Stellmotor zur Erzeugung einer Drehbewegung Die Erfindung betrifft einen Stellmotor zur Er zeugung einer Drehbewegung mit einem durch ein flüssiges oder .ein gasförmiges Druckmittel beauf- schlagbaren Kolben.
Zur Betätigung von Absperrorganen, deren<B>Ab-</B> sperrelement an einer drehbaren Welle befestigt ist und durch Drehen dieser Welle in Öffnungs- oder Schliessstellung gebracht wird, insbesondere von Klap pen, werden Axialkolbenstellmotoren verwendet, de ren Kolbenlängsbewegungen über Kurbel- oder Zahn stangengetriebe eine Drehbewegung der zu drehenden Klappenwelle bewirken.
Wo Klappen grosser Ab messung oder bei hohen Drücken in den Klappen in sehr kurzer Zeit geschlossen werden sollen, ins besondere beispielsweise bei Rückstromabsperrvor- richtungen von Dampfturbinenanlagen, bringt diese bekannte Vorrichtung zahlreiche Nachteile mit sich.
Die ,an mehreren Stellen aufzunehmenden Kräfte beanspruchen die nur begrenzt dimensionierbare Klappenwelle auf Biegung, aus der notwendigen Ab messung des Gestänges ergibt sich ein hoher Raum bedarf, und die Anbringungsmöglichkeit ist un günstig, was die Verwendungsmöglichkeit dieser Vor richtung einschränkt. Es sind auch Drehkolbenstell- motoren mit zur anzutreibenden Klappenwelle ko axialen Kraftwellen bekannt.
Ein grosser Nachteil sol cher Stellmotoren besteht aber in der Schwierigkeit der Abdichtung des Kolbens und dem daher kaum vermeidbaren Leckverlust. Ein weiterer Nachteil des Drehkolbenstellmotors ist darin zu sehen, dass bei dessen Ausbildung mit nur einseitig beaufschlagtem Kolben unter Betätigung in der anderen Arbeits richtung durch Federkraft für die Speicherung grosser Drehenergien die Drehfedern übermässig viel ,Platz beanspruchen, während der Raum im Inneren des Stellmotors nur zu einem kleinen Teil ausgenützt ist.
Die Erfindung bezweckt, diese genannten Nach teile zu vermeiden. Zu diesem Zwecke wird ein Stellmotor der eingangs geschilderten Art erfindungs gemäss derart ausgebildet, dass der Kolben als durch das Druckmedium zum mindesten in einer Arbeits richtung bewegbarer geradachsiger Hubkolben ausgebildet ist, dass der Kolben zum Zylinder mantel drehfest ist und mit einem koaxialen Steil gewinde versehen ist und dass eine koaxiale, in Achs richtung verschiebefeste und mit einem in das Steil gewinde des Kolbens eingreifenden Steilgewinde ver sehene Kraftwelle vorgesehen ist.
In der Zeichnung ;ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt. Die einzige Figur zeigt einen axialen Schnitt durch einen Stellmotor.
Beim gezeigten Stellmotor bilden ein Zylinder mantel 1, ein in der Zeichnung rechts gelegener Zylinderdeckel 2 und ein Zylinderdeckel 3 einen Stellmotorzylinder. In diesem ist ein eine koaxiale Bohrung 4 aufweisender Kolben 5 in Achsrichtung beweglich angeordnet.
Der Kolben 5 begrenzt mit seiner in der Zeichnung rechts gelegenen Stirnfläche, dem Zylindermantel und dem Zylinderdeckel 2 einen Druckraum 6. Die dem Druckraum 6 abgewandte Stirnfläche des Kolbens 5, der Zylindermantel 1 und der Zylinderdeckel 3 begrenzen einen Federraum 7, in welchem eine Tellerfedersäule 8 angeordnet ist, die sich einerseits gegen die Innenfläche des Zylinder deckels 3 und anderseits gegen die dem Druckraum 6 abgewandte Stirnfläche des Kolbens 5 abstützt.
Die Tellerfedersäule 8 ist im zylinderdeckelseitigen Abschnitt des Federraumes 7 durch die Innenfläche des Zylindermantels 1 und im kolbenseitigen Ab schnitt durch die Aussenmantelfläche einer Kolben nabe 9 radial geführt, deren axiale Ausdehnung im wesentlichen der axialen Ausdehnung des Innenrau mes des Zylinders 1, 2, 3 vermindert um den Hub weg des Kolbens 5 entspricht.
Der Kolben 5 trägt an seiner Mantelfläche seine mit ihm fest verbundene achsparallele Passfeder 10, die in einer Nut 11 des Zylindermantels 1 entspre chend der Kolbenbewegung in Achsrichtung geführt ist und ein Verdrehen des Kolbens 5 gegen den Zylindermantel 1 verhindert. Der Zylindermantel 1 weist eine gegen die federseitige Stirnfläche des Kol bens 5 gewandts kreisringförmige achssenkrechte An- schlagfläche 12 auf.
Die federseitige Stirnfläche des Kolbens 5 trägt an ihrem Umfang einen zylinder- förmigen Aufsatz mit einer der Anschlagfläche 12 zugewandten kreisringförmigen achssenkrechten Dichtfläche 13. In der in der Zeichnung dargestellten Lage des Kolbens 5 liegt diese Dichtfläche 13 an der Anschlagfläche 12 auf.
Der Zylinderdeckel 3 weist eine koaxiale, mit einem Bund versehene Bohrung 14 auf. Der Zylin derdeckel 2 ist mittels eines Segrnentringes 15 und eines Grundringes 16 am Zylindermantel 1 befestigt und weist einen koaxialen Lagerring 17 auf, in den ein Axiallager 18 eingefügt ist. In der Wand der Bohrung 14 sowie im Axiallager 18 ist Beine durch die koaxiale Bohrung 4 des Kolbens 5 führende Kraftwelle 19 drehbar und in Achsrichtung verschiebe fest gelagert. Ein Lagerdeckel 20 bewirkt eine Abdichtung des Druckraumes 6 gegen die Umge bung und ermöglicht den Einbau sowie die Wartung des Radiallagers 18. Die Bohrung 14 ist mit einer Ringnut versehen, die eine Dichtung 21 aufnimmt.
Die Bohrung 4 des Kolbens 5 ist über ungefähr die Hälfte ihrer Ausdehnung in Achsrichtung druck- raumseitig mit :einem Innensteilgewinde 22 von 45 St-igung versehen. Über die andere federseitige Hälfte ihrer Ausdehnung in Achsrichtung ist die Bohrung 4 erweitert, und die Nabe 9 des Kolbens 5 trägt an ihrem federseitigen Ende .einen Bund 23 mit einer koaxialen Bohrung 24, die eine Ringnut aufweist, welche eine Dichtung 25 aufnimmt.
Die Kraftwelle 19 besteht aus :einem federseitigen glatten Teil 26 und einem druckraumseitigen Teil 27, der ein in das Innensteilgewinde 22 eingreifendes Aussensteilge- winde 28 aufweist, wobei die Ausdehnung dieses Aussensteilgewindes 28 in Achsrichtung im wesent lichen der Ausdehnung des Innensteilgewindes 22 zuzüglich dem Kolbenhub entspricht. Der glatte Teil 26 der Kraftwelle 19 wird von der Wand der Boh rung 24 im Bund 23 geführt.
Der Zylindermantel 1 weist eine in den Druck raum 6 mündende Bohrung 29 auf, an welche eine Stellölleitung 30 angeflanscht ist. Der Zylinderman tel 1 weist ferner im Raume unten bzw. oben in den Federraum 7 mündende Bohrungen 31 und 32 auf, an welche eine Leckölleitung 33 bzw. eine Druckluftleitung 34 angeschlossen ist. Das abtrieb seitige Ende der Kraftwelle 19 ist mit einer Arbeits welle 35 einer nicht gezeigten zu verdrehenden Ab- Sperrklappe mittels einer Passfeder 36 drehfest ver bunden.
Der dargestellte Stellmotor arbeitet folgenderma ssen. Über die Stellölleitung 30, in die ein nicht gezeigtes Steuerorgan eingeschaltet ist, gelangt Druck- öl .aus einem nicht gezeigten Druckölspeicher in den Druckraum 6. Dabei wird der Kolben 5 vom Zy linderdeckel 2 weg in Richtung gegen den Zylinder deckel 3 hin bewegt, wobei gleichzeitig die Teller- federsäule 8 zusammengedrückt wird. Diese Lage des Kolbens 5 entspricht der in der Zeichnung dar gestellten, und die nicht gezeigte Abschlussklappe wird in Öffnungsstellung gehalten.
Die Dichtfläche 13 des Kolbens 5 liegt an der Anschlagfläche 12 des Zylindermantels 1 im wesentlichen unter dem auf die druckraumseitige Stirnfläche des Kolbens 5 einwir kenden Druck des Drucköls, vermindert um den Druck der Federsäule 8, auf, wobei sich eine annä hernd vollständige Abdichtung zwischen dem Druck raum 6 und dem Federraum 7 im Bereich des Umfanges des Kolbens 5 ergibt, während die Dich tung 25 den mit dem Druckraum 6 in Verbindung stehenden Zwischenraum zwischen der Nabe 9 des Kolbens 5 und der Kraftwelle 19 gegen den Feder raum 6 abdichtet.
Unterbricht das nicht gezeigte Steuerorgan die Verbindung zwischen dem Druckraum 6 und der nicht gezeigten Druckölquelle und stellt es gleich zeitig eine Verbindung zwischen dem Druckraum 6 und der Umgebung her oder aber bricht der Öl druck zusammen, dann bewegt die Tellerfedersäule 8 den Kolben 5 gegen den Zylinderdeckel 2 hin. Dabei wird der Kolben 5 durch die Passfeder 10 ge genüber dem Zylindermantel 1 in Umfangrichtung festgehalten.
Das in das Aussensteilgewinde 28 der Kraftwelle 19 eingreifende Innensteilgewinde 22 des in Umfangrichtung festen Kolbens 5 zwingt bei der Bewegung des Kolbens 5 in Achsrichtung der axial verschiebefesten Kraftwelle 19 eine Drehbewegung auf, wobei die Kraftwelle 19 ihre Drehbewegung auf die Arbeitswelle 35 überträgt, wodurch die nicht gezeigte, zu schliessende Abschlussklappe geschlossen wird.
Durch die erfinderischen Massnahmen lässt sich ein mit einem von einem Druckmedium bea:ufschlag- ten, geradachsigen Hubkolben versehener Stellmotor, der vemachlässigbar kleine Leckverluste aufweist und sich leicht befestigen lässt, auf kleinem Raume unter bringen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Massnahmen besteht darin, dass in dem gleichen kleinen, vom Stellmotor eingenommenen Raum eine Feder untergebracht werden kann, deren gespeicherte Kraft ausreicht, um bei Ausfall der Druckölver- sorgung den Schliessvorgang zu besorgen.
Der Hubkolben könnte aber selbstverständlich auch beidseitig von Drucköl beaufschlagt ausgebildet werden, in welchem Falle zweckmässigerweise eine Vorrichtung zur Verhinderung eines plötzlichen Zu sammenbruches der Stehölversorgung vorzusehen wäre, beispielsweise eine im Schweizer Patent Nummer 417 347 gezeigte Vorrichtung. Wird eine hohle Kraft welle verwendet, kann diese ein Innensteilgewinde und die Kolbennabe ein Aussensteilgewinde tragen.
Wenn Lecköl bei abgenützter Anschlagfläche 9 und/ oder Dichtfläche 10 oder insbesondere bei nicht unter Druck anliegenden Anschlag- und Dichtflächen 12, 13 während der Bewegung des Kolbens 5 aus dem Druckraum 6 in dien Federraum 7 gelangt, so kann dieses Lecköl durch die Bohrung 31 über die Leckölleitung 33 abfliessen.
Ist der Ölbehälter wie häufig üblich höher als der Stellmotor angebracht, kann auch während des Betriebes durch Einbringen von im Verhältnis zum Öldruck einen geringfügigen Druck aufweisender Druckluft in den Federraum 7 über die Druckluftleitung 34 durch die Bohrung 32 das im Federraum 7 befindliche Lecköl über die Leckölleitung 33 in einen oberhalb des Drucköl- speichers befindlichen Vorratsbehälter gedrückt wer den, wobei die Dichtung 21 ein Entweichen von Druckluft in die Umgebung verhindert.
Bei in einer Arbeitsrichtung durch eine Feder belastetem Kolben kann es insbesondere bei Anbau des Stellmotors an eine heisse Teile aufweisende Maschine, beispielsweise an eine Dampfturbine, vor teilhaft sein, das Abtriebsende 37 der Kraftwelle druckraumseitig des Kolbens anzuordnen und den Stellmotor mit dem Druckraum gegen die Maschine an dieser zu befestigen, um eine die Eigenschaften der Feder beeinträchtigende Wärmeeinwirkung auf diese zu vermeiden.
Servomotor for generating a rotary movement The invention relates to a servomotor for generating a rotary movement with a piston which can be acted upon by a liquid or a gaseous pressure medium.
Axial piston servomotors are used to actuate shut-off devices, the <B> shut-off </B> element of which is attached to a rotatable shaft and is brought into the open or closed position by turning this shaft, in particular flaps, whose longitudinal piston movements are via crank or rack and pinion gear cause a rotary movement of the valve shaft to be rotated.
Where flaps of large dimensions or at high pressures in the flaps are to be closed in a very short time, in particular, for example, in the case of backflow shut-off devices in steam turbine systems, this known device has numerous disadvantages.
The forces to be absorbed in several places claim the limited dimensioned flap shaft to bend, from the necessary measurement of the linkage results in a high space requirement, and the attachment option is unfavorable, which limits the use of this device before. There are also known rotary piston servomotors with force waves coaxial with the valve shaft to be driven.
A major disadvantage of such servomotors, however, is the difficulty in sealing the piston and the therefore hardly avoidable leakage loss. Another disadvantage of the rotary piston servomotor is that when it is designed with the piston only acted on on one side and actuated in the other working direction by spring force for the storage of large torsional energies, the torsion springs take up too much space, while the space inside the servomotor only takes up too much space a small part is used.
The invention aims to avoid these parts mentioned after. For this purpose, a servomotor of the type described above is designed according to the invention in such a way that the piston is designed as a straight-axis reciprocating piston that can be moved through the pressure medium at least in one working direction, that the piston is non-rotatable with respect to the cylinder jacket and is provided with a coaxial steep thread and that a coaxial power shaft, which is non-displaceable in the axial direction and which engages in the steep thread of the piston, is provided.
In the drawing, an embodiment of the subject matter of the invention is shown in a simplified manner. The single figure shows an axial section through a servomotor.
When the servomotor shown form a cylinder jacket 1, a cylinder cover 2 located on the right in the drawing and a cylinder cover 3, a servomotor cylinder. In this, a piston 5 having a coaxial bore 4 is arranged movably in the axial direction.
With its end face on the right in the drawing, the cylinder jacket and the cylinder cover 2, the piston 5 delimits a pressure chamber 6. The end face of the piston 5 facing away from the pressure chamber 6, the cylinder jacket 1 and the cylinder cover 3 delimit a spring chamber 7 in which a disc spring column 8 is arranged, which is supported on the one hand against the inner surface of the cylinder cover 3 and on the other hand against the end face of the piston 5 facing away from the pressure chamber 6.
The disc spring column 8 is guided radially in the cylinder cover-side section of the spring chamber 7 through the inner surface of the cylinder jacket 1 and in the piston-side section through the outer jacket surface of a piston hub 9, the axial extent of which is substantially reduced to the axial extent of the inner space of the cylinder 1, 2, 3 corresponds to the stroke of the piston 5.
The piston 5 carries on its lateral surface its axially parallel key 10 firmly connected to it, which is guided in a groove 11 of the cylinder jacket 1 accordingly to the piston movement in the axial direction and prevents rotation of the piston 5 against the cylinder jacket 1. The cylinder jacket 1 has a circular ring-shaped, axially perpendicular stop surface 12 facing the spring-side end face of the piston 5.
The spring-side end face of the piston 5 has a cylindrical attachment on its circumference with an annular, axially perpendicular sealing surface 13 facing the stop surface 12. In the position of the piston 5 shown in the drawing, this sealing surface 13 rests on the stop surface 12.
The cylinder cover 3 has a coaxial bore 14 provided with a collar. The Zylin derdeckel 2 is fixed by means of a Segrnentringes 15 and a base ring 16 on the cylinder jacket 1 and has a coaxial bearing ring 17 into which an axial bearing 18 is inserted. In the wall of the bore 14 as well as in the axial bearing 18 legs through the coaxial bore 4 of the piston 5 leading power shaft 19 is rotatably mounted and displaceable in the axial direction. A bearing cover 20 seals the pressure chamber 6 against the environment and enables the installation and maintenance of the radial bearing 18. The bore 14 is provided with an annular groove that receives a seal 21.
The bore 4 of the piston 5 is provided on the pressure chamber side over approximately half of its extent in the axial direction with: an internal partial thread 22 of 45 pitch. The bore 4 is widened over the other spring-side half of its extension in the axial direction, and the hub 9 of the piston 5 carries at its spring-side end a collar 23 with a coaxial bore 24 which has an annular groove which receives a seal 25.
The power shaft 19 consists of: a spring-side smooth part 26 and a pressure chamber-side part 27, which has an outer part thread 28 engaging the inner part thread 22, the expansion of this outer part thread 28 in the axial direction essentially corresponding to the expansion of the inner part thread 22 plus the piston stroke . The smooth part 26 of the power shaft 19 is from the wall of the Boh tion 24 in the collar 23 out.
The cylinder jacket 1 has a bore 29 which opens into the pressure chamber 6 and to which an adjusting oil line 30 is flanged. The cylinder man tel 1 also has bores 31 and 32 opening into the spring chamber 7 in the space below or above, to which a leakage oil line 33 or a compressed air line 34 is connected. The output-side end of the power shaft 19 is rotatably connected to a working shaft 35 of a not shown to be twisted shut-off flap by means of a feather key 36 a related party.
The servomotor shown works as follows. Via the actuating oil line 30, in which a control element (not shown) is switched on, pressure oil arrives from a pressure oil reservoir (not shown) into the pressure chamber 6. The piston 5 is moved away from the cylinder cover 2 in the direction towards the cylinder cover 3, with at the same time the disc spring column 8 is compressed. This position of the piston 5 corresponds to that provided in the drawing, and the closing flap, not shown, is held in the open position.
The sealing surface 13 of the piston 5 rests on the stop surface 12 of the cylinder jacket 1 essentially under the pressure of the pressure oil einwir kenden on the pressure chamber-side face of the piston 5, reduced by the pressure of the spring column 8, with an almost complete seal between the Pressure chamber 6 and the spring chamber 7 in the area of the circumference of the piston 5 results, while the device 25 seals the space between the hub 9 of the piston 5 and the power shaft 19 against the spring chamber 6 in communication with the pressure chamber 6.
If the control member, not shown, interrupts the connection between the pressure chamber 6 and the pressure oil source, not shown, and at the same time establishes a connection between the pressure chamber 6 and the environment, or the oil pressure collapses, then the disc spring column 8 moves the piston 5 against the cylinder cover 2 out. The piston 5 is held by the feather key 10 ge compared to the cylinder jacket 1 in the circumferential direction.
The inner thread 22, which engages in the outer thread 28 of the power shaft 19, of the piston 5, which is fixed in the circumferential direction, forces a rotary movement on the axially displaceable power shaft 19 during the movement of the piston 5 in the axial direction, the power shaft 19 transmitting its rotary movement to the working shaft 35, which does not Shown to be closed closing flap is closed.
As a result of the inventive measures, a servomotor provided with a straight-axis reciprocating piston that is acted upon by a pressure medium, which has negligibly small leakage losses and can be easily attached, can be accommodated in a small space.
A further advantage of the measures according to the invention is that a spring can be accommodated in the same small space occupied by the servomotor, the stored force of which is sufficient to take care of the closing process in the event of a failure of the pressure oil supply.
The reciprocating piston could of course also be acted upon by pressure oil on both sides, in which case a device to prevent a sudden collapse of the standing oil supply would be provided, for example a device shown in Swiss patent number 417 347. If a hollow power shaft is used, it can have an internal partial thread and the piston hub an external partial thread.
If leakage oil reaches the spring chamber 7 from the pressure chamber 6 during the movement of the piston 5 when the stop surface 9 and / or sealing surface 10 or, in particular, when the stop and sealing surfaces 12, 13 are not applied under pressure, this leakage oil can pass through the bore 31 drain the leakage oil line 33.
If the oil tank is mounted higher than the servomotor, as is often the case, the leakage oil in the spring chamber 7 via the leakage oil line can also be fed into the spring chamber 7 via the compressed air line 34 through the bore 32 during operation by introducing compressed air at a slight pressure in relation to the oil pressure 33 is pressed into a reservoir located above the pressure oil reservoir, the seal 21 preventing compressed air from escaping into the environment.
When the piston is loaded by a spring in one working direction, it may be advantageous, especially when the servomotor is attached to a machine that has hot parts, for example a steam turbine, to arrange the output end 37 of the power shaft on the pressure chamber side of the piston and the servomotor with the pressure chamber against the machine to be attached to this in order to avoid the effect of heat on the spring that would impair its properties.