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Regeldüse für Freistrahlturbinen, Nadelventil od. dgl.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeldüse für Freistrahlturbinen bzw. auf Nadelventile od. dgl. und betrifft eine Einrichtung zum Ausgleich der auf die Regulier-bzw. Anschlussnadel wirkenden Kräfte.
Bei solchen Regeldüsen wechselt bekanntlich die zum Steuern der Düsennadel aufzuwendende Kraft, die entweder mechanisch oder hydraulisch auf die Nadel übertragen wird, in Abhängigkeit von der jeweiligen Nadelstellung. Beim Öffnen der Nadel ist diese Kraft zunächst nahe der Schliessstellung am kleinsten, - wird dann umso grösser je weiter die Nadel zurückgezogen, also geöffnet wird. denn mit zunehmender Öffnung gelangt jeweils eine immer grössere Fläche des Nadelkopfes in den Wirkungsbereich der durch die Nadel gesteuerten Betriebsflüssigkeit.
Zum Ausgleich derartiger Kräfte wurden schon Federn eingebaut, deren Verwendung aber nur in be- schränktem Masse möglich ist, denn bei grossen zu steuernden Strahlquerschnitten und insbesondere bei der Steuerung unter hohem Druck stehender Flüssigkeiten wachsen die auf die Nadelwirkenden hydraulischen Kräfte derartig an, dass solche Ausgleichsfedern untragbare Ausmasse erhalten müssten. Insbesondere wäre die Unterbringung derartig grosser Federn in der hiefür hohl ausgebildetenDüsennadel sehr schwierig. Man hat deshalb schon versucht, den Ausgleich statt durch Druckfedern auf hydraulischem Wege durchzuführen, u. zw. mittels eines besonderen hydraulischen Servomotors, der auf der aus dem Düsengehäuse herausgeführten Düsennadel angeordnet wurde. Diese Lösung ist jedoch nur bei Freistrahldüsen bzw.
Ventilgehäusen mit gekrümmtem Düsengehäuse anwendbar und erfordert ausserdem eine relativ grosse Baulänge.
Ausserdem wurde auch schon vorgeschlagen, eine Verminderung der auf die Düsennadel im öffnenden Sinne wirkenden hydraulischen Kräfte dadurch zu erzielen, dass die Düsennadel hinter dem Nadelkopi so weit wie möglich verjüngt wurde. Dabei ist es auch bekannt, die Verjüngung am Nadelkopf innerhalb der Führungshülse am äusseren Umfang der Hohlnadel anzuordnen. Dies hat jedoch zur Folge, dass bei einer ausreichenden Verjüngung die ausserdem meistens verwendete und in der hohlen Düsennadel angeordnete Ausgleichsfeder nur einen geringen Windungsdurchmesser erhalten kann und daher relativ lang ausgeführt werden muss. Bei dieser Ausführung ist auch der für die Steuerung der Nadel vorgesehene hydraulische Servomotor in dem zur Führung der Nadel dienenden Nabenkörper untergebracht.
Da mit Rücksicht auf den kleinen Durchmesser dieses nabenförmigen Gehäuses nur für kleine Kolbenflächen Platz vorhanden ist, wurde zur Erhöhung der von dem Servomotor auszuübenden Steuerkräfte eine Doppelanordnung von zwei hintereinanderliegenden Servomotoren gewählt.
Die Erfindung gibt nun eine neue Lösung an, bei der auch für hohe Ansprüche, insbesondere hohe Ge- fälle, beiFreistrahlturbinen eine relativ kurz bauende, leicht zu steuernde Regulierdüse ausgeführt werden kann.
Gemäss der Erfindung wird bei Regeldüsen mit einer koaxial zum Düsengehäuse angeordneten Führungshülse, in der eine hohle, Regulier- bzw. Abschlussnadel axial verschiebbar gelagert ist, und mit einem in der hohlen Nadel a. ngeordneten hydraulischen Regelservomotor sowie mit einer hydraulischen und einer mechanischen Einrichtung zum Ausgleich der vom Wasserdruck her imSchliesssinn auf die hohle Nadel wirkenden Kräfte vorgeschlagen, auch die hydraulische Ausgleichseinrichtung innerhalb des hohlen Nadelschaftes anzuordnen.
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Nach ebem weiteren Vorschlag der Erfindung wird die hydraulische Ausgleichseinrichtung aus einem durch den hohlen Nadelschaft gebildeten Zylinder und einem in den Zylinder hineinragenden, mit der feststehenden Führungshülse verbundenen Kolben gebildet, wobei der Zylinderraum an einen etwa konstanten Druck, etwa den Betriebswasserdruck, angeschlossen ist.
Zweckmässigerweise sind der Ausgleichsservomotor und der Regelservomotor in der Weise räumlich in Achsrichtung gesehen hintereinander angeordnet, dass der mit der Führungsbüchse verbundene, feststehende Kolben auf der einen Seite den Zylinderraum des Ausgleichsservomotors und auf der andern Seite den Zylinderraum des Regelservomotors abschliesst. Der Kolben ist dabei mittels einer durch den Nadelhohlraum hindurchgeführten Stange an der rückwärtigen Abschlusskappe der Nadelführungshülse befestigt.
Zur Unterbringung des vom Regler gesteuerten Regelservomotors und etwa auch der mechanischen Entlastungseinrichtung (Feder) in dem Nadelhohlraum wird der, entgegen der Strömungsrichtung gesehen, vordere, als Zylinder des Ausgleichsservomotors dienende Hohlraum der Düsennadel durch einen Zwischenboden abgegrenzt, durch den die Kolbenstange hindurchgeführt ist und wobei der Zwischenboden zusammen mit dem freien Nadelende und dem durch eine Kappe abgeschlossenen hinteren Ende der Nadelführungshülse den Regelservomotor bildet.
Die mechanische Entlastungseinrichtung, welche in an sich bekannter Weise aus einer konzentrisch zur Kolbenstange angeordneten Feder besteht, ist ebenfalls innerhalb des hohlen Nadelschaftes angeordnet. Die Federteller sind auf der Kolbenstange geführt und arbeiten mit Anschlägen auf der Kolbenstange bzw. dem Nadelschaft zusammen.
Für Regeldüsen, bei denen infolge der besonderen Ausbildung der Düsennadel und je nach der Grösse des Ausgleichsservomotors und des weiteren je nach der Charakteristik der mechanischen Entlastungseinrichtung sehr grosse Schliesskräfte erforderlich sind, wird zur Erzeugung dieser grossen Kräfte der Regelservomotor doppeltwirkend ausgebildet. Zu diesem Zweck bildet der Zwischenboden zusammen mit der hinteren Kolbenfläche des Ausgleichsservomotors und der die beiden Kolbenflächen umschliessenden Nadelwand einen zweiten Regelservomotor, der zweckmässigerweise ebenfalls vom Drucköl des Reglers beaufschlag wird.
Eine weitere günstige Ausbildung der Regeldüse wird durch die Anordnung des hydraulischen Aus- gleichsservomotors, entgegen der Strömungsrichtung gesehen, im hinteren Teil des hohlen Nadelschaftes und des Regelservomotors im vorderen Nadelraum erzielt.
Hiedurch wird unter anderem der Vorteil erreicht, dass eine besondere Abdichtung des Führungsspaltes zwischen dem Nadelschaft und der Führungshülse wegfällt. Der Arbeitsraum des Ausgleichsservomotors ist bei dieser Ausführung mit dem Betriebswasser verbunden und steht unter Betriebswasserdruck. Somit verbindet der Führungsspalt zwischen dem Nadelschaft und der Führungshülse zwei. die gleiche Flüssigkeit und den gleichen Druck enthaltende Räume, nämlich den Arbeitsraum des Ausgleichsservomotors mit dem eigentlichen Strömungsraum im Düsengehäuse. Eine Abnützung der Nadelführung bringt daher keine nachteiligen Wirkungen mit sich.
Da. bei dieser Ausführung das hintere Ende des Nadelschaftes den unter Betriebswasserdruck stehenden Arbeitsraum des Ausgleichsservomotors bildet, ist es nicht mehr unbedingt notwendig, das hintere Ende der Führungshülse durch eine mit Durchtrittsöffnungen versehene Kappe abzuschliessen. Das Hülsenende kann in diesem Fall, soweit das strömungstechnisch zulässig ist, offen gelassen und die Kolbenstange des Ausgleichsservomotcrs an irgendeinem Tragteil der Führungshülse befestigt sein.
Die Erfindung ist in der Zeichnung an zwei Ausführungsbeispielen im Längsschnitt dargestellt. Es
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Entlastungseinrichtung sowie dem vom Regler gesteuerten Öldruckservomotor, Fig. 2 eine Regeldüse, die im wesentlichen der Ausführung nach Fig. l entspricht, bei der jedoch der vom Regler beeinflusste DruckServomotor doppeltwirkend ausgebildet ist und Fig. 3 eine Regeldüse, bei der der Regelservomotor, entgegen der Strömungsrichtung gesehen, vorne und der Ausgleichsservomotor hinten angeordnet sind.
In Fig. 1 ist mit 1 die Abschluss-und Reguliernadel für die Zulaufleitung einer Freistrahlturbine bezeichnet, durch die der Austrittsquerscbnitt 2 des geradlinig ausgebildeten Düsengehäuses 3 gesteuert werden soll. Die Reguliernadel 1 ist zusammen mit ihrem Schaft 4 in einer koaxial zum Düsengehäuse 3,
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hülse 5 ist an ihrem hinteren Ende durch eine Kappe 50 flüssigkeitsdicht abgeschlossen.
Die Reguliemadel 1 und ihr Schaft 4 sind hohl ausgebildet, u. zw. bildet ein Teil ihres Hohlraumes, nämlich der Teilraum 6, zusammen mit einem Kolben 60 einen Druck-Servomotor (Ausgleichsservomotor A). Hiebei ist der Kolben 60 mittels einer Stange 7 an der Hülsenkappe 50 befestigt, also festste hend, während der Servomotorzylinder als ein Teil der Düsennadel (1, 4) axial hin-und hergleiten kann.
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Das durch das Gehäuse strömende Betriebswasser wird durch Öffnungen 8 der Führungshülse 5, sowie durch Öffnungen 9 des Nadelschaftes 4 in den Nadelhohlraum 6, d. h. in den Zylinder des Ausgleichsservomotors A geführt. Das Druckwasser kann aber auch durch eine Bohrung 22 dei Kolbenstange 7 und des Kolbens 60 zugeführt werden. Sofp, m eine Zufuhrung der Druckflüssigkeit an dieser Stelle vermieden werdensoll, wenn etwa das Wasser stark sandhaltig ist, kann das Betriebsdruckwasser für diesen Servomotor an einer andern geeigneten Stelle der Rohrleitung abgezweigt und durch eine besondere Leitung 10 sowie Öffnungen 11 in den Nadelhohlraum 6 eingeleitet werden.
Der Nadelschaft 4 weist einen Zwischenboden 15 auf, der flüssigkeitsdicht auf der Kolbenstange 7 gelagert ist. Dieser mit der Nadel axial bewegliche Zwischenboden bildet zusammen mit dem rechten Ende des Nadelschaftes 4 den Kolben des vom Regler gesteuerten Druckscrvomotors (Regelservomotor B), aessen feststehender Zylinder durch die Führungshülse 5 und ihre Kappe 50 gebildet wird. Durch die Leitung 16-ist dieser Regelservomotor B an den Steuerregler angeschlossen. In dem vom Regler gesteuerten Servomotor B ist auch eine Entlastungsfeder 12 mit Federtellern 13 und 14 konzentrisch zur Kolbenstange 7 angeordnet. Die axialen Bewegungen dieser Federteller werden, wie später* noch näher erläutert ist, durch Anschläge 70 bzw. 170 auf der Kolbenstange begrenzt.
Soferne vom Druckraum des Ausgleichsservomotors A Druckwasser durch die Lauffläche des Kolbens 60 hindurchtritt, ist zum Abführen des Sickerwassers eine Ableitung 18 vorgesehen. In der Ableitung 18 ist auch noch eine Drossel 23 vorgesehen, wel- che die Aufgabe hat, die bei etwaigem zuschnelleIlSchU6ssen bzw. Öffnen der Nadel, beispielsweise infolge ssruchesderAusgleichsfeder 12, in den Zylinderraum 210 vom Zwischenboden angesaugte bzw. herausgedrückte Flüssigkeit zu drosseln, so dass dadurch die Bewegungen der Düsennadel gedämpft werden. Auf dem Nadelschaft 4 sind Dichtungen 26 für die Nadelführung vorgesehen.
Für die Rückführung der durch die Düsennadel ausgeführten Bewegungen ist in a n sich bekannter Weise ein Rückführhebel 19 vorgesehen, der beispielsweie mittels Federkraft ständig am Stirnflansch 20 des Nadelschaftes anliegt und so dessen Stellung abtastet und weiter meldet. Der Stirnflansch 20 ist mit Bohrungen 17 versehen,'die mit Bohrungen 17a im Federteller 14 in Verbindung stehen und durch die das aus der Leitung 16 dem Regelservomotor B zugeführte Drucköl in den Zylinderraum desselben gelangt.
Die in Fig. 1 dargestellte Regeldüse arbeitet folgendermassen :
Die vom Betriebswasser beaufschlagte Fläche des Kolbens 60 des Ausgleichsservo'1lotors A ist so bemessen, dass in der in Fig. l dargestellten Schliessstellung der innen auf die Nadel auf Schliessen wirken- de Wasserdruck des Ausgleichsservomotors A etwa kleiner ist als der auf die äussere Fläche des Nadelkopfes auf Öffnen wirkende Wasserdruck zusammen mit der in dieser Stellung auf Öffnen wirkenden Kraft der Ausgleichsfeder 12. Der vordere Federteller 1S liegt dabei am Bund 70 der Kolbenstange 7 und der hintere Federteller 14 stützt sich gegen den mit dem Nadelschaft 4 verbundenen Flansch 20 ab.
Somit verbleibt von der Schliessstellung an eine im Öffnungssinne auf die Düsennadel wirkende, beliebig klein wählbare Kraft übrig, der vom Regelservomotor B das Gleichgewicht zu halten ist.
Zum Bewegen der Düsennadel 1 aus der dargestellten Schliessstellung in eine gewünschte Öffnungsstellung wird der Öldruck im Regelservomotor B so weit vermindert, bis die auf die Düsennadel im Öff-
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gleichsservomotors A überwinden und die Düse in die gewünschte Stellung bewegen. Durch diese Öffnungsbewegungen der Nadel wird der unter der Dluckwirkung der Ausgleichsfeder 12 stehende und so nachfolgende Federteller 14 nach rechts gegen den Blind 170 der Kolbenstange 7 bewegt. Beim Anschlag des Federtellers 14 am Bund 170 ist die Ausgleichsfeder 12 nahezu entspannt und hinsichtlich ihrer Öffnungstendenz nunmehr wirkungslos. In dieser Anschlagstellung des Federtellers 14 ist auch der Zwischenboden 15 gerade am andernFederteller 13 zum Anschlag gekommen.
Die vom Betriebswasser beaufschlagte äussere Fläche des Nadelkopfes ist jetzt so gross, dass der Ausgleichsservomotor A allein nicht mehr zum Ausgleich genügt. Wenn die Düsennadel noch weiter geöffnet wird, dann wird der Federteller 13 vom Zwischenboden 15 mitgenommen, die Ausgleichsfeder 12 also in zunehmendem Masse zusammengedrückt. Durch die zunehmend zusammengedrückte Feder 12 erhält die Düsennadel zusätzlich zu der vom Ausgleichstellmotor A ausgeübten Schliesskraft eine weitere in Richtung Schliessen wirkende Kraft, welche umso mehr anwächst, je mehr die Feder unter der Wirkung des Wasserdruckes, der auf die äussere Nadelkopffläche einwirkt, zusammengedrückt wird. Dies bedeutet gleichsam eine Entlastung des Regelservomotors B, der daher entsprechend klein bemessen werden kann.
Die Ausgleichsfeder 12 wirkt also im ersten Teil des Öffnungshubes der Nadel auf Öffnen und im zweiten Teil des Öffnungshubes auf Schliessen.
Soll die Nadel wieder geschlossen werden, dann erhält der Regelservomotor B durch die Leitung 16 Drucköl und die Nadel wird wieder in Schliessrichtung gedrückt. Dabei wirkt zunächst die Ausgleichsfeder 12 bis zum Anschlag desPedertellers 13 am Bund 70 der Kolbenstange 7 als zusätzliches Schliessorgan.
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delschaftes 4 mitgenommen, die Feder wieder zusammengedrückt und so eine öffnungskraft erzeugt,
Die Ausführung nach Fig. 2 entspricht im wesentlichen der Ausführung nach Fig. l. Es sind hier für die gleichen Teile der Regeldüse die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet worden. Der Unterschied der Ausführung besteht gegenüber Fig. 1 darin dass der Regelservomotor B doppeltwirkend ausgebildet ist.
Es bilden hier die beiden einander gegenüberliegenden Flächen des Kolbens 60 und des Zwischenbodens 15 zusammen mit dem von ihnen umschlossenen Nadelhohlraum 210 einen zweiten Servomotor, der durch die Leitung 21 mit einem Druckmittel, vorzugsweise mit Drucköl versorgt wird. Um das Hindurchtreten von Sickerwasser entlang der Gleitflächen des Kolbens 60 in den Hohlraum 210 zu verhindern, ist der Kolben 60 mit einer Nut 40 am Umfang versehep, wobei das sich in der Nut 40 ansammelnde Sickerwasser durch die Bohrungen 18a, 18b, 18c abgezogen wird. Für die Rückführung der durch die Düsennadel ausgeführten Bewegungen ist hier die an sich bekannte, aus einem Konus 20a und einer Verstellstange 19a bestehende Rückführung vorgesehen.
Gemäss der in Fig. 3 dargestellten Ausführung kann durch die hohle Regulier-und Abschlussnadel l wiederum der Austrittsquerschnitt 2 des Düsengehäuses 3 gesteuert werden. Die Nadel 1 ist zusammen mit ihrem Schaft 4 in einer koaxial zum Düsengehäuse 3, beispielsweise mittels Streben, befestigten Führungshülse 5 axial verschiebbar gelagert. Am rückwärtigen Ende der Führungshülse ist eine Kappe 50 angeordnet, die Durchtrittsöffnungen 28 für den Zutritt des Betriebswassers zumAEbeitsraum 61 des Ausgleichsservomotors A aufweist.
Der vordere Hohlraum 161 der Düsennadel 1 bildet den Arbeitsraum des Regelservomotors B, dessen Kolben 160 feststeht. Er ist mit seiner durch den übrigen Nadelhohlraum hindurchgeführten Kolbenstange 7 an der Abschlusskappe 50 befestigt. Der Regelservomotor B ist hier doppelwirkend ausgebildet. Das Betriebsöl wird von aussen her mittels der durch die Strebe 25 und durch die Kolbenstange 7 gebohrten Leitungen 27, 27a den beiden Arbeitsräumen 161,162 zugeführt. Der hintere Arbeitsraum 162 des Regeler- vomotors ist durch einen am hinteren Ende des Nadelschaftes befestigten, auf der Kolbenstange 7 gelagertenDeckel 600 abgeschlossen. Dieser Deckel ist hinten hülsenartig verlängert. Er ist an seinem Umfang in der Führungshülse 5 und an seiner Innenfläche auf der Kolbenstange 7 gefübn.
Der Deckel 600 bildet den Kolben des durch die Öffnungen 28 mit dem Betriebswasser verbundenen Ausgleichsservomotors A. Die durch den Durchmesser des Arbeitsraumes (Führungshülse) des Ausgleichs- servomotors A und denDurchmesser des diesen Arbeitsraum durchdringenden Kappenbundes 50a bestimmtte wirksame Kolbenringfläche 600a ist so gewählt, dass der auf sie wirkende Ausgleichsdruck bei halber Öffnungsstellung der Düsennadel der auf die äussere Nadelkopffläche wirkenden hydraulischen öffnung- kraft möglichst genau, wenigstens aber ungefähr das Gleichgewicht hält. In dem Raum zwischen dem Deckel 600 und dem Kolben 160 ist als mechanische Entlastungsvorrichtung eine Feder 12 mit Federtellern 13,14 untergebracht.
Für den Federteller 13 bildet der Ansatz 70 an der Kolbenstange und für den Federteller 14 die Buchse 700 den Endanschlag.
Filr die Ableitung der in dem Raum 29 etwa aus dem Druckraum 162 des Regelservomotors B oder aus dem Druckraum 61 des Ausgleichsservomotors A übertretenden Sic1 rflüssigkeit ist eine Leitung 180 angeordnet.
Zur Rückführung der durch die Düsennadel ausgeführten Bewegungen ist in an sich bekannter Weise ein Rückführhebel 19 vorgesehen, der beispielsweise mit seinem zylindrischen Ende in eine Ringnut 190 des Deckels 600 eingreift und so dessen Stellung abtastet und weitermeldet.
Die hier dargestellte Regeldüse arbeitet folgendermassen : Zum. Öffnen der Düsennadel l wird durch die Leitung 27a die. Steuerflüssigkeit dem hinteren Arbeitsraum 162 des Regelservomotors B zugeführt und dabei der vordere Arbeitsraum 161 des Regelservomotors durch die Leitung 27 entleert. Die Druckkraft der Ausgleichsfeder 12, deren einer Federteller 13 am Ansatz 70 der Kolbenstange 7 anliegt und deren anderer Federteller 14 gegen den Deckel 600 drückt, erzeugt von der Schliessstellung der Nadel an bis etwa zur halben Öffnungsstellung eine zusätzliche Öffnungskraft. Ist beim Öffnen der Düsennadel der Federteller 14 am Anschlag der Büchse 700 aufgetroffen, dann ist die Feder 12 nahezu entspannt.
In dieser Anschlagstellung des Federtellers 14 ist auch der an der Nadel befestigte Zwischenring 30 am andern Federteller 13 aufgetroffen. Die vom Betriebswasser in dieser Stellung auf die vordere Fläche des Nadelkopfes ausgeübte Kraft ist dabei so gross, dass die Schliesskraft des Ausgleichsservomotors zum Ausgleich allein genügt. Beim weiteren Öffnen der Düsennadel über diese Mittelstellung hinaus wix dann der Federteller 13 mitgenommen, die Ausgleichsfeder 12 also in zunehmendem Masse zusammengedrückt.
Dadurch erhält die Düsennadel zu der konstanten Schliesskraft des Ausgleichsservomotors A von der Feder 12 her eine zusätzliche, u. zw. mit dem Öffnen der Nadel zunehmende Schliesskraft, die der zunehmenden Öff-
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nungskraf. des immer mehr dem Betriebscruckwasser ausgesetzten Nadelkopfes ausgleichend entgegenwirkt.
Soll die Nadel wieder geschlossen werden, dann erhält der Arbeitsraum 161 des Regelservomotors B durch die Leitung 27 Drucköl, und die Nadel wird wieder in die Schliessrichtung bewegt. Dabei wirkt zunächst die Ausgleichsfeder 12 bis zum Anschlag des Federtellers 13 am Bund 70 der Kolbenstange als zusätzliches Schliessorgan. Wird danach die Nadel weiter geschlossen, dann wird der Federteller 14 vom Deckel 600 mitgenommen, die Feder wieder zusammengedrückt und damit von ihr eine Öffnungskraft erzeugt.
PATENTANSPRÜCHE :
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ordneten Führungshülse, in der eine hohle Regulier-bzw. Abschlussnadel axial verschiebbar gelagert ist, und mit einem in der hohlen Nadel angeordneten hydraulischen Regelservomotor sowie mit einer hydraulischen und einer mechanischen Einrichtung zum Ausgleich der vom Wasserdruck her im Schliesssinn auf die hohle Nadel wirkenden Kräfte, dadurch gekennzeichnet, dass auch die hydraulische Ausgleichseinrich- rung (A) innerhalb des hohlen Nadelschaftes (4) angeordnet ist.