DE602004008164T2

DE602004008164T2 - Ventilvorrichtung

Info

Publication number: DE602004008164T2
Application number: DE602004008164T
Authority: DE
Inventors: Olivier Faye; Jean-Luc Pattyn; William Barre
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2003-07-17
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2024-06-26
Also published as: EP1498646A1; US7150445B2; DE602004008164D1; US20050012061A1; EP1498646B1; JP2005048949A; FR2857719B1; FR2857719A1; JP4667779B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung vom Typ Regulierventil mit Drehverschluß, das die Einstellung des Druckverlustes in einem Fluidzirkulationskreis, wie einem in Raketentriebwerken verwendeten kryotechnischen Fluidversorgungskreis ermöglicht. Diese Art von Ventil ist mit einem Verschlußelement ausgestattet, das in Abhängigkeit seiner Position den Druckverlust und demzufolge die Fluidmenge in einer Leitung reguliert.
STAND DER TECHNIK
Regulierventile sind Kontrollorgane, die für jeden Antrieb oder jede Vorrichtung, bei der die Wirkung eines Fluids erforderlich ist, unerläßlich sind. Beispielsweise stellen in Raketentriebwerken die Regulierventile die Regulierung der Leistung und der motorinternen Parameter sicher. Die bei derartigen Antrieben durch die Ventile bewerkstelligte Regulierung muß aufgrund ihres Einflusses auf das gesamte System sowohl präzise als auch zuverlässig sein. Die derzeitige Lösung besteht darin, Sperr- oder Stellventile mit sogenannten „proportionalen" Betätigungseinrichtungen zu motorisieren, die nämlich über eine spezielle Steuervorrichtung ermöglichen, eine Übereinstimmung zwischen einem Sollwert und einer tatsächlichen Position der Betätigungseinrichtung und folglich des Ventils sicherzustellen. Die so verwendeten Ventile sind im allgemeinen von der Art Vierteldrehung-Kegelventil, -Drehschieber oder -Schlitzventil, und die Erhöhung der Einstellgenauigkeit des Ventils, die direkten Einfluß auf den Leistungsgewinn des Antriebs hat, geht über eine Erhöhung der Positioniergenauigkeit der Betätigungseinrichtung. Dies kommt durch eine Erhöhung der Kosten der Betätigungseinrichtung und des zugeordneten Bearbeitungssystems für die Kontrolle der Positionierung zum Ausdruck, die in Abhängigkeit der Erhöhung der Positioniergenauigkeit exponentiell zunehmen. Denn diese Mehrkosten werden durch die Steuerung der Betätigungseinrichtung, die eine schnellere und präzisere lokale Kontrollschleife erfordert, was bekanntlich zu sehr hohen Investitionen bei der Elektronik führt, beträchtlich erhöht.
So erreicht diese Art der Lösung schnell ihre Grenzen hinsichtlich der Leistungsanforderungen, die nun was die Entwicklungskosten anbelangt immer höher liegen, was jedoch den durch die Funktion erbrachten Gewinn anbelangt rückläufig sind.
Die Dokumente EP 1 128 108 , US 3 815 871 , US 2 639 883 , US 3 314 643 und EP 0 524 589 zeigen Ausführungen von Ventilvorrichtungen mit einem drehbaren Verschlußelement.
GEGENSTAND UND KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu beheben und eine Regulierventilvorrichtung auszubilden, die eine genaue Kontrolle des Druckverlustes ermöglicht und gleichzeitig die bei der Betätigungseinrichtung erzeugten Kosten minimiert.
Erreicht werden diese Ziele dank einer Regulierventilvorrichtung wie sie in Patentanspruch 1 definiert ist.
So verfügt man über ein Verschlußelement mit großem Regulierbereich, das eine im Vergleich zu den derzeitigen Vorrichtungen weitaus geringere Positioniergenauigkeit bei der Betätigungseinrichtung erfordert, ohne dadurch die Reguliergenauigkeit des Ventils zu verringern. Die bei der Betätigungseinrichtung erzeugten Kosten werden nun erheblich reduziert.
Aufgrund der Tatsache, daß das Verschlußelement eine mantelförmige Struktur mit Ausschnitt aufweist, ist es möglich, den Strömungskanal des Fluids der Leitung in der geöffneten Stellung vollständig freizugeben, wobei das Verschlußelement vollkommen in den Ventilteil eingezogen ist, der sich außerhalb des durch die Fluidzirkulationsleitung definierten Strömungskanals befindet. Mit anderen Worten gesagt zieht sich das Verschlußelement, wenn sich das Ventil in der Öffnungsstellung befindet, vollständig aus der Leitung zurück, so daß jedwedes Hindernis in der Zirkulationsleitung beseitigt ist und daß das Fluid ohne Druckverluste oder Störungen, die durch das Vorliegen eines Teils des Verschlußelements in der Strömung bedingt sind, frei zirkulieren kann. Demzufolge ist die Regulierfähigkeit des Ventils sehr erheblich, da sein Regulierbereich sich von einfachen Leckagen um das Verschlußelement in der Schließstellung bis hin zur vollständigen Freigabe der Leitung in der Öffnungsstellung erstreckt. Das Regulierventil gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht folglich, einen großen Regulierbereich und gleichzeitig die Beibehaltung des Vorteils der herkömmlichen Drehkegelventile, die in geöffneter Stellung an ein Rohr anpaßbar sind, zu kombinieren.
Das Profil des Ausschnitts kann in Abhängigkeit des gewünschten Druckverlustverlaufs, der linear oder auch nicht linear sein kann, definiert werden.
Der Mantel des Verschlußelements kann kegelstumpf- oder zylinderförmig ausgebildet sein.
Nach einem Merkmal der Erfindung weist der Ausschnitt ein gerades Profil auf, das eine Öffnung begrenzt, die sich verjüngt, bis sie auf das untere Ende des Mantels trifft. Dies ermöglicht, ein quasi lineares Verlaufsgefälle des Druckverlusts zu erhalten, wenn sich das Verschlußelement dreht.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist der Ausschnitt ein Profil auf, das eine Funktion des gewünschten Druckverlustverlaufs ist, der nun nichtlinear sein kann.
Die Betätigungseinrichtung umfaßt wenigstens einen Elektromotor und ein Untersetzungsgetriebe, dessen Ausgang mit der Antriebswelle gekoppelt ist.
Bei Weltraumanwendungen ist die Betätigungseinrichtung vorzugsweise langsam und nicht umkehrbar. Dies weist den Vorteil auf, die Regulierung eines gesamten Raketentriebwerks oder eines Teils dessen ohne die Notwendigkeit einer speziellen Elektronik oder einer proportionalen Steuerung im Flug zulassen zu können.
Für einen Betrieb in geschlossener Schleife kann die Betätigungseinrichtung außerdem einen Positionssensor umfassen. Für besondere Zuverlässigkeitsbedürfnisse können der Motor und/oder der Positionssensor redundant gemacht werden.
Nach einem besonderen Aspekt der Erfindung umfaßt die Ventilvorrichtung ein einstellbares mechanisches Anschlagsystem, das von einem mit der Antriebswelle fest verbundenen beweglichen Anschlag und von einem an dem Ventilkörper einstellbaren festen Anschlag gebildet ist.
Genauer gesagt umfaßt der feste Anschlag einen Ring mit einem Vorsprung, wobei der Ring an einem Flansch des Ventilkörpers in der Position einstellbar ist.
Der Ring kann eine erste Vielzahl von Löchern aufweisen, die entsprechend einem ersten Winkelabstand gleichmäßig beabstandet sind, und der Flansch des Ventilkörpers kann eine zweite Vielzahl von Löchern aufweisen, die entsprechend einem zweiten Winkelabstand gleichmäßig beabstandet sind, wobei die Einstellung des Anschlags dann durch Festlegen des Rings an dem Flansch mittels eines Sperrstifts erfolgt. Die Differenz zwischen den zwei Winkelabständen ermöglicht, eine Einstellauflösung des Anschlags zu definieren. Um die Einstellung des Anschlags zu erleichtern, können die Löcher in der radialen Ebene des Flansches und des Rings ausgebildet sein, um das Einführen des Stifts über die Seite des Flansches zu ermöglichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von besonderen, als nicht einschränkend zu verstehende Beispiele gegebenen Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen hervorgehen, in diesen zeigen:
1 eine schematische Querschnittansicht einer Ventilvorrichtung entsprechend einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
2 eine schematische Ansicht einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Verschlußelements,
3 eine Perspektivansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung,
4 eine Perspektivansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung,
5 eine perspektivische Explosionsansicht eines einstellbaren Anschlagsystems der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung,
6 eine schematische Schnittansicht, welche die Positionierung des Anschlagsystems der 4 zeigt, und
7 eine schematische Schnittansicht, die eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen einstellbaren Anschlagsystems zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
1 zeigt nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung eine Regulierventilvorrichtung, die einen Ventilkörper 10 umfaßt, der von einem unteren Körper 11 und einem oberen Körper 12 gebildet ist, die mittels einer Dichtung 17 dicht miteinander verbunden sind. Die Körper 11 und 12 umfassen Kanalabschnitte 14 bzw. 15, die eine Leitung 13 für die Zirkulation eines Fluids entlang einer Richtung E begrenzen. Die Kanalabschnitte 14 und 15 umfassen jeweils einen Anschlußflansch, um das Einfügen der Ventilvorrichtung in einen Fluidzirkulationskreis, wie zum Beispiel einen kryotechnischen Fluidkreis in einem Raketentriebwerk zu ermöglichen. Der obere Körper 12 weist einen Hohlraum 18 auf, der dazu bestimmt ist, ein Verschlußelement 40 aufzunehmen.
Das Verschlußelement 40 ist von einem Mantel 41 gebildet, der in seinem oberen Teil geschlossen ist, der durch eine (nicht dargestellte) Schulter fortgesetzt ist, die an einem die axialen und seitlichen Kräfte aufnehmenden Schräglager 16 zur Anlage kommt. Der obere Teil des Verschlußelements ist in seiner Mitte an eine Antriebswelle 37 angeschlossen, die dazu bestimmt ist, das Verschlußelement um eine Achse 38 drehanzutreiben, die der Achse der Rotation des Mantels 41 um sich selbst entspricht. In 1 weist der Mantel 41 eine Kegelstumpfform auf. Jedoch kann der Mantel in Abhängigkeit der entsprechenden Form des in dem oberen Körper 12 ausgebildeten Hohlraums 18 eine zylindrische oder andere Form aufweisen. Der Mantel 41 weist einen Ausschnitt 43 auf, der eine Öffnung an dessen Wand bildet, um die Zirkulation des Fluids in der Leitung 13 zu ermöglichen. Genauer gesagt erfolgt die Betätigung des Ventils dadurch, daß das Verschlußelement 40 zwischen einer Schließstellung, in der der Mantel 41 die Leitung 13 versperrt, und einer Öffnungsstellung, in welcher der Ausschnitt 43 mit der Leitung 13 vollkommen zusammenwirkt, wodurch ein geradliniger Strömungsquerschnitt mit sehr geringem Druckverlust freigegeben wird, in Rotation versetzt wird. Demzufolge muß der Ausschnitt 43 wenigstens einen ersten Abschnitt 43A aufweisen, der eine Öffnung mit äquivalenter Abmessung wie der Querschnitt des Kanalabschnitts 15 bildet, um das vollständige Zurückziehen des Mantels 41 zu ermöglichen, wenn sich das Ventil in der vollständig geöffneten Stellung befindet. In 1 weist der Ausschnitt 43 ein gerades Schrägprofil auf, das eine Öffnung definiert, die sich allmählich verjüngend bis zum unteren Ende des Mantels 41 verläuft.
Einer der bedeutenden Aspekte der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung liegt in der Form des Profils des Ausschnitts 43. Denn wenn das Verschlußelement 40 um seine Achse 38 zwischen der Schließ- und der Öffnungsstellung des Ventils drehangetrieben wird, können der Druckverlust in der Leitung 13 und demzufolge die Menge des Fluids in Abhängigkeit des Profils des Ausschnitts 43 kontrolliert werden, der nach und nach in dem Querschnitt des Kanalabschnitts 15 erscheint. Wie in 1 dargestellt, weist der Ausschnitt 43 ein geradliniges Profil auf, das ermöglicht, ein quasi lineares Verlaufsgefälle des Druckverlusts in Abhängigkeit der Rotation des Verschlußelements zu erhalten. Jedoch kann die Form des Profils des Ausschnitts in Abhängigkeit des gewünschten Druckverlustverlaufs im Ventil angepaßt werden.
Beispielhaft zeigt 2 ein Verschlußelement 50, dessen Mantel 51 ein nicht geradliniges Profil aufweist, um einen nicht linearen Druckverlustverlauf während der Rotation des Verschlußelements zu erhalten. Der Ausschnitt 53 weist einen Rand 54 auf, dessen Neigung derart variiert, daß er in einem ersten Abschnitt 53A des Ausschnitts eine relativ starke Neigung aufweist, während der Rand 54 in einem zweiten Abschnitt 53B eine geringere Neigung aufweist. Dies ermöglicht, eine erneutes starkes Ansteigen des Druckverlusts während der Rotation des Verschlußelements nach dem vollständigen Öffnen zu erzielen. Dies stellt nur ein Beispiel für eine Formvariante dar, die erhalten werden kann, um einem besonderen Druckverlustverlauf zu entsprechen. Gemäß der Erfindung kann jeder andere Formtyp realisiert werden, der ermöglicht, einen speziellen Druckverlustverlauf zu definieren. Man kann beispielsweise einen Ausschnitt haben, dessen Rand Zacken oder Zinnen aufweist, um Stufen in der Entwicklung des Druckverlusts zu erzeugen.
Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal des erfindungsgemäßen Verschlußelements ist die Erstreckung, über die der Ausschnitt um den Mantel herum ausgebildet werden kann. Denn um seine Funktion als Verschlußvorrichtung zu erfüllen, reicht es aus, daß das Verschlußelement 40 einen vollen Mantelabschnitt mit einer dem Querschnitt der Leitung 13 entsprechenden Breite oder spezieller mit einer dem Durchmesser des Querschnitts des Leitungsabschnitts 15 entsprechenden Breite aufweist. So wird der ganz gelassene Mantelabschnitt in einer als die Schließstellung des Ventils definierten Position den Leitungsabschnitt 15 vollkommen versperren, wodurch nahezu die gesamte Zirkulation des Fluids in diesem verhindert wird. Demzufolge kann der Rest des Umfangs des Mantels 41 verwendet werden, um den Ausschnitt zu bearbeiten. Man erhält dann ein Entwicklungsprofil, das über einen großen Bereich definiert werden kann. Bei einem Durchmesser des Querschnitts des Kanalabschnitts von beispielsweise 25 mm ist es möglich, eine Öffnung an dem Mantel zu erhalten, die sich über einen Bereich von 270° erstreckt. Es ist jedoch möglich, Öffnungen zu haben, die sich über größere Bereiche erstrecken. Im allgemeinen ist der bei dem erfindungsgemäßen Verschlußelement mögliche Maximalbereich eine Funktion des Verhältnisses zwischen dem Querschnitt der Leitung und dem Durchmesser des Verschlußelements.
So ist es möglich, die für die Betätigungseinrichtung erforderliche Präzision einzig und allein durch die Verwendung des der Erfindung eigenen Verschlußelements signifikant und wirtschaftlich zu verringern. Vergleicht man insbesondere die Lösung der vorliegenden Erfindung, die Bereiche von bis zu 270° und mehr gestattet, mit den herkömmlichen Drehkegelventilen vom Typ mit Vierteldrehung (d.h. eine Bewegung über 90°), so stellt man fest, daß die Ventilvorrichtung der vorliegenden Erfindung für eine Einstellgenauigkeit des äquivalenten Druckverlusts eine Positioniergenauigkeit im Bereich der Betätigungseinrichtung verlangt, die weitaus geringer ist als diejenige, die bei einem herkömmlichen Ventil erforderlich ist. Beispielsweise wird bei einem Ventil mit einem Bereich von 250° geschätzt, daß der Präzisionsbedarf bei der Betätigungseinrichtung fünfmal (20%) geringer ist als an einem herkömmlichen Vierteldrehungsventil, das eine Regulierbewegung von 50° zuläßt. Mit anderen Worten gesagt liegt der zulässige Maximalfehler an einer mit dem erfindungsgemäßen Ventil gekoppelten Betätigungseinrichtung bei gleicher Genauigkeit bei 0,5° anstatt bei 0,1° bei einem herkömmlichen Ventil. Dies ermöglicht, die Kosten der gesamten Vorrichtung erheblich zu reduzieren.
Um das Verschlußelement und genauer gesagt den Mantel um seine Achse 38 drehanzutreiben, ist die Antriebswelle 37 mit einer Betätigungseinrichtung 30 verbunden, die von dem Hydraulikteil der Vorrichtung, der durch den Ventilkörper 10 begrenzt ist, beabstandet ist. Obwohl die hier beschriebene Betätigungseinrichtung eine elektrische Betätigungseinrichtung ist, können andere Arten von Betätigungseinrichtungen, wie zum Beispiel hydraulische oder pneumatische Drehbetätigungseinrichtungen in der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung verwendet werden. Die Betätigungseinrichtung 30 umfaßt ein Gehäuse 31, das wenigstens einen Elektromotor 32 umschließt, der seine Bewegung auf ein Untersetzungsgetriebe 34 überträgt, dessen Ausgang mit der Antriebswelle 37 gekoppelt ist. Für Verwendungen in Onboard-Systemen, beispielweise in Raketentriebwerken, kann der Motor 32 durch Hinzufügen eines zweiten identischen Motors 33 redundant gemacht werden. Der oder die Motoren der Ventilvorrichtung der Erfindung sind vorzugsweise Gleichstrommotoren mit Bürsten, die vor allem folgendes aufweisen: Eine Fähigkeit, eine gewisse Zeit im blockierten Moment zu laufen, ein hohes Entspannungsmoment, um das Festlegen des Motors gegen ein Vibrieren sicherzustellen, eine Fähigkeit, außeratmosphärisch oder in verdünnter Atmosphäre zu laufen, sowie eine Funktionsfähigkeit in Spannungslücken.
Ein Positionssensor 35, der ebenfalls durch einen zweiten Sensor 36 redundant gemacht werden kann, ist an der Welle 37 im Bereich des Ausgangs des Untersetzungsgetriebes angeordnet, um die Durchführung der Kontrolle und gegebenenfalls der Positionsregelung in der Betätigungseinrichtung zu ermöglichen. Aufgrund der durch das Untersetzungsgetriebe induzierten geringen Betätigungsgeschwindigkeit, das vorzugsweise einen Untersetzungsfaktor von über 200 hat, und aufgrund des großen Regulierbereichs des Verschlußelements, kann die Fernsteuerung über einen Bordcomputer mit einer stark verminderten Leistung sichergestellt werden, die derjenigen entspricht, die von den üblicherweise an Raketentriebwerken verwendeten Elektroventilen verlangt wird.
So erhält man eine langsame, nicht umkehrbare Betätigungseinrichtung, die Gleichstrommotoren mit Bürsten verwendet, die eine Steuerung ohne Elektronik durch einfaches Schließen eines Steuerkreises gestatten. Diese Art von Betätigungseinrichtung weist, wenn sie mit dem Ventil der Erfindung gekoppelt ist, erhebliche Vorteile, insbesondere bei Raumfahrtanwendungen auf, da sie die Regulierung eines gesamten Raketentriebwerks oder eines Teils dessen ermöglicht, ohne eine spezielle Elektronik oder eine proportionale Flugsteuerung zu benötigen.
Wie zuvor erläutert wird der Selbstkostenpreis der Betätigungseinrichtung durch die Lockerung der Genauigkeit, die der Hydraulikteil des Ventils ermöglicht, in hohem Maße reduziert. Diese Verringerung der Genauigkeit, die im Bereich der Betätigungseinrichtung erforderlich ist, hat eine direkte Auswirkung auf das Untersetzungsgetriebe und die Positionssensoren dadurch, daß es möglich ist, kostengünstige Standarduntersetzungsgetriebe und -sensoren zu verwenden. Bei gleicher Druckverlusteinstellgenauigkeit erfordert ein herkömmliches Ventil (beispielsweise von der Art Viertelumdrehungsventil) eine Positioniergenauigkeit der Betätigungseinrichtung von 0,1°, während bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Genauigkeit von 0,5° ausreichend ist. Dies stellt einen großen technologischen Vorteil insbesondere bei kryotechnischen Anwendungen dar, bei denen das Regulieren der Spiele bei allen Temperaturen problematisch ist.
3 zeigt eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung, die ferner eine weitere Ausführungsform des Hydraulikteils der Ventilvorrichtung der Erfindung darstellt. In 3 umfaßt die Vorrichtung einen Ventilkörper 110, der von einem unteren Körper 111 und von einem oberen Körper 112 gebildet ist, die über eine Dichtung 117 dicht miteinander verbunden sind. Im Unterschied zu den Leitungsabschnitten 14 und 15 der Vorrichtung der 1, die eine axiale Leitung 13 bildeten, umfassen die Körper 111 und 112 Leitungsabschnitte 114 bzw. 115, die eine gekrümmte Leitung 113 definieren. Andererseits umfaßt der obere Körper 112 einen zylindrischen Hohlraum 118, der ein Verschlußelement 140 aufnimmt, das einen ebenfalls zylinderförmigen Mantel 141 aufweist. Der Mantel 141 umfaßt einen Ausschnitt 143, der – wie zuvor erläutert – entsprechend dem gewünschten Druckverlustverlauf unterschiedliche Formen aufweisen kann. Erfindungsgemäß soll der Ausschnitt 143 wenigstens einen ersten Abschnitt aufweisen, der eine Öffnung bildet, deren Abmessung derjenigen des Querschnitts der Leitung 113 entspricht, um das vollständige Zurückziehen des Mantels 141 zu ermöglichen, wenn sich das Ventil in der vollständig geöffneten Position befindet. So sind die Druckverluste in der Öffnungsstellung auf diejenigen reduziert, die einzig und allein durch die Form der Leitung bedingt sind.
Die Ventilvorrichtung umfaßt auch eine Betätigungseinrichtung 130 von der gleichen Art wie sie in Verbindung mit 1 beschrieben ist, die, wie sie hier dargestellt ist, Verbinder 138 und 139 für ihre Steuerung umfassen kann.
4 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung. Die Vorrichtung umfaßt einen Ventilkörper 210, welcher von zwei Leitungsabschnitten 214 und 215 gebildet ist, die eine axiale Leitung 213 definieren. Der obere Körper 212 umfaßt einen zylindrischen Hohlraum 218, der ein Verschlußelement 240 aufnimmt, das einen zylinderförmigen Mantel 241 aufweist. Der Mantel 241 umfaßt einen Ausschnitt 243, der in Abhängigkeit des gewünschten Regulierbereichs variable Abmessungen aufweisen kann. Des weiteren kann der Ausschnitt – wie oben erläutert – entsprechend dem definierten Druckverlustverlauf unterschiedliche Formen aufweisen. Erfindungsgemäß ist der Ausschnitt 243 derart bemessen, daß er das vollständige Zurückziehen des Mantels 241 aus der Leitung in der Öffnungsstellung ermöglicht. So kann in der Öffnungsstellung die Leitung 213 an ein einfaches Rohr angepaßt werden, wobei sich in dem durch die Leitung definierten Strömungskanal keinerlei Hindernis befindet.
Das Verschlußelement 240 ist mit einer Antriebswelle 237 verbunden, die mit angepaßten Betätigungsmitteln, wie sie oben beschrieben sind, verbunden ist.
Ein getrennt einstellbares mechanisches Anschlagsystem, das durch ein Hindernis festgelegt wird, kann in der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung angeordnet sein. Dieses ist in 1 durch ein Anschlagsystem 20 schematisch dargestellt, das von einem an die Antriebswelle 37 gekoppelten beweglichen Anschlag 22 und von einem einstellbaren festen Anschlag 21 gebildet ist.
Dieses einstellbare, durch ein Hindernis festlegbare Anschlagsystem, das auf einem Prinzip von Bohrungen mit unterschiedlichen Abständen beruht, wird in Verbindung mit den 3, 5 und 6 eingehender beschrieben. Das mit der Ausführungsform der 3 beschriebene Anschlagsystem 120 kann auch auf die gleiche Art und Weise mit der Ventilvorrichtung der 1 oder 4 eingesetzt werden.
Wie in 3 dargestellt ist das Anschlagsystem 120 zwischen dem Ventilkörper 110, der den Hydraulikteil der Ventilvorrichtung bildet, und der Betätigungseinrichtung 130 angeordnet. Genauer gesagt ist in 5 die Antriebswelle 137 in ihrem unteren Teil mit einem beweglichen Anschlag 122 versehen, der von einer Manschette 1221 und einem Finger 1222 gebildet ist. Die Manschette 1221 ist mit der Welle 137 über einen Keil 139 gekoppelt, der mit einer an der Welle ausgebildeten ersten Nut 1371 und mit einer in die Manschette 1221 eingearbeiteten zweiten Nut 1223 zusammenwirkt. Die Manschette kann durch jede andere gleichartige Vorrichtung mit der Antriebswelle fest verbunden sein.
Der Finger 1222 des beweglichen Anschlags 122 kommt an einem Vorsprung 1211 eines Rings 121 zum Anschlag, der um die Welle 137 herum positioniert ist. Der Ring 121 ist auf der einen Seite mit einem Flansch 150 des Ventilkörpers und auf der anderen Seite mit dem Gehäuse 131 der Betätigungseinrichtung 130 in Kontakt. Um der Betätigungseinrichtung zu ermöglichen, die durch den Motor erzeugte Rotation auf die Antriebswelle zu übertragen, weist das Gehäuse 131 der Betätigungseinrichtung ein Loch 1312 auf, das mit einem an dem Flansch 150 befestigten Aufspannstift 126 zusammenwirkt.
In dem Flansch 150 sind Löcher 1501 ausgebildet, die mit konstantem Winkelabstand, der einen Winkelabstand δ2 (6) definiert, verteilt sind. Ebenso sind in dem Ring 121 Löcher 1212 ausgebildet, die entsprechend einem Winkelabstand δ1 (6) gleichmäßig verteilt sind. Die Löcher 1501 und 1212 sind über einen gleichen Umfang in bezug auf die Rotationsachse 138 ausgebildet. Da jede Reihe von Löchern entsprechend einem konstanten Winkelabstand δ1 oder δ2 ausgebildet ist, wird die Auflösung R der Einstellung des Anschlags also durch die folgende Beziehung definiert: R = (δ2 – δ1).
Die Anzahl der erforderlichen Löcher kann dann durch die folgenden Beziehungen bestimmt werden: N1 = 360/δ1 und N2 = (δ1/2R) – 1,unter Vorbehalt, daß N2 = 360/δ2 und in Abhängigkeit des gewünschten Einstellbereichs, und mit

N1:: Anzahl der Löcher im Ring,
N2:: Anzahl der Löcher im Flansch des oberen Körpers,
R:: Einstellauflösung (in Graden),
δ1:: Winkelabstand der Löcher N1 (in Graden), und
δ2:: Winkelabstand der Löcher N2 (in Graden).

Wenn beispielsweise der Flansch des Ventilkörpers 17 Löcher (N2) aufweist, die jeweils um einen Abstand von 17° versetzt sind, und der Ring 20 Löcher (N1) aufweist, die um einen Abstand von 18° versetzt sind, so beträgt die Einstellauflösung R gleich 1° und erhält man eine Einstellgenauigkeit des Rotationsbereichs von ±0,5°.
Die Einstellung des Anschlags erfolgt durch die Positionierung und die Drehblockierung des Rings 121 an dem Flansch 150 mit Hilfe eines Sperrstifts 125 vom Typ Bolzen oder anderem, der in zwei einander gegenüberliegende Löcher eingesteckt wird. Da sich die Löcher jenseits des Gehäuses 131 der Betätigungseinrichtung befinden, wird der Vorgang des Einstellens des Anschlags durch Positionieren des Rings ohne Demontage der Betätigungseinrichtung durchgeführt. Eine Mutter 127 (3) kann vorgesehen sein, um diesen Teil des Rings 121 festzuklemmen.
7 zeigt ein Anschlagsystem ähnlich demjenigen, welches in den 5 und 6 dargestellt ist, bei dem jedoch die Einstellung des Anschlags in der radialen Ebene erfolgt. Zu diesem Zweck umfaßt das Anschlagsystem einen mit einem Vorsprung 2211 versehenen Ring 220, der an einem Flansch 250 angeordnet ist. Der Ring 220 und der Flansch 250 umfassen jeweils eine Reihe von Löchern 2212 bzw. 2501, die radial über den Umfang des Rings bzw. des Flansches ausgebildet sind. Die Reihe von Löchern 2212 definiert einen ersten Winkelabstand δ1, während die Reihe von Löchern 2501 einen zweiten Winkelabstand δ2 definiert. Die Auflösung sowie die für die Einstellung des Anschlags erforderliche Löcheranzahl werden entsprechend den zuvor für das in 6 veranschaulichte Anschlagsystem definierten Beziehungen bestimmt. Die Positionierung und die Festlegung des Rings 220 an dem Flansch 250 erfolgen mit Hilfe eines Stifts 225, der in zwei einander gegenüberliegende Löcher eingesteckt wird. Das Halten des Stifts 225 wird durch ein Blockierelement 226 sichergestellt, das in einem der benachbarten Löcher des Flansches zur Anlage kommt.
Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung ermöglicht folglich, insbesondere aufgrund der speziellen Struktur des Verschlußelements, das einen großen Regulierbereich gestattet, wodurch es möglich ist, die für die Betätigungseinrichtung erforderliche Genauigkeit zu verringern, ein kostengünstiges Hochleistungsregulierventil auszubilden. Die leichte Änderung des Profils des Ausschnitts des Verschlußelements ermöglicht darüber hinaus, sich an verschiedenartige Reguliergesetze oder -verlaufe, einschließlich für nicht lineare Entwicklungen, anzupassen. Dieses Element ist auch aufgrund der Tatsache vorteilhaft, daß es nicht zu einer Bewegungsumwandlung in dem Fluid führt, wie dies bei den linearen Ventilen mit Ritzel oder Zahnstange der Fall ist.
Darüber hinaus kann die Vorrichtung der Erfindung einen getrennt einstellbaren mechanischen Anschlag umfassen, der leicht herzustellen und zu handhaben ist.
Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung weist noch weitere Vorteile bei einer Verwendung für ein Raketentriebwerk auf. Sie ermöglicht eine Alles-oder-Nichts-Kontrolle entsprechend den üblicherweise vorliegenden Sequenzen der pneumatischen Steuerung, mit Sperren an einem zuvor eingestellten mechanischen Anschlag. Sie ermöglicht auch eine Steuerung des Raketentriebwerks in offener Schleife entsprechend vorprogrammierten Ventilpositionsgesetzen oder aber eine Regulierung des Triebwerks in geschlossener Schleife durch Einwirken auf Ventile mit oder ohne Positionssollwert.
Diese Funktionalitäten können mit der gleichen Vorrichtung sowohl am Boden als auch im Flug erhalten werden.
Durch die Verwendung kostengünstiger Technologien erbringt die Ventilvorrichtung der Erfindung im Vergleich zu ihren pneumatischen Entsprechungen, die jedoch nur die Alles-oder-Nichts-Funktion sicherstellen, einen wirtschaftlichen Gewinn und vermeidet gleichzeitig den Einsatz eines zugeordneten Elektrosteuerventils. Die Vorrichtung der Erfindung erzeugt auch keine Mehrkosten für ihren Einbau in die Trägerrakete, da sie sich ohne Hinzufügen von Bauteilen an das bestehende elektrische System anpaßt.

Claims

Regulierventilvorrichtung, die einen Ventilkörper (10) aufweist, der eine Fluidzirkulationsleitung (13) begrenzt, in der ein Verschlußelement (40) angeordnet ist, das von einem Betätigungsmittel (30) über eine Antriebswelle (37) drehangetrieben wird, wobei das Verschlußelement (40) von einem Mantel (41) gebildet ist, der einen Hohlkörper definiert, der von einer zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Wand gebildet wird, wobei die Wand in ihrem oberen Teil, der an eine Antriebswelle angeschlossen ist, verschlossen und in ihrem unteren Teil offen ist, wobei die Wand ferner einen Ausschnitt (43) aufweist, der ein schräges Profil hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausschnitt eine Öffnung definiert, die sich mit zunehmender Entfernung von dem unteren Teil der Wand allmählich vergrößert und die sich über einen Winkel von wenigstens 250° um die Wand herum erstreckt, und daß der Ausschnitt so profiliert ist, daß er in der Leitung in Abhängigkeit von der Drehstellung des Verschlußelements (40) zwischen einer Schließstellung, in der der Mantel die Leitung verschließt, und einer Öffnungsstellung, in der sich der Mantel vollkommen aus der Fluidzirkulationsleitung zurückzieht und dem Fluid ermöglicht, in der Leitung frei zu zirkulieren, einen variablen Fluiddurchgang definiert.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausschnitt (43) ein gerades Profil aufweist, das eine Öffnung begrenzt, die sich verjüngt, bis sie auf das untere Ende des Mantels trifft.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausschnitt (53) ein Profil aufweist, das eine Funktion des gewünschten Druckverlustverlaufs ist.
Ventilvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Ausschnitt über einen Winkel von bis zu 270° um den Mantel des Verschlußelements erstreckt.
Ventilvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsmittel (30) wenigstens einen Elektromotor (32) und ein Untersetzungsgetriebe (34) aufweist, dessen Ausgang mit der Antriebswelle gekoppelt ist.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (32) nicht umkehrbar ist.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsmittel (30) ferner wenigstens einen Positionssensor (35) aufweist.
Ventilvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsmittel (30) ferner einen zweiten redundanten Elektromotor (33) aufweist.
Ventilvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein einstellbares mechanisches Anschlagsystem (20) aufweist, das von einem beweglichen Anschlag (22), der mit der Antriebswelle (37) fest verbunden ist, und von einem festen Anschlag (21), der an dem Ventilkörper (10) einstellbar ist, gebildet ist.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Anschlag einen Ring (121) umfaßt, der einen Vorsprung (1211) aufweist, wobei die Position des Rings an einem Flansch (150) des Ventilkörpers einstellbar ist.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (121) eine erste Vielzahl von Löchern (1212) aufweist, die entsprechend einem ersten Winkelabstand (δ1) gleichmäßig beabstandet sind, und daß der Flansch (150) des Ventilkörpers eine zweite Vielzahl von Löchern (1501) aufweist, die entsprechend einem zweiten Winkelabstand (δ2) gleichmäßig beabstandet sind, wobei das Einstellen des Anschlags durch Festlegen des Rings an dem Flansch mittels eines Sperrstifts (135) erfolgt.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Vielzahl von Löchern in der radialen Ebene des Rings bzw. des Flansches ausgebildet sind.