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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf einen hydraulischen Stellantrieb für ein Schnellschlussventil, umfassend
- – einen Zylinder mit einem seinen Zylinderinnenraum axial in einen über einen Druckversorgungspfad mit einer hydraulischen Druckquelle verbundenen Druckraum und einen über eine Abführleitung mit einem Tank verbundenen Federraum unterteilenden, axial beweglichen Kolben, wobei im Federraum eine den Kolben entgegen dem Druck im Druckraum vorspannende Speicherfeder angeordnet ist, und
- – ein Schaltventil, mittels dessen ein Verbindungspfad zwischen dem Druckraum und dem Federraum schaltbar ist,
wobei der Druckversorgungspfad über eine erste Steuerleitung mit einem ersten, schließenden Steuereingang des Schaltventils und der Druckraum über eine zweite Steuerleitung mit einem zweiten, öffnenden Steuereingang des Schaltventils verbunden und das Schaltventil eingerichtet ist, bei Druckgleichheit an seinen Steuereingängen den Verbindungspfad geschlossen zu halten.
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Stand der Technik
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Derartige Stellantriebe für Schnellschlussventile sind bekannt aus der
DE 100 58 560 A1 .
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Insbesondere in der Kraftwerktechnik, bspw. im Kontext von Dampfturbinen, spielen Schnellschlussventile und deren Stellantriebe eine wesentliche Rolle. So gilt es bspw., einer Dampfturbine im Fall, dass die elektrische Last eines an sie angeschlossenen elektrischen Generators einbricht, möglichst schnell die Dampfzufuhr zu kappen, um ein Hochdrehen der dann lastfreien Turbine in Drehzahlbereiche, in denen sie mechanisch Schaden nehmen könnte, zu verhindern. Die zur schnellen Betätigung einer entsprechenden, vor der Dampfturbine angeordneten, in der Regel großen und daher schweren Ventilklappe notwendige mechanische Leistung kann von üblichen Stellmotoren oder ähnlichem nicht zur Verfügung gestellt werden. Zudem wären hinreichend groß dimensionierte Motoranordnungen unwirtschaftlich.
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Es werden daher typischerweise hydraulische Stellantriebe mit einem sogenannten Speicherzylinder eingesetzt. Ein solcher hydraulischer Stellantrieb umfasst einen Hydraulik-Zylinder, in dem ein Hydraulik-Kolben axial beweglich und dichtend angeordnet ist. Der Kolben unterteilt den Zylinder in zwei Teilräume, deren einer hier als Druckraum und deren anderer hier als Federraum bezeichnet werden soll. Der Druckraum ist über eine Hydraulikleitung, die hier als Druckversorgungspfad bezeichnet werden soll, mit einer hydraulischen Druckquelle verbunden. Hydraulikmedium, typischerweise Hydrauliköl, wird von der Druckquelle über den Druckversorgungspfad in den Druckraum gepumpt, sodass sich der Kolben unter Vergrößerung des Druckraums und Verkleinerung des Federraums im Zylinder verschiebt. Allerdings ist im Federraum eine Speicherfeder angeordnet, deren Federvorspannung der vorgenannten Axialverschiebung des Kolbens entgegenwirkt. Der Begriff der Speicherfeder ist hier rein funktional zu verstehen. Als typische Ausgestaltung der Speicherfeder sind bspw. Tellerfederstapel bekannt. Die Druckbeaufschlagung des Druckraums führt somit zu einer Kompression der Speicherfeder, die die (über einen längeren Zeitraum) aufgebrachte hydraulische Energie speichert.
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Der Federraum ist einerseits drucklos mit einem Hydraulikmedium-Tank verbunden. Andererseits ist der Federraum des bekannten Stellantriebs über eine außerhalb des Zylinders geführte und hier als Verbindungspfad bezeichnete Hydraulikleitung mit dem Druckraum verbunden. Allerdings ist der Verbindungspfad über ein Schaltventil gesperrt, um einen Druckausgleich zwischen Druckraum und Federraum (im Normalfall) zu unterbinden. Im Schaltfall öffnet das Schaltventil, sodass das Hydraulikmedium aus dem Druckraum in den Federraum und von diesem in den Tank entweichen kann. Dabei entspannt sich die Speicherfeder schlagartig, sodass der Kolben mit hoher Geschwindigkeit axial in Richtung Druckraum verschoben wird, wobei er das im Druckraum befindliche Hydraulikmedium über den Verbindungspfad in den Federraum presst. Diese Kolbenbewegung kann über eine hier als Betätigungs-Kolbenstange bezeichnete und fest mit dem Kolben verbundene, insbesondere den Druckraum und die druckraumseitige Stirnseite des Zylinders dichtend durchsetzende Betätigungs-Kolbenstange nach außerhalb des Zylinders übertragen und dort über eine geeignete Mechanik zu der zu bewegenden Ventilklappe übertragen werden.
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Das eigentliche Schaltventil arbeitet rein hydraulisch. Es weist mehrere Steuereingänge auf, an welche hydraulische Steuerleitungen angeschlossen sind, die wenigstens abschnittsweise mit dem Verbindungspfad bzw. dem Druckversorgungspfad identisch sind. Die Schaltstellung des Schaltventils ergibst sich jeweils aus dem Verhältnis der Drücke in seinen Steuerleitungen. Welche Drücke dort jeweils herrschen, wird durch ein zusätzliches, komplex aufgebautes, elektrisches Steuerventil bestimmt, das seinerseits durch eine integrierte, intelligente Logik gesteuert wird. Diese Abhängigkeit vom einwandfreien Funktionieren einer komplizierten elektrischen Steuerung macht das bekannte System nicht vollständig ausfallsicher.
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Der besondere Vorteil hydraulischer Stellantriebe liegt in ihrem einfachen und wartungsfreien Aufbau. Problematisch und für die erreichbare Schaltgeschwindigkeit essentiell ist jedoch der Verbindungspfad, der, um ein großes Druckmedium-Volumen in kürzester Zeit leiten zu können, einen erheblichen Querschnitt aufweisen und zudem drucksicher aufgebaut sein muss. Die bekannte, externe Leitungsführung ist daher unter Kosten-, Sicherheits- und Bauraumaspekten nachteilig.
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Aus der
WO 2007/068234 A1 ist ein hydraulischer Aktuator zur dynamischen, bidirektionalen Ansteuerung von Stellelementen, z. B. von Fahrwerk, Türen oder Lenkung eines Verkehrsflugzeuges, bekannt. Dessen Zylinder wird durch einen Kolben in zwei gleichberechtigte Druckräume unterteilt, die über einen den Kolben axial durchsetzenden Verbindungspfad miteinander verbunden sind. Im Inneren des Kolbens ist zudem eine elektrische Pumpe angeordnet, mittels derer Hydrauliköl durch den Verbindungspfad zwischen den Druckräumen verschoben werden kann. Dabei dient ein elektrisches Schaltventil zur Umkehrung der Verschiebungsrichtung, ohne dass die Arbeitsrichtung der Pumpe umgekehrt werden müsste. Die elektrischen Zuleitungen zu der Pumpe sowie zu dem elektrischen Schaltventil verlaufen durch die Betätigungs-Kolbenstange nach außerhalb des Zylinders.
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Aufgabenstellung
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gattungsgemäßen Stellantrieb derart weiterzubilden, dass Kosten und Bauraumbedarf gesenkt werden und gleichzeitig die Betriebssicherheit erhöht wird.
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Darlegung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das Schaltventil im Kolben angeordnet ist und der Druckversorgungspfad sowie der Verbindungspfad den Kolben axial durchsetzen, wobei der Druckversorgungspfad innerhalb des Kolbens ein gegen die Druckversorgungsrichtung vorgespanntes Rückschlagventil aufweist, vor – in Druckversorgungsrichtung – welchem die erste Steuerleitung vom Druckversorgungspfad abzweigt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der Erfinder hat zunächst erkannt, dass der Kolben selbst hinreichend Bauraum bietet, um den Verbindungspfad zwischen Druckraum und Federraum einschließlich des Schaltventils zur Verfügung zu stellen. Entsprechend sieht die Erfindung eine Verlagerung der bislang außerhalb des Zylinders geführten und als Verbindungspfad dienenden Hydraulikleitung in das Innere des Kolbens vor. Diese Maßnahme zeitigt den zusätzlichen Vorteil, dass der Verbindungspfad in seiner Länge minimiert wird, was zu einer Minimierung der Reibungsverluste zwischen Hydraulikmedium und Hydraulikleitung und damit zu einer Verringerung des Strömungswiderstandes führt. Dadurch kann eine weitere Beschleunigung des Schließvorgangs bzw. eine Beibehaltung der Geschwindigkeit bei reduziertem Leitungsdurchmesser erzielt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Verlagerung des Verbindungspfades können jedoch Schwierigkeiten bei der Anordnung weiterer Hydraulikleitungen entstehen. Bei der Erfindung ist daher vorgesehen, dass der Druckersorgungspfad ebenfalls den Kolben axial durchsetzt. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass sich der Druckversorgungspfad druckquellenseitig des Kolbens in einer mit dem Kolben verbundenen, die federraumseitige Stirnseite des Zylinders durchsetzenden Versorgungs-Kolbenstange fortsetzt. Wie auch der Verbindungspfad wird bei dieser Weiterbildung der Erfindung der Druckversorgungspfad, über den der Druckraum mit Hydraulikmedium befüllt und mit Druck beaufschlagt wird, von außerhalb des Zylinders nach innerhalb des Kolbens verlegt. Da er jedoch in keinem unmittelbaren Kontakt zum Federraum stehen darf, wird er bevorzugt über eine für die eigentliche Ventilbetätigung nicht zwingend erforderliche, rückwärtige Kolbenstange geführt, die hohl ausgeführt ist und am federraumseitigen Ende des Kolbens in Verbindung zu dem kolbeninternen Abschnitt des Druckversorgungspfades ansetzt. Über diese Versorgungs-Kolbenstange wird der Druckversorgungspfad nach außerhalb des Zylinders geführt, wo er, typischerweise über eine Pumpe, mit einem Druckmedium-Reservoir, insbesondere dem vorerwähnten Tank, verbunden sein kann.
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Zur Befüllung und Druckbeaufschlagung des Druckraums wird das Hydrauliköl somit bevorzugt über die Versorgungs-Kolbenstange zugeführt, durchfließt den Kolben axial und ergießt sich über die nachfolgend als Zufuhröffnung bezeichnete Endöffnung des Druckversorgungspfades in der druckraumseitigen Stirnseite des Kolbens in den Druckraum. Dies erfolgt weiter erfindungsgemäß über ein innerhalb des Kolbens angeordnetes und gegen die Druckversorgungsrichtung vorgespanntes Rückschlagventil, welches Bestandteil des kolbeninternen Druckversorgungspfadabschnittes ist. Das Rückschlagventil unterteilt somit den kolbeninternen Druckversorgungspfadabschnitt in einen eingangsseitigen (federraumseitigen) und einen ausgangsseitigen (druckraumseitigen) Abschnitt, die im Fall eines hinreichenden eingangsseitigen Überdrucks, insbesondere während einer Druckaufbauphase, über das geöffnete Rückschlagventil verbunden sind und die von dem schließenden Rückschlagventil voneinander getrennt werden, sobald der eingangsseitige Überdruck unter die Vorspannkraft des Rückschlagventils fällt. Diese Trennung erleichtert die Ansteuerung des Schaltventils.
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Hierfür ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass der Druckversorgungspfad innerhalb des Kolbens und in Druckversorgungsrichtung vor dem Rückschlagventil, d. h. im eingangsseitigen Teil des kolbeninternen Druckversorgungspfadabschnitts, über eine erste Steuerleitung mit einem ersten, schließenden Steuereingang des Schaltventils und der Druckraum über eine zweite Steuerleitung mit einem zweiten, öffnenden Steuereingang des Schaltventils verbunden ist. Dabei ist das Schaltventil eingerichtet, bei Druckgleichheit an seinen Steuereingängen den Verbindungskanal geschlossen zu halten. Dies kann z. B. über eine Federvorspannung und/oder entsprechend geformte Steuerkanten bzw. -flächen an den Steuereingängen des Schaltventils erfolgen. Die zweite Steuerleitung kann unmittelbar über eine eigene Öffnung in der druckraumseitigen Stirnseite des Kolbens oder mittelbar über den ausgangsseitigen Teil des kolbeninternen Druckversorgungspfadabschnitts oder den druckraumseitigen Abschnitt des Verbindungspfades mit dem Druckraum verbunden sein. Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform, bei der die zweite Steuerleitung mit dem druckraumseitigen Abschnitt des Verbindungspfades identisch ist. In jedem Fall liegen nach Druckbeaufschlagung des Stellantriebs am Schaltventil zwei antagonistische Steuerdrücke an, wobei der erste (schließende) vor dem Rückschlagventil vom Druckversorgungspfad abzweigt und zweite (öffnende) hinter dem Rückschlagventil ansetzt. Während des Druckaufbaus, d. h. bei geöffnetem Rückschlagventil herrscht im Wesentlichen Druckgleichheit, sodass das Schaltventil geschlossen bleibt. Gleiches gilt auch nach Erreichen des Soll-Drucks im Druckraum, wenn zugleich der Versorgungsdruck aufrechterhalten wird. Bricht jedoch der Versorgungsdruck ein, fällt auch gleichzeitig der Druck am schließenden Steuereingang des Schaltventils ab. Aufgrund des dann geschlossenen Rückschlagventils ist insbesondere keine Druckwirkung des Drucks im Druckraum auf den schließenden Steuereingang zu befürchten. Der Druck am öffnenden Steuereingang (gleich dem Druck im Druckraum) bleibt jedoch gleich und überwiegt nach einer gewissen, durch die Geschwindigkeit des Versorgungsdruckabfalls bestimmten Zeit den schließenden Steuerdruck, sodass das Schaltventil öffnet und den Verbindungskanal zwischen Druckraum und Federraum freigibt, sodass sich das Hydraulikmedium über den kurzen Verbindungskanal axial durch den Kolben vom Druckraum in der Federraum ergießt und von dort drucklos in den Tank abgeführt werden kann.
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Der Fachmann wird erkannt haben, dass die Schaltgeschwindigkeit des erfindungsgemäßen Stellantriebs wesentlich davon abhängt, wie schnell der schließende Steuerdruck nach Abbruch des Versorgungsdrucks abfällt. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass der Versorgungspfad in Druckversorgungsrichtung vor dem Rückschlagventil über eine Drossel mit dem Federraum verbunden ist. Die Drossel ist bevorzugt innerhalb des Kolbens angeordnet und stellt bspw. eine Öffnung in der federraumseitigen Stirnfläche des Kolbens dar. Günstigerweise lassen sich hier austauschbare Drosselscheiben mit unterschiedlichen Öffnungsdurchmessern einlegen, sodass der Stellantrieb auf unterschiedliche Schaltzeiten umrüstbar ist. Die Wirkung der Drossel ist es, dass ständig Hydraulikmedium aus dem Druckversorgungspfad quasi drucklos in den Federraum und über diesen in den Tank abgeführt wird. Um einen zur Öffnung des Schaltventils führenden Druckabfall über dem Rückschlagventil zu vermeiden, muss also während des gesamten Betriebs des Stellantriebs die Druckversorgung aufrechterhalten, insbesondere eine entsprechende Pumpe betrieben werden. Diese arbeitet jedoch lediglich gegen die Leckage durch die Drossel an, sodass der Betrieb energetisch wenig aufwendig ist. Beim Abbruch der Druckversorgung (z. B. durch Notabschaltung der Pumpe oder Ansteuerung eines entsprechenden Stellventils etc.) stellt sich hingegen der Druckabfall über dem Rückschlagventil entsprechend der Drosselgröße schnell ein, sodass die Schaltung des Schaltventils ausgelöst wird.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass im Kolben eine Mehrzahl von Schaltventilen angeordnet sind, die jeweils einen unabhängigen, den Kolben axial durchsetzenden Verbindungspfad schalten, wobei ihre ersten Steuereingänge und ihre zweiten Steuereingänge jeweils miteinander verbunden sind. Dadurch wird zum einen der effektive Durchmesser der Schaltverbindung zwischen Druckraum und Federraum vergrößert. Zum anderen ist eine der Schaltsicherheit zugutekommende Redundanz gewährleistet. Die vorzugsweise als Kartuschenventile ausgebildeten Schaltventile werden aufgrund der Verbindung ihrer Steuereingänge untereinander mit identischen Steuerdrücken angesteuert. Günstigerweise sind die Flächenverhältnisse der öffnenden und schließenden Steuerflächen dieser Schaltventile gleich, sodass die Schaltauslösung gleichzeitig erfolgt. Bei der besonders bevorzugten Ausführungsform finden genau zwei baugleiche Kartuschenventile Einsatz.
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Auch bei Verwendung mehrerer Schaltventile ist lediglich eine Drossel erforderlich. Diese ist bevorzugt mit einem der ersten beiden Steuereingänge verbunden. Aufwendiger und nicht zwingend erforderlich, wenngleich durchaus möglich, ist auch der Einsatz je einer Drossel für jeden Steuereingang und/oder die Direktverbindung der Drossel mit dem eingangsseitigen Teil des kolbeninternen Druckversorgungspfadabschnitts.
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Um die Bewegung des Kolbens nach außerhalb des Zylinders zu führen und dort in geeigneter Weise mechanisch weiterleiten zu können, ist, wie aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, bevorzugt vorgesehen, dass der Kolben eine die druckraumseitige Stirnseite des Zylinders dichtend durchsetzende Betätigungs-Kolbenstange trägt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1: ein Funktionsschema eines erfindungsgemäßen Stellantriebs,
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2: ein konstruktionsnäheres Funktionsschema eines erfindungsgemäßen Stellantriebs,
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3: eine konstruktive Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Stellantriebs (Längsschnitt),
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4: eine konstruktive Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Stellantriebs (Querschnitt).
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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1 zeigt in stark schematisierter Darstellung den funktionalen Aufbau eines erfindungsgemäßen Stellantriebs 10.
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Innerhalb eines Zylinders 12 ist ein axial beweglicher Kolben 14 angeordnet, der den Innenraum des Zylinders in zwei axiale Abschnitte, nämlich einen Druckraum 16 und einen Federraum 18 unterteilt. Der Kolben 14 weist bei der gezeigten Ausführungsform eine Betätigungs-Kolbenstange 20 auf, die an der druckraumseitigen Stirnfläche des Kolbens 14 fixiert ist, den Druckraum 16 durchsetzt und die druckraumseitige Stirnfläche des Zylinders 12 dichtend durchragt. Die Betätigungs-Kolbenstange 20 ist in nicht dargestellter Weise mechanisch mit zu stellenden Elementen, bspw. einer Ventilklappe, koppelbar. Auch federraumseitig weist der Kolben 14 eine Kolbenstange auf, nämlich die Versorgungs-Kolbenstange 22, die an der federraumseitigen Stirnfläche des Kolbens 14 festgelegt ist, den Federraum 18 durchsetzt und die federraumseitige Stirnfläche des Zylinders 12 durchragt. Eine druckdichte Lagerung der Versorgungs-Kolbenstange 22 in der federraumseitigen Stirnfläche des Zylinders 12 ist möglich, für die Erfindung jedoch nicht zwingend erforderlich.
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Innerhalb des Federraums 18 ist eine Speicherfeder 23 angeordnet, welche sich einerseits gegen die federraumseitige Stirnfläche des Zylinders 12 und andererseits gegen die federraumseitige Stirnfläche des Kolbens 14 abstützt und den Kolben 14 somit in Richtung des Druckraums 16 vorspannt. Die Speicherfeder 23 ist so dimensioniert, dass der Kolben 14 auch bei maximal druckraumseitiger Positionierung mit einer erheblichen Federkraft beaufschlagt ist.
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Der Federraum 18 ist über eine Abführleitung 24 drucklos mit einem Tank 26 verbunden, sodass im Federraum 18 befindliches Hydraulikmedium, insbesondere Öl, über die Abführleitung 24 drucklos in den Tank 26 abgeführt werden kann.
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Der Druckraum 16 steht über einen Druckversorgungspfad 28 mit einem nicht im Detail dargestellten Hydraulikmedium-Reservoir in Verbindung, welches identisch mit dem Tank 26 sein kann. Aus dem Hydraulikmedium-Reservoir ist das Hydraulik-Medium mittels einer Pumpe 30 in den Druckversorgungspfad 28 einspeisbar. Der Druckversorgungspfad 28 umfasst mehrere Abschnitte. In einem kolbeninternen Abschnitt durchsetzt er den Kolben 14 axial und endet in einer Zuführöffnung 32 in der druckraumseitigen Stirnfläche des Kolbens 14. Der kolbeninterne Abschnitt des Druckversorgungspfades 28 ist weiter durch ein Rückschlagventil 34 in einen eingangsseitigen Unterabschnitt und einen ausgangsseitigen Unterabschnitt unterteilt.
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Innerhalb des Kolbens 14 erstreckt sich der Druckversorgungspfad 28 axial durch die hohl ausgebildete Versorgungs-Kolbenstange 22 zur Pumpe 30 verbunden ist. Zwischen dem Ende der Versorgungs-Kolbenstange und der Pumpe kann er z. B. als flexible Druckleitung oder als Teleskopleitung (siehe 3) ausgebildet sein.
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Zudem ist der Kolben 14 axial von einem Verbindungspfad 36 durchsetzt, der den Druckraum 16 mit dem Federraum 18 verbindet und sich druckraumseitig von einer Eingangsöffnung 38 in der druckraumseitigen Stirnfläche des Kolbens 14 zu einer federraumseitigen Ausgangsöffnung 40 in der federraumseitigen Stirnfläche des Kolbens 14 erstreckt (man beachte, dass die Begriffe „Eingang” und „Ausgang” in Bezug auf die räumliche Anordnung im Kontext des Verbindungspfades umgekehrt im Vergleich zu ihrer Verwendung im Kontext des Druckversorgungspfades verwendet werden). Zwischen der Eingangsöffnung 38 und der Ausgangsöffnung 40 ist im Verbindungspfad 36 ein Schaltventil 42 angeordnet, welches in seiner Sperrstellung (in 1 aktiviert) den Verbindungspfad 36 sperrt und in seiner Durchlassstellung öffnet. Das Schaltventil 42 weist zwei Steuereingänge auf, nämlich eine schließenden, ersten Steuereingang 44 und einen öffnenden, zweiten Steuereingang 46. Der schließende Steuereingang 44 ist über eine schließende Steuerleitung 48 mit dem eingangsseitigen Teilabschnitt des kolbeninternen Abschnitts des Druckversorgungspfades 28 verbunden. Der öffnende Steuereingang 46 ist über eine öffnende Steuerleitung 50 mit dem eingangsseitigen Abschnitt des Verbindungspfades 36 verbunden.
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Schließlich ist innerhalb des Kolbens 14 noch eine Drosselleitung 52 angeordnet, die sich vom eingangsseitigen Teilabschnitt des kolbeninternen Abschnitts des Druckversorgungspfades 28 zu einer Drosselöffnung 54 in der federraumseitigen Stirnfläche des Kolbens 14 erstreckt und eine Drossel 56 aufweist.
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Ausgehend von dem in 1 gezeigten Zustand des Stellantriebs 10 wird bei Betrieb der Pumpe 30 Hydraulikmedium über den Druckversorgungspfad 28 in den Druckraum 16 gepumpt, wobei das entgegen dieser Druckversorgungsrichtung vorgespannte Rückschlagventil 34 öffnet. Durch den sich im Druckraum 16 aufbauenden Druck wird der Kolben 14 entgegen der Vorspannkraft der Speicherfeder 23 nach federraumseitig verschoben. An den Steuereingängen 44, 46 des Schaltventils 42 liegen dabei im Wesentlichen gleiche Drücke an. Das Schaltventil 42 ist so ausgestaltet, dass es bei Druckgleichheit an seinen Steuereingängen 44, 46 den Verbindungspfad 36 geschlossen hält.
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Allerdings leckt ein Teil des geförderten Hydraulikmediums über die Drossel 56 in den Federraum 18 und weiter in den Tank 26. Während des Spannens der Speicherfeder 23 muss die Fördermenge der Pumpe 30 also die Leckagemenge übersteigen; nach vollständiger Spannung der Speicherfeder 23 genügt es zur Stabilisierung der Situation, wenn die Pumpe 30 die Leckage über die Drossel 56 ausgleicht.
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Um den Stellantrieb zu schalten, muss die Druckversorgung unterbrochen werden. Dies geschieht bspw. durch Abschalten der Pumpe 30 oder durch Sperrung des Druckversorgungspfades 28 mittels eines nicht dargestellten Stellventils zwischen der Pumpe 30 und der Versorgungskolbenstange 22. Der Fachmann wird in Ansehung der Besonderheiten des Einzelfalls das eigentlich schaltauslösende Ereignis, bspw. den Abwurf einer Generatorlast einer Kraftwerksturbine, in geeigneter Weise mit der Unterbrechung der Druckversorgung des Stellantriebs 10 korrelieren können.
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Auch bei ausbleibender Druckversorgung bleibt die Leckage über die Drossel 56 wenigstens temporär erhalten, wodurch sich ein Druckabfall über dem Rückschlagventil 34 einstellt, welches in dieser Situation geschlossen ist und den eingangsseitigen Teilabschnitt des kolbeninternen Abschnitts des Druckversorgungspfades 28 von seinem ausgangsseitigen Teilabschnitt trennt. Hierdurch entsteht auch ein Druckunterschied zwischen den Steuereingängen 44, 46 des Schaltventils 42. Am schließenden Steuereingang 44 nimmt der Druck aufgrund der Drosselleckage ab; am öffnenden Steuereingang 46 steht nach wie vor der auch im Druckraum 16 herrschende Druck an. Sobald der Druckunterschied ein durch die Auslegung des Schaltventils 42 konstruktiv vorgegebenes Niveau übersteigt, öffnet das Schaltventil 42 und gibt den Verbindungspfad 36 frei. Das im Druckraum 16 vorhandene Druckmedium kann, dem Druckunterschied zum Federraum 18 folgend, in diesen einströmen, wobei der Kolben 14 durch die gespeicherte Energie der Speicherfeder 23 nach druckraumseitig verschoben wird, sodass das gesamte Hydraulikmedium aus dem Druckraum 16 durch den Verbindungspfad 36 in den Federraum 18 gepresst wird, von wo es drucklos in den Tank 26 abgeführt werden kann. Über die Größe der Drossel 56 kann der Schaltzeitpunkt des Schaltventils 42 sehr genau eingestellt werden. Über den Durchmesser des Verbindungspfades 36 und die Federkraft der Speicherfeder 23 kann die Geschwindigkeit der Kolbenbewegung und damit der Betätigungs-Kolbenstange 20 eingestellt werden.
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2 zeigt eine der tatsächlichen Konstruktion der Ausführungsform näher kommende, schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stellantriebs 10. Bei dieser Ausführungsform sind zwei Ventile 42 parallel zueinander innerhalb des Kolbens 14 angeordnet: Die bei der Funktionsskizze von 1 nach ihren unterschiedlichen Funktionen streng getrennten Leitungen können teilweise konstruktiv zusammengelegt werden, wofür das Schema von 2 beispielhaft ist. Insbesondere dient der eingangsseitige Bereich des Verbindungspfades 36 hier zugleich als öffnende Steuerleitung 50, sodass der Ventileingang zugleich als öffnender Steuereingang 46 wirkt. Der schließende Steuereingang 44 ist hingegen ein reiner Steuereingang, der über die schließende Steuerleitung 48 mit dem eingangsseitigen Teilabschnitt des kolbeninternen Abschnitts des Druckversorgungspfades 28 verbunden ist. Im Bereich des in 2 oberen Ventils 42 ist dessen schließende Steuerleitung 48 jedoch mit der Drosselleitung 52 zusammengelegt, die den Druckversorgungspfad 28 über die Drossel 56 mit der Drosselöffnung 54 der federraumseitigen Stirnfläche des Kolbens 14 verbindet.
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Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform wird durch die doppelte Anordnung der Ventile der effektive Durchmesser des Verbindungspfades 36 deutlich vergrößert, ohne dass die Komplexität wesentlich zunehmen würde. Insbesondere muss kein zweiter Druckversorgungspfad 28, kein zweites Rückschlagventil 34 und keine zweite Drossel 56 (mit zugehöriger Leitung) eingesetzt werden. Bei ähnlicher Komplexität des Aufbaus wird dadurch die erreichbare Schaltgeschwindigkeit gesteigert. Im Übrigen kann auf die Erläuterungen zu 1 verwiesen werden.
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Die 3 und 4 zeigen einen Längs- bzw. Querschnitt durch eine reale Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stellantriebs, wobei 4 einen Schnitt entlang der Schnittlinie IV-IV in 3 repräsentiert. Die Zuordnung der einzelnen Elemente kann der Fachmann dem Vergleich der Bezugszeichen und der grundlegenden Erläuterung zu den 1 und 2 entnehmen. Der Fachmann erkennt, dass die bei den Schemata der 1 und 2 zum Teil komplex geformt anmutenden Leitungen durch einfache, gradlinige Bohrungen im Körper des Kolbens 14 realisierbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Stellantrieb
- 12
- Zylinder
- 14
- Kolben
- 16
- Druckraum
- 18
- Federraum
- 20
- Betätigungs-Kolbenstange
- 22
- Versorgungs-Kolbenstange
- 23
- Speicherfeder
- 24
- Abführleitung
- 26
- Tank
- 28
- Druckversorgungspfad
- 30
- Pumpe
- 32
- Zuführöffnung
- 34
- Rückschlagventil
- 36
- Verbindungspfad
- 38
- Eingangsöffnung von 36
- 40
- Ausgangsöffnung von 36
- 42
- Schaltventil
- 44
- schließender Steuereingang von 42
- 46
- öffnender Steuereingang von 42
- 48
- schließende Steuerleitung
- 50
- öffnende Steuerleitung
- 52
- Drosselleitung
- 54
- Drosselöffnung
- 56
- Drossel
