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Drehservomotor, insbesondere zum Verstellen der Leitschaufeln von
Wasserturbinen Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehservomotor, insbesondere
zum Verstellen der Leitschaufeln von Wasserturbinen, zum Betätigen von Kugelschiebern,
Drosselklappen u. dgl., mit in abwechselnder Reihenfolge auf den Umfang verteilten,
in einem Gehäuse angeordneten und den Gehäuseinnenraum in Druckräume unterteilenden,
mittels Welle oder Zapfen relativ zum Gehäuse verdrehbar angeordneten, als radiale
Flügel ausgebildeten Kolben und derselben Anzahl von mit dem Gehäuse starr verbundenen
radialen Trennwänden.
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Die bekanntgewordenen Drehservomotoren weisen im allgemeinen in einem
zylindrischen Gehäuse eine drehbar gelagerte Welle mit als radiale Flügel ausgebildeten
Kolben auf, die zwischen im Gehäuse starr angeordneten radialen Trennwänden eine
hin- und hergehende Drehbewegung ausführen, wobei die Flügelkolben an der Gehäuseinnenwand
mit geringem Spiel gleiten. Bei diesen Einrichtungen müssen die auf den Drehwellen
angeordneten Flügel sowohl an ihren Stirnseiten als auch an den radial außenliegenden
Flächen gegenüber der Gehäuseinnenwand sorgfältig abgedichtet werden, was in den
meisten Fällen nur sehr schwierig zu erreichen ist. Insbesondere macht das einwandfreie
Abdichten der Stellen zwischen Kolben und Gehäuse, an denen die Stirn-und Außenflächen
der Flügelkolben bzw. des Gehäuses rechtwinklig zusammenstoßen, erhebliche Mühe
und verursacht infolge der notwendigerweise hierauf zu verwendenden Sorgfalt erhebliche
Kosten. Darüber hinaus können infolge der trotz aller Sorgfalt verhältnismäßig großen
Leckverluste die gewünschten hohen Drücke meist nicht erzielt werden.
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Es sind auch Drehservomotoren bekanntgeworden, deren Gehäuse als Halbzylinder
mit kreisbogenförmig abgerundeter Mantelfläche ausgebildet sind. Die Abdichtung
der entsprechend geformten Flügelkolben erfolgt hierbei auf zwei Geraden und einem
diese miteinander verbindenden Halbkreis. Abgesehen vom fertigungstechnisch nicht
sehr einfach herstellbaren einwandfreien übergang von der Geraden zu dem Halbkreis
tritt bei dieser Ausführung, insbesondere bei hohen Betriebsdrücken, eine ungleichmäßige
Deformation des Gehäuses auf, so daß der Spalt zwischen Kolben und Gehäuse nicht
genügend klein bzw. ausreichend dicht gehalten werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehservomotor zu
schaffen, bei dem diese Abdichtungsschwierigkeiten nicht auftreten und der eine
so große Steifigkeit aufweist, daß eine ungleichförmige Deformation des Spaltes
zwischen Kolben und Gehäuse weitgehend verhindert wird. Erfindungsgemäß wird dies
dadurch erreicht, daß der Gehäuseinnenraum kugelig und die Kolben mit einer im wesentlichen
von Zapfen zu Zapfen bzw. jeweils bis zur Welle reichenden kugeligen Mantelfläche
ausgebildet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die kugelige Mantelfläche
in Form eines Kugelzweiecks ausgebildet.
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Durch eine solche Ausbildung des Drehservomotors werden nicht nur
die genannten Nachteile der bekannten Einrichtungen vermieden, sondern es ergibt
sich dadurch auch noch der weitere Vorteil, daß bei etwa gleichem Materialaufwand
wie bei den bekannten Ausführungen mit wesentlich höheren Drükken gearbeitet werden
kann als bei diesen bzw. daß bei etwa gleicher Verstellkraft wie bei diesen wesentliche
Materialeinsparungen erzielt werden können, vor allem dann, wenn das Drehservomotorgehäuse
als Hohlkugel ausgebildet wird. Von allen Hohlkörpern weist bei Beanspruchung auf
Zug oder Druck bekanntlich die Hohlkugel die günstigste Spannungsverteilung auf,
so daß bei ihr demgemäß auch die Materialausnutzung die beste ist.
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In zweckmäßiger Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß in
an sich bekannter Weise alle Kolben gemeinsam auf einer Welle oder einem Zapfen
und mittels dieser im Gehäuse relativ zu diesem verdrehbar angeordnet werden, wodurch
sich eine der Zahl der Kolben entsprechende Vervielfachung der wirksamen Kolbenfläche
ergibt und sich somit bei relativ kleinen Abmessungen des Drehservomotors verhältnismäßig
große Verstellkräfte erzielen lassen.
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Gemäß einem weiteren Vorschlag wird bei Ausbildung des Drehservomotors
mit zwei oder mehreren Kolben wenigstens einer der Kolben mit hohlen
Zapfen
und der andere bzw. die anderen Kolben mit einer Welle starr verbunden..Dabei wird
wenigstens einer der Zapfen aus dem Gehäuse herausgeführt, und auch die durch die
Zapfen hindurchgeführte Welle wird mit wenigstens einem Ende aus dem Gehäuse bzw.
dem Zapfen herausgeführt. Diese Ausbildung des Drehservopnotors ermöglicht es, den
bzw. die mit den Zapfen `verbundenen Kolben und den bzw. die mit der Wellt verbundenen.Kolben
voneinander unabhängig relativ zum Gehäuse zu verdrehen. Es lassen sich also mittels
eines einzigen Drehservomotors zwei voneinander unabhängige Verstellbewegungen erzielen.
Bei entsprechender Ausbildung des Drehservomotors können aber ebenso auch drei oder
mehr voneinander * üiiä'bhängige Verstellbewegungen verwirklicht werden.
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Um zu verhindern? `daß infolge von Leckverlusten ein Druckausgleich
zwischen den einzelnen Druckräumen eintritt, der einer Einbuße an Verstellkraft
gleichkäme, wird ,in- zweckmäßiger weiterer Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen,
die Druckräume in an sich bekannter Weise mittels besonderer Dichtungen gegeneinander
abzudichten. Von besonderer Wichtigkeit ist hierbei, daß eine sorgfältige Abdichtung
in dem zwischen der Gehäuseinnenwand und der Kolbenaußenfläche notgedrungen vorhandenen
Spalt erzielt wird. Bei den bekannten Einrichtungen ist dies stets mit großen Schwierigkeiten
verbunden und gelingt meist auch nicht in zufriedenstellender Weise. Im Gegensatz
hierzu läßt sich bei der erfindungsgemäßen Einrichtung-,verhältnismäßig .einfach
eine sehr gute Abdichtung erzielen, so daß mit wesentlich höheren Drücken gearbeitet
werden kann als bei den bekannten Einrichtungen. Die nach einem besonderen Vorschlag
der Erfindung zweckmäßig auf Meridiankreisen und/oder dazu parallelen Kleinkreisen
vorzugsweise in den Kolben angeordneten Dichtungen können nämlich dank der kugeligen
Ausbildung des' Gehäuseinnenraumes und der Kolbenaußenflächen in vorteilhafter Weise
als Ringsegmente oder sogar, wenn die. Kolben einander paarweise genau gegenüberliegend
.angeordnet sind, etwa als ganze Kolbenringe ausgebildet werden. Besonders vorteilhaft
ist die Anordnung von zwei solchen als Kolbenringe ausgebildeten Dichtungen auf
zueinander und zu einem zwischen ihnen liegenden Meridiankreis parallelen Kleinkreisen.
Bei Anordnung der Dichtungen in den Kolben kann der senkrechte Abstand zwischen
den beiden Kolbenringen dabei nämlich so gewählt werden, daß diese seitlich an der
Welle, den Zapfen od. dgl. vorbeilaufen, was ihre Montage und Demontagewesentlich
erleichtert. Dabei kann dann zwischen den Kolbenringen auch noch eine an sich bekannte
Entlastungsnut für das Abführen von Leckflüssigkeit, beispielsweise über Entlastungsöffnungen
im Servomotorgehäuse, angeordnet werden, wodurch ein eventueller Druckausgleich
zwischen den auf den beiden Seiten ein und desselben Kolbens liegenden Druckräumen
sicher verhindert wird. Selbstverständlich können die Dichtungen auch im Gehäuse
angeordnet werden. Es muß dann aber dafür Sorge getragen werden, daß die seitlichen
Kanten der Kolben die Dichtungen nicht überlaufen. Eine solche Anordnung der Dichtung
wird also insbesondere dann in Frage kommen; wenn die Kolben während ihrer Verstellbewegung
von der einen in die andere Endlage nur verhältnismäßig geringe Winkelbewegungen
erfahren. Die Druckräume sind vorzugsweise über Öffnungen im Gehäuse an die Druckmittelquelle
angeschlossen, sie können ebenso aber auch etwa über Bohrungen in der Welle, den
Zapfen od. dgl. an die Druckmittelquelle angeschlossen sein.
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Durch entsprechende Wahl der Abmessungen der Kolben und durch entsprechende
Anordnung und Bemessung der Öffnungen im Gehäuse kann der Drehservomotor leicht
so ausgebildet werden, daß die Kolben bzw. das Gehäuse einem durch sie selbst gesteuerten
Bewegungsgesetz folgen, beispielsweise einem solchen, bei dem sich die Kolben bzw.
das Gehäuse während der Verstellbewegung von der einen zur anderen Endlage zunächst
mit zunehmender und etwa ab der halben Verstellbewegung mit abnehmender Geschwindigkeit
bewegen. Diese Ausbildung ist nicht Gegenstand der Erfindung.
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Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung
dar. Es zeigt F i g. 1 a einen Drehservomotor mit zwei starr miteinander verbundenen
Kolben sowie mit einer als Kolbenring ausgebildeten Dichtung zwischen Kolben und
Gehäuse in einem Schnitt senkrecht zur Drehachse, F i g. 1 b denselben Drehservomotor
in einem Schnitt längs der Drehachse, F i g. 2 a wiederum einen Drehservomotor mit
zwei starr miteinander verbundenen Kolben, jedoch mit zwei als Kolbenringe ausgebildeten
Dichtungen zwischen Kolben und Gehäuse sowie mit einer zwischen den Dichtungen in
den Kolben angeordneten Entlastungsnut in einem Schnitt senkrecht zur Drehachse,
dabei die Kolben in Ansicht, F i g. 2 b hierzu einen Schnitt längs der Drehachse,
F i g. 3 a einen Drehservomotor mit vier Kolben, von denen je zwei mittels Welle
bzw. Zapfen starr miteinander verbunden und unabhängig von den anderen Kolben relativ
zum Gehäuse verdrehbar in diesem angeordnet sind, in einem Schnitt senkrecht zur
Drehachse, und F i g. 3 b hierzu einen Schnitt längs der Drehachse, dabei sind die
Kolben links nach der Linie a-a, rechts nach der Linie b-b geschnitten.
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In den F i g. 1 a und 1 b bezeichnet 1 das Unterteil und 2
das Oberteil des im wesentlichen als Hohlkugel ausgebildeten Servomotorgehäuses
3 und 4
sind die als Kugelzweiecke ausgebildeten und über das wellenähnliche
Zwischenstück 5 starr miteinander verbundenen Kolben, die mittels der aufgeschraubten
Zapfen 6 und 7 im Gehäuse 1, 2 drehbar gelagert sind und zusammen
mit den als starre radiale Trennwände dienenden, zwischen dem Gehäuseunterteil 1
und dem Gehäuseoberteil 2 befestigten ebenen Platten 8 und 9 den Gehäuseinnenraum
in vier Druckräume 10 bis 13 unterteilen. Mittels der auf einem Meridiankreis in
den Kolben 3,4 angeordneten, als Kolbenring ausgebildeten Dichtung 14 sind
die auf den beiden Seiten der Kolben 3 und 4 liegenden Druckräume 10 und 13 bzw.11
und 12 gegeneinander abgedichtet. Ebenso sind die Druckräume 10 und 12 bzw.1.1 und
13 zwischen den radialen Trennwänden 8 bzw. 9 und dem wellenähnlichen Zwischenstück
5 mittels der in den Trennwänden 8 und 9 angeordneten Dichtungen 15 bzw. 16 gegeneinander
abgedichtet. Über nicht dargestellte Öffnungen im Gehäuse 1, 2 und Leitungen od.
dgl. sind die Druckräume an eine ebenfalls nicht gezeigte steuerbare Druckmittelquelle
angeschlossen, und zwar so, daß
bei entsprechender Steuerung der
Druckmittelquelle das Druckmittel gleichzeitig in die Druckräume 10
und
11 zu- und aus den Druckräumen 12 und 13 abfließt, bzw. umgekehrt.
Die Übertragung der dadurch erzielten hin- und hergehenden Verdrehbewegung der Kolben
gegenüber dem Gehäuse erfolgt über die aus dem Gehäuse 1, 2 herausgeführte Verlängerung
17 des Zapfens 6 und den auf dieser befestigten Hebel 18. Selbstverständlich
kann die Übertragung der Verdrehbewegung bzw. des erzeugten Drehmomentes auch auf
andere Weise erfolgen, beispielsweise über ein auf der Verlängerung 17 angeordnetes
Zahnritzel od. dgl. Ebenso können beide Zapfen 6 und 7 aus dem Gehäuse
1, 2 herausgeführt und mit entsprechenden Einrichtungen zur Übertragung der
Verdrehbewegung der Kolben ausgebildet sein. Natürlich ist es auch möglich, an Stelle
des wellenähnlichen Zwischenstückes 5 und der aufgeschraubten Zapfen 6 und 7 eine
durchgehende Welle zu verwenden, auf welcher dann die Kolben 3 und 4 befestigt
bzw. mit ihr aus einem Stückgefertigt werden. Der Kolbenring 14 muß dann
allerdings im Bereich der Welle unterbrochen sein, d. h. etwa aus zwei unvollständigen
Kreisringhälften bestehen. Der nur beispielsweise dargestellte Fuß 19 dient zur
starren Anordnung des Gehäuses. Genauso gut könnten aber auch die Kolben 3 und 4,
etwa mittels der aus dem Gehäuse 1, 2 herausgeführten Zapfen 6 und
7 bzw. im Falle der Verwendung einer Welle mittels dieser, starr und das
Gehäuse 1, 2 drehbar angeordnet werden. In diesem Falle müßten etwa erforderliche
Elemente zur Übertragung der Verdrehbewegung bzw. des Drehmomentes am Gehäuse
1, 2 angebracht werden und die Druckmittelleitungen vorzugsweise durch die
Zapfen bzw. Welle geführt werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den F i g. 2 a und 2 b sind für
die mit den F i g. l 'a und 1 b übereinstimmenden Teile die gleichen Bezugszeichen
verwendet. Mit 20 sind hier zwei auf zueinander und zu. einem zwischen ihnen
liegenden Meridiankreis parallelen Kleinkreisen in den Kolben 3 und 4 angeordnete,
als Kolbenringe ausgebildete Dichtungen bezeichnet. Auf dem zwischen ihnen liegenden
Meridiankreis ist in den Kolben 3 und 4 eine Entlastungsnut 21 angebracht, die mit
zentralen Bohrungen 22 und 23 in den Zapfen 6 bzw.
7 in Verbindung steht, so daß etwa in den Raum zwischen den Dichtungen
20 gelangende Druckflüssigkeit abfließen kann und dadurch ein Druckausgleich
zwischen den Druckräumen auf den beiden Seiten eines jeden der Kolben sicher verhindert
ist. Auch hier ist es ohne weiteres möglich, an Stelle des Zwischenstückes 5 und
der Zapfen 6 und 7 eine durchgehende Welle zu verwenden. Zweckmäßig wird dabei dann
der senkrechte Abstand zwischen den beiden Dichtungen 20 so gewählt, daß
diese an der Welle seitlich vorbeilaufen und dadurch ebenfalls als ganze Kolbenringe
ausgebildet werden können. Ebenso können auch hier wieder die Kolben starr und das
Gehäuse verdrehbar angeordnet werden und kann auch die Übertragung der Verdrehbewegung
bzw. des erzeugten Drehmomentes in anderer als der dargestellten Weise vorgenommen
werden.
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In den F i g. 3 aund 3 b bezeichnet wiederum 1 das Unterteil
und 2 das Oberteil des Gehäuses sowie 19 den Fuß zur Befestigung desselben. Außer
den beiden Trennwänden 8 und 9 sind in einer Ebene senkrecht dazu im Gehäuse
1, 2 zwei weitere starre Trennwände 24 und 25 angeordnet. Zusammen
mit den vier Kolben 26 bis 29 bilden die Trennwände 8, 9,
24
und 25 insgesamt acht Druckräume, von denen jeweils die zwei einander genau
gegenüberliegenden, über nicht dargestellte Öffnungen im Gehäuse und Leitungen od.
dgl. an die gleiche, in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellte steuerbare Druckmittelquelle
angeschlossen sind. Außerdem sind jeweils die zwei einander genau gegenüberliegenden
Kolben 26
und 27 bzw. - 29 starr miteinander verbunden, und
zwar die Kolben 26 und 27 mittels der im Gehäuse 1, 2 relativ zu diesem drehbar
gelagerten hohlen Zapfen 30 und 31, die Kolben 28 und 29 mittels der in den hohlen
Zapfen 30 und 31 relativ zu diesen und zum Gehäuse 1, 2 drehbar
gelagerten Welle 32, so daß durch entsprechende Steuerung der Druckmittelquelle
eine voneinander unabhängige hin- und hergehende Verdrehbewegung jedes der beiden
Kolbenpaare 26, 27 bzw. 28, 29 erzielt wird. Der hohle Zapfen
30 ist über das Gehäuse 1, 2 hinaus verlängert und trägt ein hier
beispielsweise als Hebel 33 ausgebildetes Element zur Übertragung der Verdrehbewegung
der Kolben 26 und 27. Ebenso ist die Welle 32 mit dem einen Ende durch
den hohlen Zapfen 31 hindurch- und aus dem Gehäuse 1, 2 herausgeführt und trägt
ein hier beispielsweise als Hebel 34 ausgebildetes Element zur Übertragung
der Verdrehbewegung der Kolben 28 und 29. Um einen Druckausgleich
zwischen den einzelnen Druckräumen zu verhindern, sind zur Abdichtung zwischen den
Kolben 26 bis 29 und dem Gehäuse 1, -2 in den Kolben auf Meridiankreisen Dichtungen
35 sowie zwischen den mit den hohlen Zapfen 30 und 31 verbundenen Kolben
26 und 27 und der Welle 32 in den Kolben 26 und 27 Dichtungen
36 und ebenso zwischen den Trennwänden 8, 9, 24 und 25 und der Welle
32 in den Trennwänden Dichtungen 37 angeordnet. Anstatt daß nur der
Zapfen 30 über das Gehäuse 1, 2 hinaus verlängert ist, könnten auch
beide Zapfen 30 und 31 verlängert sein und könnten auf beiden Zapfen
Elemente zur Übertragung der Verdrehbewegung der Kolben 26 und 27 angeordnet sein.
Ebenso könnte auch die Welle 32 mit beiden Enden durch die Zapfen 30 und
31 hindurch- und aus dem Gehäuse herausgeführt und auf jedem Ende ein Element zur
Übertragung der Verdrehbewegung der Kolben 28 und 29 angeordnet sein. Während dann,
wenn das Gehäuse feststehend angeordnet wird, eine voneinander unabhängige Verstellbewegung
der beiden Kolbenpaare 26, 27 bzw. 28, 29 mit gleichen aufzuwendenden
Drücken möglich ist, muß, wenn eines der beiden Kolbenpaare feststehend und das
andere Kolbenpaar sowie das Gehäuse verdrehbar angeordnet werden, mit unterschiedlichen
Drükken gearbeitet werden, um eine voneinander unabhängige Verstellbewegung von
Gehäusen und Kolbenpaar zu erhalten.