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Druckmittelantrieb für Ventile u. dgl., insbesondere Schnellschlußventile
Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckmittelantrieb für schnell schaltende Ventile,
insbesondere Schnellschlußventile, wie sie beispielsweise zur Abschaltung der Treibstoffzufuhr
oder Brennstoffzufuhr bei Kraftmaschinen (Gasturbinen od. dgl.) Anwendung finden.
Es ist erwünscht, bei derartigen Antrieben zu bewirken, daß das Ventil einerseits
bei Erhöhung des Druckes geöffnet, andererseits bei Sinken des Druckes verzögerungsfrei
geschlossen wird.
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Bei einem bekannten hydraulischen Antrieb für Schnellschlußventile
von Dampf- und Gasturbinen wird die erstrebte Wirkungsweise dadurch erreicht, daß
innerhalb des Kraftkolbens auf der Spindel ein Hilfsschaltkolben vorgesehen ist,
der abhängig vom Steuerdruck gegen die Kraft einer Rückstellfeder umgesteuert wird
und beim Überschreiten eines Grenzdruckes die Beaufschlagung des Schaltkolbens mit
dem Druckmittel zum Zwecke des Öffnens des Schnellschlußventils ermöglicht, jedoch
bei Absenkung des Steuerdruckes durch die erwähnte Rückstellfeder umgesteuert wird,
so daß ein größerer Ablaufquerschnitt für das den Antriebskolben beaufschlagende
Druckmittel freigegeben wird und eine schnelle Ausschaltbewegung des Kolbens unter
dem Einfluß einer Ausschaltfeder ermöglicht wird. Für diesen Ventilantrieb ist demnach
wesentlich, daß das Öffnen und das Schließen des Ventils von der vorherigen Umsteuerung
eines besonderen Hilfsschaltkolbens abhängig ist. Dies bedingt aber zwangläufig
eine Verlängerung der Schaltzeiten, insbesondere der Schließzeit, wobei noch ins
Gewicht fällt, daß bei dieser Anordnung die steuernden Druckmittelkreise durch die
verhältnismäßig engen, drosselnd wirkenden Kanäle der Ventilspindel verlaufen müssen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Druckmittelantrieb
für Ventile für unmittelbare Betätigung durch den Steuerdruck und verzögerungsfreie-s
Schließen zu schaffen, bei dem die Nachteile der vorerwähnten Einrichtung vermieden
;ind. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß innerhalb des Zylinders des
Ventilantriebes ein gegenüber der zur Ventilbetätigung dienenden Stange beweglicher,
beim Öffnen nur vorübergehend wirk-@amer Einschaltkolben vorhanden ist, der beim
öffnen einen tellerförmigen Haltekolben und die Stange gegen eine Schließfeder in
eine Stellung bewegt, in welcher der Haltekolben und die Stange gehalten werden,
während nach Herbeiführung eines Druckausgleichs der Räume vor und hinter dem Einschaltkolben
dieser in die Anfangsstellung zurückgeführt wird.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht vor allem jegliche Verzögerung
des Schaltvorganges auszuschalten, was beispielsweise von großer Bedeutung ist,
wenn die Steuerung des Ventils direkt in einen hydraulischen Schnellschlußkreis
gelegt ist. Eine schnelle Ausschaltung wird bei der erfindungsgemäßen Einrichtung
dadurch gewährleistet, da13 ohne Zwischensteuervorgang beim Sinken des Steuerdruckes
der Haltekolben unbehindert durch zum Einschalten dienende Teile praktisch verzögerungsfrei
unter Öffnung eines Ablaufquerschnittes für das Druckmittel umgesteuert wird.
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Für die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Antriebes ist ferner wesentlich,
daß der Einschaltkolben auf der zur Ventilbetätigung dienenden Stange frei beweglich
ist und beim Anschlagen an den Haltekolben diesen gemeinsam mit der Stange bewegt.
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Bei Anwendung der Erfindung für Rücklaufölbrenner von Gasturbinen
kann eine weitere Verbesserung noch dadurch erreicht werden, daß innerhalb des Zylindergehäuses
der Steuervorrichtung noch ein gegenüber der Ventilspindel frei beweglicher Dämpfungskolben
mit Ausgleichsbohrungen vorhanden ist, an den beim Ausschalten der Einschaltkolben
und der sich an diesen anlegende Haltekolben anschlagen, wodurch nach dem Absperren
des Kraftstoffes eine wesentliche Verlangsamung der Schaltbewegung im letzten Teil
des Umschaltschubes erreicht wird.
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Im folgenden soll die Erfindung näher an Hand eines Ausführungsbeispiels
erläutert werden, das in den Figuren der Zeichnung wiedergegeben ist.
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Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten
Ventilantrieb, Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie A-B.
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Mit 1 ist ein Rücklaufschnellschlußventil für eine Gasturbine bezeichnet,
welches es ermöglicht, in der einen Stellung, der Öffnungsstellung, dem Rücklaufbrenner
das Öl über den Strömungsweg I zuzuführen.
1I bedeutet einen zweiten
Strömungsweg, über welchen das nicht zur Verbrennung gelangte Öl aus dem Rücklaufbrenner
zu dem Brennstoffbehälter zurückströmt. Die in der Brennkammer verbrannte Ölmenge
wird bekanntlich bei derartigen Brennstoffregeleinrichtungen durch ein Regelventil
beeinflußt, das in die Ölrückleitung II eingeschaltet ist (nicht dargestellt). Einzelheiten
des für die Brennstofführung vorhandenen Zweiwegeventils sind im Zusammenhang mit
der Erfindung ohne Interesse.
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Der Steuerschieber 6 steht über die zusammengesetzte Stange 7, 7a.
mit dem Druckmittelantrieb 8 in Verbindung. Der Antrieb 8 umfaßt den Zylinder 9,
der über ein Zwischenflanschteil 10, 29 mit dem Ventilgehäuse 11 verbunden ist.
Der Zylinderraum 12 enthält den gegenüber dem Stangenteil 7a verschiebbaren Einschaltkolben
14 sowie den Haltekolben 15. 16 bedeutet einen auf der Stange sitzenden Federteller.
Auf diesen übt die Schließfeder 18 in der durch den Pfeil 18a angedeuteten Richtung
eine Kraft aus. Die Feder 18 stützt sich an einem Deckel 19 ab, der einen Ablauf
20 für das Steueröl aufweist. Der Deckel 19 ragt mit dem Dichtkranz 21 so weit in
den Zylinderraum 12 hinein und besitzt eine solche Ausbildung, daß beim Anliegen
des Haltekolbens 15 der Zylinderraum 12 abgeschlossen ist. Wird der Haltekolben
15 beim Ausschalten durch die Feder 18 von dem Dichtkranz 21 abgehoben, so wird
hierdurch ein ringförmiger Schlitz freigegeben, der über Spalte oder Schlitze 15a
am Umfang des Haltekolbens 15 das Abströmen des Druckmittels aus dem Zylinderraum
12 über den Ringraum 15a zum Ablauf 20 des Deckels 19 möglich macht. Zwischen dem
Haltekolben 15 und dem Einschaltkolben 14 ist ein Ringraum 22 vorhanden, in dem
eine Rückstellfeder 23 für den Einschaltkolben 14 liegt. Der Boden 22a des Einschaltkolbens
14 ist mit wenigstens einer Ausgleichsbohrung 22b von begrenztem Querschnitt versehen,
welche nach dem Beaufschlagen des Einschaltkolbens 14 durch Zuführung des Druckmittels
in den freien Zylinderraum 12 nach der Bewegung des Einschaltkolbens 14 und des
Haltekolbens 15 in die Einschaltstellung einen Druckausgleich zwischen dem Ringraum
22 und dem Zylinderraum 12 ermöglicht. Dieser hat eine Rückbewegung des Einschaltkolbens
14 in die Anfangsstellung zur Folge. Auf der linken Seite des freien Zv linderraumes
12 ist noch ein Dämpfungskolben 25 vorhanden, der in dem erweiterten Bohrungsteil
9a den Raum 30 abschließt und frei beweglich angeordnet ist. Dieser Dämpfungskolben
25 wird durch die Feder 26 normalerweise in der in der Figur wiedergegebenen Stellung
gehalten. Dabei ist durch wenigstens eine Ausgleichsbohrung 27 von begrenztem Querschnitt
eine Verbindung zwischen dem freien Zylinderraum 12 und dem zwischen dem Dämpfungskolben
25 und dem Zwischenflanschteil 29 vorhandenen Innenraum 30 und dem freien Zylinderraum
12 möglich. 31 bedeutet einen in dem unteren Teil 9 b des Zylindergehäuses befindlichen
Steuerschieber, der durch den seitlich angebauten Magneten 32 umsteuerbar ist und
im Falle der Erregung des Magneten 32 die Zuführung eines Druckmittels über den
Kanal 33
zu dem Zylinderraum 12 ermöglicht.
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Im folgenden soll die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung
näher erläutert werden: In der Ausschaltstellung bzw. Umschaltstellung des Ventils
1 befindet sich die Stange 7, 7a unter der Wirkung der Schließfeder 18 in einer
solchen Lage, daß der Haltekolben 15 von dem Dichtkranz 21 abgehoben ist. Soll das
Ventil 1 zwecks Zufuhr von Brennstoff zu dem Brenner bzw. der Brennkammer umgesteuert
«-erden, so wird durch Erregung des Magneten 32 über den Steuerschieber 31 das unter
Druck stehende Druckmittel in den freien Ringraum 12 des Zylinders 9 eingeführt.
Der Druck wirkt auf die an den Ringraum 12 angrenzende Fläche des gegenüber der
Stange 7, 7ca beweglichen Einschaltkolbens 14, welcher sich unter Spannung der Feder
23 zunächst an den Haltekolben 15 anlegt. Nunmehr wird durch den Einschaltkolben
14 der Haltekolben 15 gegen die Schließfeder 18 in die Stellung am Dichtkranz 21
bewegt, so daß der Zylinderraum vollständig abgeschlossen und ein Abfluß von Druckmittel
über den Rücklauf 20 nicht mehr möglich ist. Da durch die Ausgleichsbohrung 22 b
ein Druckausgleich zwischen den Räumen 22 und 12 erfolgt, bleibt bei Aufrechterhaltung
des Steuerdruckes der Haltekolben 15 infolge direkter Belastung durch den Druck
in der Einschaltstellung. Der Einschaltkolben 14 wird durch die Feder 23 in die
Anfangsstellung zurückbewegt.
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Wird nun durch Abschalten der Erregung des Magneten 32 der Steuerschieber
31 infolge der Wirkung der Rückschaltfeder 40 in die Ausschaltstellung umgesteuert,
so wird unter Absperrung der Druckmittelzufuhr durch die gestrichelt angedeutete
Verbindung 31 a mit dem Ablauf 20 der Steuerdruck innerhalb des Zylinderraumes 12
aufgehoben. Sobald eine sich auch in den Raum 22 erstreckende Druckabsenkung eintritt,
die durch Ansprechen der hydraulischen Schnellschlußvorrichtung hervorgerufen sein
kann, wird durch die auf den Federteller 16 wirkende Feder der Haltekolben 15 vom
Dichtkranz 21 getrennt, so daß das Druckmittel aus dem Raum 22 durch den Ringspalt
zwischen Haltekolben 15 und dem Dichtkranz 21 unverzüglich abströmen kann. Infolgedessen
wird ohne nennenswerte Dämpfung oder Verzögerung die mit dem Federteller 16 bzw.
Haltekolben 15 verbundene Stange 7, 7a und damit der Steuerkolben 6 aus der Einschaltstellung
bewegt.
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Zunächst wird hierdurch die Brennstoffzufuhr bzw. Brennstoffrückleitung
durch die Kreise I, 1I des Brennstoffventils 1 unterbunden. Nach einem gewissen
Spindelhub tritt dadurch eine Verzögerung der Schaltbewegung ein, daß der Haltekolben
15 und Einschaltkolben 14 sich an den Dämpfungskolben 25 anlegen. Durch diesen wird
eine wesentliche Verzögerung der Spindelbewegung herbeigeführt, da das in dem Zwischenraum
30 zwischen dem Dämpfungskolben 25 und dem Zwischenflanschteil 29 noch vorhandene
Druckmittel wegen des begrenzten Querschnittes der Ausgleichsbohrung 27 nur verzögert
abströmen kann. Diese Verzögerung der Bewegung des Steuerschiebers 6 hat zur Folge,
daß der umgekehrte Strom des Brennstoffes durch den Ventilkreis 1I zum Brenner und
die Ableitung des zurückgeführten Brennstoffes vom Brenner durch den Kreis I erst
nach einer hinreichenden Zeitverzögerung herbeigeführt wird, um bei verzögerter
Umsteuerung der Düsennadel eine weitere Brennstoffzufuhr zu verhindern. Der durch
den Haltekolben 15 gesteuerte Querschnitt zwischen dem Dichtkranz 21 und der Stirnseite
des Haltekolbens 15 kann vorteilhafterweise auch herangezogen werden, um den Steuermittelkreis
eines Abblaseventils zu beeinflussen. Die Einrichtung wirkt hierbei in der Weise,
daß beim Abheben des Haltekolbens 15 vom Dichtkranz 21 über die Öffnung 50 sowie
dem Rohranschluß 51 aus dem Steuermittelkreis ein Abblaseventil vor der Turbine
umgesteuert wird. Auf diesem Weg kann beispielsweise bei einer Schnellabschaltung
infolge Ansprechen des Schnell-
Schlusses gleichzeitig mit einer
Unterbrechung der Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer der Turbine (-in Abblasen
des aus der Brennkammer der Maschine zugeführten Treibmittels herbeigeführt werden.