventil angetrieben ist, c) Mittel (59) zur Auslösung des Schließens des Hauptelements (110, 110') gemäß einem vorgegebenen zweiten Profil, welches ein Abbremsen am Ende der Strecke des Hauptelements (110, 110') gewährleistet, wobei es zum Anschlag gegen das redundante Element (210, 210') kommt.
Ventil gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Hauptsteuereinrichtung (130, 130') und der redundanten Steuereinrichtung (230, 230') verbundene Regelkreis ferner aufweist: d) Mittel (52, 53) zum Erfassen einer Abweichung der Öffnung des Hauptelements (110, 110') gemäß dem ersten vorgegebenen Profil, e) Mittel (54) zum Steuern der Verlagerung des redundanten Elements, im Fall der Abweichung vom ersten vorgegebenen Profil während des Öffnens des Hauptelements (110, 110'), f) Mittel zum Erfassen einer Abweichung der Regelung des Hauptelements (110, 110') gemäß dem vorgegebenen Parameter, g) Mittel (58) zum Regeln der Verlagerung des redundanten Elements (210, 210') im Fall einer Abweichung der Regelung des Hauptelements (110, 110'), h) Mittel (59, 61) zum Erfassen einer Abweichung des Schließens des Hauptelements (110, 110') gemäß dem zweiten vorgegebenen Profil, und i) Mittel (62) zur Auslösung des Verlagerns des redundanten Elements (210, 210') im Fall einer Abweichung vom zweiten vorgegebenen Profil während des Schließens des Hauptelements (110, 110').
Ventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptschieberelement und das redundante Schieberelement aus einer Hauptschieberstange (110) bzw. einer redundanten Schieberstange (220) gebildet sind, die axial ausgerichtet sind und in axialer Richtung beweglich sind mit Hilfe der Hauptsteuereinrichtung (130) bzw. der redundanten Steuereinrichtung (230).
Ventil gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Hauptstange (110) und die redundante Stange (210), die axial ausgerichtet sind, bei normaler Schließposition durch vordere, plane, ringförmige Flächen (1116, 1217, 1118, 1219) in Kontakt sind.
Ventil gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptstange (110) und die redundante Stange (210), die axial ausgerichtet sind, bei nor maler Schließposition durch konische oder bogenförmige Drehflächen (1117, 1218) in Kontakt sind.
Ventil gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptstange (110) und redundante Stange (210) koaxial und teilweise ineinander gefügt sind.
Ventil gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptstange (110) interne Kanäle (113) aufweist, die die Durchströmung der Hauptstange (110) gewährleisten und radial in Öffnungen in der zylindrischen Wand dieser Hauptstange münden, dass sich Dichtungen (123, 124) zwischen den koaxialen zylindrischen Flächen der Hauptstange (110) und der redundanten Stange (210) befinden und dass mindestens eine der radialen Öffnungen der Hauptstange (110) selektiv verschließbar ist durch die zylindrische Wand der redundanten Stange (210), in welcher die Hauptstange (110) eingefügt ist.
Ventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptschieberelement und das redundante Schieberelement aus einer Hauptschieberstange (110') bzw. einer redundanten Schieberstange (220') gebildet wird, die axial ausgerichtet sind und mit Schließschiebern ausgestattet sind, die mit Hilfe der Hauptsteuereinrichtung (130'), respektive der redundanten Steuereinrichtung (230') drehend bewegbar sind.
Ventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es Einrichtungen zur Stoßdämpfung (1103, 1203) aufweist, welche an den Grenzflächen zum einen der Hauptsteuereinrichtung (130) und dem Hauptschieberelement (110) und zum anderen der redundanten Steuereinrichtung (230) und dem redundanten Schieberelement (210) angeordnet sind.
Ventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es verwendet wird zur Steuerung der Treibstoffversorgung eines Gasgenerators, der zur Gewährleistung des Antriebs von Turbopumpen zur Treibstoffversorgung eines Raketentriebwerks bestimmt ist.
Ventil gemäß Anspruch 7 und Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebene Parameter aus der Leistung des Gasgenerators besteht.