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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum aktiven Verstellen
bewegbarer Elemente an einem rotierenden Maschinenteil, mit einem Stellglied,
das durch Beaufschlagung eines Kolbens mit einem Fluid von entgegengesetzten
Seiten aus aktiv bewegbar ist, mit mindestens einer Drehdurchführung für die Fluidzufuhr
zu dem Kolben und mit mindestens einer Drehdurchführung für die Rückführung von
Fluid, und mit entsprechenden Fluidzuführ- und -rückführleitungen, die sich mindestens
teilweise in bzw. an dem rotierenden Maschinenteil erstrecken.
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Entsprechende
Vorrichtungen sind aus vielen verschiedenen Anwendungen bekannt.
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Beispielsweise
ist es erforderlich, an großen Windenergieanlagen
die Einstellung der Rotorflügel unterschiedlichen
Windbedingungen anzupassen, um eine optimale Energieausbeute zu
erzielen. Dies kann mechanisch oder elektrisch geschehen, wahlweise
aber auch hydraulisch. Im Falle der hydraulischen Verstellung besteht
das Problem, daß ein
entsprechendes Hydraulikfluid dem Stellglied bzw. einem entsprechenden
Kolben des Stellglieds zugeführt
werden muß,
welches den Rotorflügel
verstellt, d.h. seinen Anstellwinkel verändert. Der Rotorflügel befindet
sich wiederum an einem Rotor, dessen Welle einen Generator antreibt.
Hydraulikfluid und Hydraulikpumpen befinden sich jedoch in der Regel
außerhalb
des Rotors, woraus sich die Notwendigkeit ergibt, das Hydraulikfluid
von dem äußeren, stehenden
Maschinenteil in den Rotor zu übertragen
und von dort dem Stellglied zuzuführen, so daß dieser den Rotorflügel in der
gewünschten
Weise einstellt. Hierfür
werden Drehdurchführungen
für eine
entsprechendes Hydraulik-Fluid benötigt, die an sich im Stand
der Technik bereits bekannt sind.
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Ein
anderer Anwendungsfall sind beispielsweise die Antriebswellen von
Schiffschrauben, bei welchen die einzelnen Schraubenflügel hydraulisch verstellt
werden sollen. Ein weiteres Anwendungsbeispiel sind verstellbare
Turbinenschaufeln an Wasserkraftturbinen. Insbesondere bei derartigen
Turbinenschaufeln an Wasserkraftturbinen oder auch bei Schiffsschrauben
wirken sehr große
Kräfte
auf die Turbinenschaufeln bzw. Schraubenflügel ein, so daß entsprechend
große
Rückstellkräfte auch
auf das Stellglied wirken, welches die jeweiligen Turbinenschaufeln
oder Schraubenflügel
in einer gewünschten
Weise einstellt und hält.
Aus diesem Grund werden hierfür
vorzugsweise hydraulisch betätigte
Stelleinrichtungen bzw. Stellglieder verwendet, die für das Übertragen
großer
Kräfte
gut geeignet sind. Es versteht sich, daß stattdessen auch pneumatische
Einrichtungen verwendet werden können,
auf welche die Prinzipien der vorliegenden Erfindung oft identisch oder
analog anwendbar sind. Bei hydraulischen (oder pneumatischen) Stelleinrichtungen
wird zur Veränderung
der jeweiligen Einstellung einer Turbinenschaufel das entsprechende
Stellglied aktiv verstellt, wobei dieses Stellglied entweder aus
einem Kolben besteht oder einen entsprechenden Kolben aufweist,
der in einem Zylinder geführt
wird und von zwei entgegengesetzten Seiten her mit dem betreffenden
Fluid beaufschlagbar ist. Um daher das Stellglied bzw. den Kolben
in zwei entgegengesetzten Richtungen aktiv bewegen zu können, müssen entsprechende
Einrichtungen sowohl für
die Zufuhr als auch für
die Rückführung von
Fluid auf beiden Seiten des Kolbens vorgesehen sein und dementsprechend benötigt man
auch hier eine oder mehrere Drehdurchführungen, durch welche das Fluid
sowohl in das rotierende Maschinenteil zugeführt als auch wieder von dem
rotierenden in das stehende Maschinenteil zurückgeführt werden kann.
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Hierfür prinzipiell
geeignete Drehdurchführungen
sind im Prinzip seit langem aus dem Stand der Technik bekannt. Derartige
Drehdurchführungen bestehen
zumeist aus ringförmigen
oder zylindrischen Teilen, von denen eines oder mehrere am rotierenden
Maschinenteil und ein anderes (oder mehrere) am stehenden Maschinenteil
angeordnet sind. Beispielsweise kann ein Ring mit einer radialen
Bohrung eine rotierende Welle mit mit geringem Spiel umfassen, wobei
die Welle eine umlaufende Nut aufweist, die axial mit der radialen
Querbohrung des Ringes ausgerichtet ist. Beiderseits der Nut sind
zwischen dem Ring und dem Außenumfang
der Welle entsprechende Dichtspalte vorhanden, die durch die zylindrische
Innenfläche
des (stationären)
Ringes und die zylindrische Außenfläche der
Welle gebildet werden, wobei am Außenumfang der Welle auch mitrotierende
Dichtringe beiderseits der Nut angeordnet sein können, welche anstelle der Welle
selbst die dem stationären
Ring zugewandten Dichtflächen
bilden.
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Aufgrund
der Tatsache, daß die
Dichtflächen aufeinander
gleiten müssen,
läßt sich
jedoch eine gewisse Leckage durch die Dichtspalte hindurch nicht verhindern
und ist sogar erwünscht,
da das durch den Dichtungsspalt zwischen den aufeinander gleitenden
Flächen
hindurchtretende Fluid allgemein die Reibung zwischen den Dichtflächen beträchtlich
vermindert und zudem diese Gleitdichtflächen kühlt. Insbesondere wenn das
Fluid mit hohem Druck zugeführt
wird, kann der Leckverlust durch derartige Gleitflächen beträchtlich
sein. Dies gilt umso mehr, je größer der
Durchmesser eines rotierenden Maschinenteils ist, weil dann die
betreffenden Dichtspalte entsprechend lang sind, wobei die Länge der
von dem Druck beaufschlagten Dichtspalte sich aus dem Produkt von π und dem
Durchmesser des rotierenden Maschinenteils bzw. des Gleitdichtringes
ergibt. Außerdem
lassen sich Gleitdichtringe für
Drehdurchführungen
mit großen
Durchmessern nur mit vergleichsweise großen Toleranzen betriebssicher
herstellen, so daß die
mittlere Spalthöhe
(lichter Abstand der gegenüberliegenden
und relativ zueinander gleitenden) Dichtflächen entsprechend größer ist
als bei Drehdurchführungen
mit kleinerem Durchmesser, was das Problem der Leckverluste nochmals
beträchtlich verschärft, weil
die Leckrate mit der dritten Potenz der Spalthöhe zunimmt.
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Bei
den eingangs genannten Beispielen einer Schiffsantriebswelle und
einer Wasserkraftturbine betragen die Wellendurchmesser z.B. zwischen 20
cm und 1 m oder darüber,
so daß die
Dichtspalte, die sich über
den gesamten Umfang der Welle erstrecken, entsprechend lang sind
und eine relativ große (und
temperaturabhängige)
Spalthöhe
haben, so daß bei
Zuführung
eines Fluids, wie z.B. Hydrauliköl,
unter hohem Druck beträchtliche
Mengen dieses Fluids durch die Dichtspalte als Leck austreten. Dies
begrenzt auch den Druckbereich, innerhalb dessen Drehdurchführungen
nach dem Stand der Technik praktisch betrieben werden können.
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Das
Leckfluid muß im
Allgemeinen aufgefangen werden, weil es sinnvollerweise und aus
Kostengründen
wiederverwendet wird und auch, damit es die Umgebung nicht verschmutzt,
andere Einrichtungen beschädigt
und/oder unbrauchbar macht. Dieses Auffangen und Rückführen von
Leckfluid kann relativ aufwendig sein und erfordert zusätzliche
Energie, wobei auch ein Teil der durch die Druckerzeugung in das
Fluid eingebrachten Energie schon beim Austreten durch das Leck
verlorengeht.
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Aus
der
DE 34 44 850 C1 ist
bereits eine Drehdurchführung
bekannt, die geeignet ist, insbesondere bei großen Durchmessern die Leckverluste beträchtlich
zu begrenzen. Bei dieser Einrichtung ist an dem rotierenden Teil
ein Zuführung
oder Zuführabschnitt
vorgesehen, der über
seinen gesamten Umfang verteilt eine Vielzahl radialer Bohrungen
aufweist, die jeweils durch ein nach außen federbelastetes Rückschlagventil
verschlossen sind. Auf der Innenseite steht dieser Zuführring oder
Zuführ abschnitt mit
einer entsprechenden axialen Zuführleitung
im Inneren des rotierenden Maschinenteils bzw. der rotierenden Welle
in Verbindung.
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Auf
der Außenseite
dieses ringförmigen
Zuführelementes
liegt ein Gleitschuh an, der sich nur über einen kleinen Teil des
Umfangs des Zuführringes
erstreckt. Dieser Gleitschuh ist der zylindrischen Außenkontur
des Zuführringes
angepaßt
und weist auf seiner dem Zuführring
zugewandten Gleitfläche eine
zentrale Aussparung bzw. Vertiefung auf. Mit dieser Aussparung stehen
wiederum mehrere Zuführleitungen
für ein
Fluid in Verbindung, durch welche das Fluid dem rotierenden Maschinenteil
zugeführt
werden soll. Wenn die Zuführleitungen
des Gleitschuhs mit entsprechendem Druck beaufschlagt werden, liegt
dieser Druck auch in der Aussparung vor, die in der dem Zuführring zugewandten
Fläche des
Gleitschuhs ausgebildet ist. Wenn sich nun das rotierende Maschinenteil
und damit der Zuführring unter
dem Gleitschuh dreht und dieser Gleitschuh dabei über die
Außenfläche des
Zuführringes
gleitet, gelangen die durch federbelastete Rückschlagventile verschlossenen
radialen Bohrungen des Zuführringes
nacheinander auch in den Bereich der Aussparungen an der dem Zuführring zugewandten
Seite des Gleitschuhs. In dieser befindet sich das unter Druck stehende
Fluid, wobei die Rückschlagventile
in den radialen Bohrungen so ausgelegt sind, daß sie bei einem ausreichend
großen äußeren Druck öffnen. Wird
also das zuzuführende
Fluid im Gleitschuh bzw. in der Aussparung des Gleitschuhs unter
entsprechend hohen Druck gesetzt, so öffnen die Ventile der radialen
Bohrungen des Zuführringes
sofort dann, wenn sie in den Bereich dieser Aussparungen eintreten
und dadurch tritt das Fluid aus der Aussparung durch die radialen
Bohrungen hindurch in das Innere des rotierenden Maschinenteils
ein. Sobald die betreffenden radialen Bohrungen des rotierenden Zuführringes
den Bereich der Aussparungen des Gleitschuhs verlassen, liegt von
der Außenseite
kein entsprechender Druck mehr auf den Rückschlagventilen der radialen
Bohrungen, so daß diese
sofort wieder schließen.
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Auf
diese Weise werden die Gleitdichtflächen auf einen kleinen Teil
des Umfangs des Zuführringes
beschränkt
und das Leck ist dementsprechend geringer.
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Eine
derartige Drehdurchführung
mit einem Gleitschuh ist also insbesondere für große Durchmesser geeignet.
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Allerdings
besteht bei einer solchen Gleitschuh-Drehdurchführung das erhebliche Problem, daß der Gleitschuh
immer in gleichmäßiger Anlage stationär auf der
Außenseite
des Zuführringes
gehalten und geführt
werden muß.
Es besteht sehr leicht die Gefahr der Verkantung, des teilweisen
Mitnehmens des Gleitschuhs in Rotationsrichtung und damit auch des
Verkantens des Gleitschuhs, so daß dann unter Umständen erhebliche
Mengen an Leckflüssigkeit
austreten können.
Die
DE 34 44 850 C1 beschreibt
daher noch bevorzugte Ausgestaltungen, welche die vorgenannten Probleme
beseitigen sollen.
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Diese
Art von Drehdurchführung
hat weiterhin den erheblichen Nachteil, daß die Fluidzufuhr nur in einer
Richtung erfolgen kann, d.h. von dem stehenden in das drehende Maschinenteil,
weil der Zuführring
nach außen
hin durch Rückschlagventile
verschlossen ist, die nur durch Überdruck
von außen
her geöffnet
werden können.
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Bei
großen
Wellen, wie z.B. Turbinenwellen in Wasserkraftwerken, bei welchen
das Stellglied aktiv hin- und herbewegt und in einer gewünschten
Position gehalten werden muß,
was in der Regel nur durch Einstellen einer gewissen Druckdifferenz
auf beiden Seiten des Einstellkolbens erfolgen kann, besteht zudem
das Problem, daß auf
beiden Seiten des Kolbens jeweils Fluid zugeführt als auch wieder abgeführt werden
muß. Dies
erfordert im Prinzip für
beide Seiten des Stellgliedkolbens entweder je eine Drehdurchführung für die Zufuhr
und Rückführung von
Fluid, oder jeweils zwei Drehdurchführungen für jede der beiden Kolbenseiten,
von denen jeweils eine Drehdurchführung für die Fluidzufuhr und die andere für die Fluidrückführung vorgesehen
ist.
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Gegenüber diesem
Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen zu schaffen, bei
welcher einerseits der Aufwand bezüglich der erforderlichen Drehdurchführungen
deutlich verringert ist und bei der außerdem die Leckrate möglichst
gering gehalten werden kann.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß mindestens
die Drehdurchführung
für die
Zufuhr von Fluid zu dem Kolben durch einen in Umfangsrichtung des
drehenden Maschinenteils auf einen oder mehrere Winkelsektoren begrenzten
Gleitschuh und einen damit in Gleitkontakt stehenden, zusammenwirkenden
Zuführring
gebildet wird, der durch Rückschlagventile
verschlossene Öffnungen
aufweist, wobei eines dieser beiden Teile der Drehdurchführung mit
dem rotierenden Maschinenteil und das andere mit einem stationären Maschinenteil
verbunden ist,
- – wobei der Gleitschuh nur über einen
oder mehrere Teile des Umfangs des Zuführrings vorgesehen ist,
- – Einrichtungen
vorgesehen sind, durch welche die Ventile des Zuführringes
außerhalb
des Überlappungsbereichs
mit dem Gleitschuh geschlossen gehalten werden, während sie
mindestens in einem Teil des Überlappungsbereichs
zwischen Gleitschuh und Zuführring
mindestens zeitweise geöffnet
sind,
- – die
Zuführleitung
des Fluids in dem rotierenden Maschinenteil über zwei getrennte Zweige mit
je einer der beiden Seiten des Kolbens verbunden ist,
- – wobei
mindestens ein Zweig der Zuführleitung einen
parallel geschalteten Drosselpfad aufweist, der mit einer Rückführleitung
verbunden ist, wobei mindestens einer der parallelen Pfade eine
verstellbare Drossel aufweist und wobei der zweite Pfad ebenfalls über eine
Drossel und/oder über ein
Rückschlagventil
mit einer Fluidsenke verbunden ist.
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Vorzugsweise
ist der zweite Pfad über
eine einfache ringförmige
und mit Wellendichtringen ausgestattete Drehdurchführung mit
der Fluidsenke verbunden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
hat aufgrund der speziellen Schaltung von Drosseleinrichtungen und
Rückschlagventilen
den Vorteil, daß zum einen
Gleitschuh-Drehdurchführungen
verwendet werden können,
die nur eine geringe Leckage aufweisen, während gleichzeitig die Zahl
der erforderlichen Drehdurchführungen
auf eine einzige begrenzt werden kann, auch wenn eine weitere Gleitschuh-Drehdurchführung für die Rückführung von Fluid
zusätzlich
vorhanden sein könnte.
Anstelle der weiteren Gleitschuh-Drehdurchführung für die Fluidrückführung ist
jedoch eine einfache, nahezu berührungslose
und reibungsarme Drehdurchführung
bevorzugt. Beispielsweise besteht eine solche berührungslose
Drehdurchführung
aus einer oder mehreren ringförmig
angeordneten Austrittsöffnungen
der Welle, die berührungslos
oder mit nur sehr leicht berührenden,
elastischen Dichtungslippen von einem Auffangring umfaßt werden,
der ein zur Welle hin offenes, U-förmiges Profit hat und dessen
unten liegender Abschnitt mit einem Abfluß oder einer Absaugeinrichtung
für Fluid
verbunden ist. Anstelle der elastischen Dichtlippen können auch
sogenannte Wellendichtringe verwendet werden, die im Stand der Technik
an sich bekannt sind und die für
die nahezu drucklose Rückführung des
Hydraulikfluids gut geeignet sind. Aus den Öffnungen der Welle austretendes
Fluid wird dann in dem umgebenden, U-förmig profilierten Ring aufgefangen
und abgeleitet oder abgepumpt. Der U-förmig profilierte Ring, der
auch mit relativ großen
Maßen
als ringförmige
Wanne hergestellt werden kann, kann neben den Austrittsöffnungen
oder einem Austrittsring für
das rückgeführte Fluid
auch die Gleitschuh-Drehdurchführung
umfassen, um auch das aus der Gleitschuh-Drehdurchführung austretende Leckfluid
aufzufangen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
arbeitet folgendermaßen:
Zunächst
einmal wird das Fluid über
eine Gleitschuh-Drehdurchführung
in das rotierende Maschinenteil zugeführt und verzweigt dort in zwei
getrennte Zweige, die auf je einer der beiden Seiten des Kolbens
des Stellgliedes münden.
Dies würde
im Prinzip dazu führen,
daß zunächst beide Seiten
des Kolbens mit demselben Druck beaufschlagt werden. Durch die erfindungsgemäße Schaltung
können
jedoch die relativen Drücke
auf beiden Seiten des Kolbens verändert werden, da nämlich mindestens
einer der beiden Zweige einen parallel geschalteten Drosselpfad
aufweist, der mit der Rückführleitung
verbunden ist und auch der zweite Zweig einen parallel geschalteten
Drosselpfad aufweist, der mit der Rückführleitung verbunden ist, wobei
auch dieser zweite Pfad vorzugsweise eine verstellbare Drossel hat,
grundsätzlich
aber auch eine unverstellbare Drossel ausreichen würde, wobei
eventuell sogar ein Rückschlagventil
als Drossel dienen kann.
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Indem
die Drossel im parallel geschalteten Pfad verändert wird, der mit der Rückführleitung
verbunden ist, gibt es in dem betreffenden, parallelen Zweig, der
zu einer Seite des Kolbens führt,
einen entsprechenden Druckabfall oder Druckanstieg, je nachdem,
ob die Drosselwirkung reduziert oder verstärkt wird. Dadurch ändert sich
der Druck auf der einen Seite des Kolbens, so daß, sofern der Druck auf der
anderen Seite unverändert
bleibt, der Kolben sich entsprechend bewegt und damit auch das Stellglied bewegt,
welches seinerseits das verstellbare Maschinenelement entsprechend
neu einstellt. Wenn beide parallelen Drosselpfade je eine verstellbare
Drossel aufweisen, so ist es zweckmäßig, daß diese beiden Drosseln immer
gegenläufig
verstellt werden, d.h. wenn die Drosselwirkung in dem einen Parallelpfad verstärkt wird,
wird sie in dem anderen Parallelpfad abgesenkt und umgekehrt.
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Dies
führt zu
einer Verstärkung
des Ungleichgewichts auf beiden Seiten des Kolbens, wenn die Drosseln
verstellt werden.
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Damit
die beiden Zweige, die von der Drehdurchführung zu den beiden verschiedenen
Seiten des Kolbens führen,
sich nicht gegenseitig beeinflussen, ist außerdem vorgesehen, daß hinter
der ersten Verzweigung der Zuführleitung
in zwei Zuführzweige und
vor der Abzweigung der gedrosselten Parallelpfade weitere Drosseln
oder Strombegrenzer vorgesehen sind.
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Die
Zuführleitung
kann auch noch einen dritten Zuführzweig
aufweisen, der ebenfalls eine Drossel aufweist und der zu einem
den Kolben bzw. Zylinder umgebenden Kühlraum führt.
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Die
Verstellung der Drosseln führt,
wie bereits erwähnt,
zu einem Ungleichgewicht der Drücke bzw.
Druckkräfte
auf beiden Seiten des Kolbens, durch welche der Kolben verschoben
wird. Es hängt dann
von den Rückstellkräften des
verstellbaren Maschinenelementes ab, welches über das Stellglied auf den
Kolben zurückwirkt,
ob sich dann automatisch ein neuer, gewünschter Gleichgewichtszustand einstellt,
oder ob nach einer entsprechenden, gewünschten Verschiebung des Kolbens
die Drosseln erneut verstellt bzw. neu eingestellt werden müssen, damit
der Kolben wieder einen Gleichgewichtszustand in einer neuen, gewünschten
Position einnimmt. Dabei ist zu beachten, daß das Gleichgewicht nicht allein
durch die Gleichheit der Drücke
auf beiden Seiten des Kolbens hergestellt wird, sondern daß neben
den auf den Kolben wirkenden Druckkräften noch die bereits erwähnten Rückstellkräfte des
verstellbaren Maschinenelements zu berücksichtigen sind, welche über das
Stellglied auf den Kolben zurückwirken.
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Die
Verstellung der Drosseln kann ebenfalls über ein hydraulisches Stellglied
erfolgen, wobei der Einfachheit halber hier ein einseitig federbelasteter Kolben
verwendet wird, der von der anderen Seite her mit einem unter Druck
stehenden Fluid beaufschlagt wird und der mit den Verstelleinrichtungen der
Drosseln in Verbindung steht. Es versteht sich, daß, da auch
die Verstelleinrichtung der Drosseln im bzw. am drehenden Maschinenteil
angeordnet sein muß,
auch für
die Zufuhr von Fluid zu dem Drosseleinstellkolben eine entsprechende
Drehdurchführung vorgesehen
sein muß,
die von der erwähnten
Hauptdrehdurchführung
getrennt ist und im allgemeinen Fluid auch unter einem anderen Druck
und im allgemeinen geringeren Mengen zuführt. Auch hierfür ist zweckmäßigerweise
eine Gleitschuh-Drehdurchführung
vorgesehen.
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Da
jedoch die Verstellung der Drosseln in den meisten praktischen Fällen erheblich
weniger Energie und Kraft erfordert als die Verstellung des verstellbaren
Maschinenelements, könnte
man für die
Verstellung der Drosseln auch eine elektrische Verstelleinrichtung
vorsehen, die über
einen Schleifring mit Strom versorgt wird. Die Gleitschuh-Drehdurchführung gemäß der vorliegenden
Erfindung kann entweder eine radiale Zuführung aufweisen, bei welcher
ein entsprechender Zuführring
radiale Bohrungen aufweist und ein Gleitschuh über einen Teil des Umfangs
eines solchen Zuführringes
an dessen Außenseite
anliegt, wie es im Prinzip in der
DE 34 44 850 C2 beschrieben ist. Bevorzugt
sind jedoch Varianten, bei welchen der Zuführring achsparallele Bohrungen
aufweist, die mit den entsprechenden Rückschlagventilen verschlossen
sind und die an einer ebenen, teilringförmigen Gleitfläche axial
anliegen, wobei die Gleitdichtflächen
vorzugsweise in axialer Richtung gegeneinander vorgespannt sind.
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Es
versteht sich, daß man
für die
umgekehrte Strömungsrichtung
den Gleitschuh auch am rotierenden Maschinenteil anbringen kann,
während
der Zuführring
am stationären
Maschinenteil vorgesehen ist, so daß auf diese Weise trotz der
Verwendung von Rückschlagventilen
in dem Zuführring
die Strömungsrichtung
gegenüber
der oben beschriebenen Variante umgekehrt werden kann, d.h. von
dem rotierenden in das stehende Maschinenteil.
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Für Zwecke
der ursprünglichen
Offenbarung wird darauf hingewiesen, daß sämtliche Merkmale, wie sie sich
aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen
Fachmann erschließen,
auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren
Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen
Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder
Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen
wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder
sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher
denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und
der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet. Beispielsweise
ist es nicht zwingend erforderlich, daß die in Anspruch 3 angegebenen
Merkmale gemeinsam verwirklicht sind, da die Drosseln in den Parallelpfaden
zur Rückführleitung auch
jeweils eine eigene Verstelleinrichtung aufweisen können und
auch bei Verwendung einer gemeinsamen Verstelleinrichtung nicht
zwingend die Drosseln in Gegenrichtung zueinander verstellt werden müssen, sondern
ebensogut auch die Einstellung einer Drossel unverändert bleiben
kann, während
allein die andere verändert
wird. Darüber
hinaus ist es auch denkbar, den Stellkolben von einer Seite her
mit einer ausreichend starken Druckfeder mit genügend großem Stellweg auszustatten,
während
nur die andere Seite des Kolbens mit einem unter Druck stehenden
Fluid beaufschlagt wird, dessen Druck entweder über die erwähnten Drosseleinrichtungen
oder aber auch über
eine entsprechend regelbare Druckwelle bzw. Druckpumpe variiert
werden kann. In diesem Fall könnte
man auf die hydraulische Drosselschaltung möglicherweise verzichten. Denkbar
wäre es
auch, das Stellglied bzw. das verstellbare Maschinenelement mit
Rasteinrichtungen zu versehen, die bestimmte eingestellte Positionen
durch Verrastung oder Verriegelung festhalten, ohne daß der Stellkolben
weiterhin mit Druck beaufschlagt werden muß. Derartige Rasteinrichtungen
können
so ausgestaltet werden, daß die
Druckbeaufschlagung des Kolbens das Entsperren der Verrastung auslöst, so daß jederzeit
eine neue Position eingestellt werden kann. Auch die Verstelleinrichtung
für die
Drossel könnte
gegebenenfalls mit einer Rasteinrichtung versehen werden, so daß bestimmte
relative Drosselpositionen zeitweise fest einstellbar sind bzw.
festgehalten werden können,
ohne daß die
Verstelleinrichtung für
die Drosseln weiterhin aktiv betätigt
wird oder in Betrieb ist.
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Darüber hinaus
versteht es sich, daß die
in 1 innerhalb der rotierenden Welle dargestellten Elemente
nicht notwendigerweise allesamt innerhalb der Welle angeordnet sein
müssen,
sondern zumindest teilweise auch an deren Außenumfang oder in entsprechenden
Nuten und Aussparungen aufgenommen werden können.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform
und der dazugehörigen
Figuren.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
eine rotierende Welle mit einem Turbinenrad und verstellbaren Turbinenschaufeln,
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2 einen
Schaltplan für
die in 1 dargestellte Verstellung der Turbinenschaufeln,
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3 einen
Schaltplan, bei welchem die Drosselverstellung elektrisch erfolgt
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4 einen
weiteren Schaltplan mit einer Servoventil als Verstelleinrichtung,
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5 einen
Schaltplan wie in 2, jedoch mit einer zusätzlichen
Verzweigung für
Kühlmittelfluid,
und
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6 ein
Beispiel einer Gleitschuhdrehdurchführung, wie sie aus dem Stand
der Technik gemäß
DE 34 44 850 C1 bekannt
ist.
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Man
erkennt in 1 eine mit 1 bezeichnete, rotierende
Welle, welche durch Turbinenschaufeln 2 angetrieben wird,
die über
ein Stellglied 3 in ihrer Orientierung relativ zur Welle
verstellbar sind. Zur Betätigung
des Stellgliedes 3 muß einer
Kolbenzylindereinheit 20 Hydraulikfluid zugeführt werden.
Dies erfolgt von einem stationären
Maschinenteil 10 aus über
eine Drehdurchführung 4.
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Die
Drehdurchführung 4 besteht
ihrerseits aus einem auf der Welle abgedichtet befestigten und mit
der Welle 1 rotierenden Zuführring 6 und einem an
dem Zuführring
gleitenden, stationären
Gleitschuh 7, der sich nur über einen Teil des Umfangs
des Zuführringes 6 erstreckt.
Der Gleitschuh 7 ist hydraulisch und/oder federnd (wobei
in der Figur schematisch nur eine Feder 11 wiedergegeben
ist) vorgespannt, so daß die
Gleitdichtflächen
des Gleitschuhs 7 und des Zuführringes 6 dicht aneinanderliegen.
Unter Druck stehendes Hydraulikfluid wird durch den Gleitschuh 7 über die
Zufuhrleitung 9 hinzugefügt, welche an einer Aussparung 9' anschließt, die
sich bogenförmig
in Umfangsrichtung der Welle bzw. des Zuführringes 6 erstreckt,
die in Umfangsrichtung eine Länge
hat, welche dem Abstand mehrerer Ventile entspricht, die in axialen
Bohrungen des Zuführringes 6 angeordnet
sind. Entlang des Umfangs des Zuführringes 6 ist eine
große
Anzahl, vorzugsweise mindestens zehn, bevorzugt aber auch 100 oder mehr,
axialer Bohrungen vorgesehen, die durch radial nach außen vorgespannte
Rückschlagventile 8 verschlossen
sind. Die die axial gerichteten Öffnungen
der Bohrungen in dem Zuführring 6 abdichtenden
Ventilteller werden durch entsprechende Federn in Richtung nach
außen
vorgespannt, so daß sie
fest an dem Ventilsitz anliegen. Dabei ist die Vorspannfeder der
Ventile 8 so ausgelegt, daß das Ventil 8 öffnet, wenn
auf der Außenseite
des Ventils bzw. auf der Außenseite
des Zuführringes 6 ein
entsprechender Druck anliegt. Für
die Zufuhr von Fluid in die Welle bzw. das rotierende Maschinenteil
wird der Druck in der Zuleitung 9 und damit auch in der
Aussparung 9' des
Gleitschuhs entsprechend eingestellt, so daß die Ventile 8 öffnen und
Fluid durch die axiale Ventilbohrung in eine radiale Bohrung 13 des
Zuführrings 6 strömt, welche
wiederum mit einer umlaufenden Nut 12 in der Außenseite
der Welle in Fluidverbindung steht, wobei von der Nut 12 wiederum
eine innere Zuführleitung 14 der
Welle 1 ausgeht. Die Zuführleitung 14 verzweigt
sich an dem Punkt 15 in zwei getrennte Zweige, die jeweils
mit einem Durchflußbegrenzer 16a, 16b versehen
sind. Hinter der Drossel 16a, 16b, verzweigt die
Zuführleitung
nochmals an den Position 17a, 17b. Der eine Zweig 19a bzw. 19b verläuft dann
zu je einer der Seiten des Kolbens 5 der hydraulischen
Verstelleinrichtung, während
ein paralleler Pfad über
verstellbare Drosseln 18a, 18b an eine Rückführleitung 21a, 21b führt. Die
Rückführleitung 21b kann
beispielsweise über
Ventile an der Außenseite
der Welle 1 oder in einem entsprechenden Schleuderring
münden,
der von einem Auffangring 34 mit U-Profil umgeben ist,
welcher das rückgeführte Hydraulikfluid
aufnimmt, von wo es dann in ein Reservoir zurückgepumpt und über eine
entsprechende Druckpumpe erneut der Leitung 9 zugeführt werden kann.
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Es
ist wichtig, daß der
Gleitschuh durch das Fluid auch hydrostatisch entlastet ist, wie
es im Prinzip aus der
DE
34 44 850 C1 bekannt ist, damit der Gleitschuh über einen
größeren Druckbereich
und vor allem bei niedrigen Drücken
von 0 und bis z. B. 20 bar hinreichend abgedichtet und dennoch (vor
allem bei hohen Drücken
z.B. 200 bar) ohne übermäßige Reibung
an dem Zuführring
anliegt.
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Eine
Verstellung der Drosseln 18a, 18b führt dazu,
daß die
Zylinderkammern beiderseits des Kolbens 5 mit einem geänderten
Druck beaufschlagt werden, was wiederum den Kolben verschiebt und über das
Stellglied 3 die Einstellung des Turbinenrades 2 verändert.
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Einzelheiten
der hydraulischen Funktion werden im Folgenden anhand der 2–4 beschrieben.
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In 2 erkennt
man nochmals in der linken Bildhälfte
in schematischer Darstellung die verschiedenen Elemente aus 1.
Im oberen Bereich der 2 erkennt man wiederum schematisch
den Stellkolben 5 in der hydraulischen Stelleinrichtung 20 bzw.
dem Zylinder 20 für
die in 2 nicht dargestellte Turbinenschaufel 2.
Der darunterliegende Teil entspricht der rotierenden Welle 1,
in welcher verschiedene hydraulische Elemente angeordnet sind. Der untere,
mit 10 bezeichnete und strichpunktiert umrahmte Kasten
entspricht dem stehenden Maschinenteil und daran befestigten Elementen.
Im stehenden Maschinenteil erkennt man eine Druckpumpe 28 für Hydrauliköl. Der Übergang
zwischen dem stehenden Maschinenteil 10 und dem rotierenden
Maschinenteil 1 wird durch eine horizontale Trennlinie
repräsentiert,
wobei der konkrete Übergang
durch eine oder mehrere Drehdurchführungen 4 gebildet
wird. wird. Im Bereich dieser Drehdurchführung 4 befindet sich
das Rückschlagventil 8,
welches in der Realität eine
Mehrzahl von Rückschlagventilen
in dem Zuführring 6 repräsentiert.
Im rotierenden Maschinenteil schließt sich dann die Zuführleitung 14 an,
in der ein Hydraulikfluid unter Druck zugeführt wird. Mit 22 ist ein
Reservoir für
Hydraulikfluid bezeichnet, welches etwaige Druckschwankungen, wie
sie durch das wechselnde Öffnen
und Schließen
der Rückschlagventile 8 entstehen
können,
ausgleicht. An die Zuführleitung 14 schließt eine
Verzweigung 15 an, wodurch die Zuführleitung 14 in zwei
Zweige aufgeteilt wird, die in dem Zylinder 20 münden, so
daß auf
jeder Seite des Kolbens 5 je eine Zuführleitung 19a bzw. 19b mündet. Hinter
der Verzweigung 15 verläuft
die Zuführleitung
zunächst über zwei
Durchflußbegrenzer
oder Drosseln 16a, 16b. Im Anschluß an die
Drosseln 16a, 16b folgt nochmals je eine Verzweigung 17a, 17b,
so daß in
jedem Zweig ein Parallelpfad zu den Zuführleitungen 19a, 19b entsteht,
der jeweils über
eine verstellbare Drossel 18a bzw. 18b in eine Rückführleitung 21 mündet. Diese
Rückführleitung 21 ist
wiederum über
ein Rückschlagventil 27 mit
der Außenseite
der Welle verbunden, und zwar über
eine weitere, einfache Drehdurchführung 4', die das rückgeführte Fluid nicht mehr unter
Druck übertragen muß, so daß es einfach
an Öffnungen
auf der Außenseite
der Welle oder eines entsprechenden Austrittsrings austreten und
von einem passend angeordneten Auffangprofil aufgefangen werden
kann.
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Die
beiden Drosseln 18a, 18b sind verstellbare Drosseln
und sie sind mit einer Verstelleinrichtung 25 derart verbunden,
daß die
Verstellung der beiden Drosseln 18a, 18b gegenläufig erfolgt.
Das heißt,
wenn die Drossel 18a weiter geöffnet wird, wird die Drossel 18b weiter
geschlossen und umgekehrt, so daß in den entsprechenden Zuleitungen 19a, 19b der
Druck abgesenkt und erhöht
wird, und zwar ebenfalls gegenläufig,
entsprechend der Verstellung der Drosseln 18a, 18b.
Wenn beispielsweise die Drossel 18a auf eine größere Durchflußmenge eingestellt
wird als die Drossel 18b, so nimmt der Druck am Verzweigungspunkt 17a und
damit auch in der Zuführleitung 19a ab,
während
am Verzweigungspunkt 17b und damit auch in der Zuführleitung 19b der
Druck zunimmt. Dies führt
zu einer Verschiebung des Kolbens 5 nach links. Das dabei
aus dem Zylindervolumen links des Kolbens 5 verdrängte Fluid fließt über die
Leitung 19a und die Drossel 18a zurück in die
Rückführleitung 21 und
tritt über
das Rückschlagventil 27 nach
außen.
Wenn umgekehrt die Drossel 18b weiter geöffnet und
die Drossel 18a weiter geschlossen wird, erhöht sich
der Druck am Verzweigungspunkt 17a und wird am Verzweigungspunkt 17b abgesenkt
und entsprechend steigt der Druck in dem Zylindervolumen links des
Kolbens 5, während
er im Volumen rechts des Kolbens 5 abnimmt, was zu einer
Verschiebung des Kolbens 5 nach rechts führt. Über das
Stellglied 3 wird dementsprechend die Stellung einer Turbinenschaufel 2 oder
eines sonstigen verstellbaren Maschinenelementes verstellt. Dabei
können
sich insbesondere die auf die Turbinenschaufel 2 einwirkenden
Kräfte verändern, was
wiederum Rückwirkungen
auf das Stellglied 3 hat und entsprechende zusätzliche
Rückstellkräfte auf
den Kolben 5 ausübt.
Diese müssen durch
eine entsprechende Einstellung bzw. Regelung der Drücke in den
Leitungen 19a, 19b ausgeglichen werden, um eine
bestimmte Position des Kolbens 5 und damit der Turbinenschaufel 2 zu
fixieren.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 erfolgt
die Verstellung der beiden Drosseln 18a, 18b ebenfalls
hydraulisch über
eine Verstelleinrichtung mit einem federbelasteten Kolben, bei welchem
die der Feder gegenüberliegende
Seite des Kolbens mit Fluid aus einer bezüglich ihres Volumenstromes
geregelten Pumpe 29 beaufschlagt wird, welche sich im stationären Maschinenteil
befindet und über
die Drehdurchführung 4' und ein Rückschlagventil 8' mit dem drehenden
Maschinenteil 1 verbunden ist, in welchem sich die Verstelleinrichtung 25 befindet.
Die mit Fluid beaufschlagte Seite des Verstellkolbens ist wiederum über eine
Drossel 26, die auch als Stromregler ausgeführt sein
kann, mit der Drehdurchführung 4' bzw. der Außenseite
der Welle verbunden, wo das entsprechende Fluid, welches durch die
Drossel 26 hindurchtritt, aufgefangen werden kann. Durch Steigerung
der Leistung der Pumpe 29 (Erhöhung des Volumenstroms) wird
der Druck in der Verstelleinrichtung 25 erhöht und der
dann befindliche Verstellkolben wird in der in 2 dargestellten
Version nach links bewegt, was die beiden Drosseln 18a, 18b gegenläufig verstellt.
Eine Absenkung der Leistung der Pumpe 29 (Reduzierung des
Volumenstroms) führt
zu einer Abnahme des Drucks in der Verstelleinrichtung 25,
so daß die
Feder den entsprechenden Verstellkolben zurückbewegt und die beiden Drosseln 18a, 18b entgegen
der vorherigen Verstellrichtung verstellt.
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Auch
an der Zufuhrleitung zu der Verstelleinrichtung 25 ist
ein Druckausgleichsbehälter 23 vorgesehen,
welcher etwaige Druckschwankungen in der Zuführleitung ausgleichen soll
und so zu einer stabileren Regelung beiträgt.
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Die
regelbare Pumpe 29 kann über einen Regler gesteuert
werden, der Ist- und Soll-Werte der Position des Stellglieds 3 bzw.
des Kolbens 5 oder aber der daraus resultierenden Stellung
der Turbinenschaufel 2 aufnimmt und entsprechend den jeweiligen
Vorgaben den Ist-Wert auf den Soll-Wert regelt. Auf diese Weise kann durch
Verstellung des Soll-Wertes jede beliebige Position des Kolbens 5 und
damit auch der Turbinenschaufel 2 (selbstverständlich beschränkt auf
den maximalen Verstellbereich) eingestellt werden. Die Regelung
der Pumpe 29 erfolgt dabei automatisch so, daß die beiden
Drosseln 18a, 18b immer in der Weise nachgeregelt
werden, daß die
Druckverhältnisse
innerhalb des Zylinders 20 in Verbindung mit den über das
Stellglied 3 wirkenden Rückstellkräften eine bestimmte, gewünschte Stellung
des Kolbens 5 und damit auch des verstellbaren Maschinenelementes
hervorrufen.
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3 zeigt
eine Variante der vorliegenden Erfindung, die im Hinblick auf den
Leistungsteil, der in linken Hälfte
der 2 dargestellt ist, mit der Ausführungsform
nach 2 völlig
identisch ist. Das heißt, alle
Teile mit den Bezugszahlen 1–22 sowie 27 und 28 (und
außer 4' und 8') sind bei der
Ausführungsform
nach 3 identisch vorhanden. Lediglich die Verstelleinrichtung
für die
Drosseln 18a, 18b, die bei der Ausführungsform
nach 2 aus den Elementen 8', 25, 26 und 29 besteht,
wurde ersetzt durch entsprechende elektrische Bauteile, und zwar
im einzelnen eine Steuer- und
Strom- oder Spannungsversorgungseinheit 30, einen elektrischen
Schleifring 31, der den Übergang vom stehenden in das
drehende Maschinenteil herstellt, und einen elektrischen Antrieb 32,
der z. B. ein Schrittmotor sein kann, der über den Schleifring 31 die
entsprechenden elektrischen Signale und Spannungen/Ströme empfängt, um
die Drosseln 18a, 18b in der gewünschten
Weise zu verstellen. Auch diese Verstelleinheit kann selbstverständlich durch
Rückkopplung
des Ist-Wertes der Position des Kolbens 5 oder damit verbundener
Teile an einen Regler und durch Nachregelung auf einen Soll-Wert
beliebig eingestellt werden.
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Eine
weitere Variante, die hinsichtlich der in 3 dargestellten
Leistungshydraulik mit dieser übereinstimmt,
ist in 4 wiedergegeben. Die Verstelleinrichtung weist
in diesem Fall ein elektrisches Servoventil 39 auf und
enthält
vorzugsweise in die verstellbaren Drosseln. Mit Hilfe des Servoventils werden
die verstellbaren Drosseln 18a, 18b entweder direkt
oder hydraulisch verstärkt
verstellt, wobei das Servoventil 39 wiederum über einen
elektrischen Schleifring 31 mit Strom- bzw. Spannungssignalen der
Steuereinheit 30 versorgt wird. Diese Ausführungsform
ist deshalb besonders bevorzugt, weil derartige Servoventile in
unmittelbar verwendbarer Form auf dem Markt erhältlich sind. Typischerweise öffnet ein
solches Ventil spannungs- bzw. stromgesteuert mit Spannungssignalen
die sich bei geringer Leistung leicht über einen einfachen Schleifring übertragen
lassen. Ein solches Ventil kann entweder direkt als Drossel ausgebildet
sein, wobei die beiden Drosseln dann entsprechend gegenläufig mit
Steuersignalen versorgt werden sollten, oder es weist ein Stellglied
auf, das entsprechend dem Grad der Öffnung des Servoventils 39 verstellt
wird und dadurch die Drosseln 18a, 18b hydraulisch
einstellt. Die hydraulische Antriebskraft kann aus den Leitungen 14 oder 19a, 19b bereitgestellt
werden. Das Ventil kann beispielsweise durch einen Elektromagneten
verstellt werden, der proportional zum Spannungssignal arbeitet
und induktiv mit Strom versorgt wird, oder es arbeitet hydraulisch
verstärkt,
d. h. es wird beispielsweise durch das Hydraulikfluid aus den Leitungen 14 oder 19a, 19b mit
Antriebsenergie versorgt, während allein
das Steuersignal elektrisch wirkt.
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Eine
weitere Variante, die ebenfalls hinsichtlich der in 2 dargestellten
hydraulischen Bauelemente mit dieser übereinstimmt, ist in 5 wiedergegeben.
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In 5 ist
auch die hydraulische Verstelleinrichtung vorgesehen, wie sie in 2 dargestellt ist.
Zusätzlich
ist aber in 4 noch eine weitere Verzweigung
der Zuführleitung 14 vor
den Drosseln 16a, 16b zu einem Durchflußbegrenzer
bzw. einer Drossel 33 vorgesehen, über welche das Hydraulikfluid
als Kühlfluid
dem Zylinder 20 zugeführt
wird (über
Leitung 36), da das unter Druck stehende und ständig nachgeregelte
Fluid in dem Zylinder beiderseits des Kolbens nur in geringem Maße ausgetauscht
wird, sich aufgrund der andauernden Druckschwankungen jedoch allmählich erwärmt. Diese
Wärme kann
durch einen konstanten Strom von Fluid durch entsprechende Kühlleitungen
oder einen Kühlmantel
des Zylinders 20 abgeführt
werden. Dementsprechend ist auch eine Ausgangsleitung 37 aus
dem Kühlsystem vorgesehen,
welche in die Leitung 21 mündet.
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6 zeigt
eine Variante einer Gleitschuh-Drehdurchführung, wie sie aus der
DE 34 44 850 C1 bekannt
ist und prinzipiell für
die vorliegende Erfindung verwendet werden könnte. Dabei wurde die
6 unmittelbar
aus dieser Druckschrift entnommen, wobei lediglich alle Bezugszahlen
um
100 erhöht
wurden.