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Elektromagnetischer Schritdieberantrieb für Regelstäbe in Schiffskemreaktoren
mit einem Kenterklinkensystem Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Schrittheberantrieb
für Regelstäbe in Schiffskernreaktoren, der nach einem vorbestimmten Program erregbare,
den Regelstab und die Magnetanker umgebende Magnetspulen enthält, die nach ihren
Funktionen als Hubspule, Greifspule und Haltespule benannt sind, sowie als Sicherheitsverriegelung
des Regelstabes gegenüber unnormalen Schiffsbewegungen ein sogenanntes Kenterklinkensystem
besitzt.
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Bei Antrieben dieser Art ist der Regelstab bzw. seine Verlängerung
in seiner mit dem Antriebssystem in Berührung kommenden Länge mit Rillen versehen,
deren Profil etwa dem einer Zahnstange entspricht. In diese Rille greifen magnetisch
betätigbare Klinken ein, entweder zum Halten des Regelstabes in einer bestimmten
Stellung oder um ihn in seiner Längsrichtung zu bewegen. Normalerweise werden dabei
zwei Klinkensysteme benötigt. Das eine dient wie bereits erwähnt zum Halten des
Regelstabes in einer bestimmten Stellung und das andere zur Bewegung des Regelstabes
in seiner Längsrichtung. Für die Betätigung dieser Klinken sind dabei drei Magnetspulen
vorgesehen. Die Haltespule betätigt die Halteklinken, die Greifspule betätigt die
Greifklinken, und die Hubspule hebt das gesamte Greifklinkensystem um einen bestimmten
Betrag an. Durch abwechselnde Erregung dieser drei Spulen, z. B. mit Hilfe eines
Nockenschaltwerkes, ist damit eine schrittweise Bewegung des Regelstabes nach oben
oder unten möglich.
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Dieses an und für sich einfach aufgebaute und sicher wirkende Antriebssystem
kann für Schiffsreaktoren nicht ohne weiteres übernommen werden, da dort ganz andere
Betriebsbedingungen herrschen. Der Reaktor steht dort nicht mehr fest, wie bei normalen
Kraftwerken, sondern er folgt den Bewegungen des Schiffes, die unter Umständen bis
zum Kentern desselben führen können. Es ist dabei von größter Wichtigkeit, daß durch
solche unnormalen Bewegungen niemals der Kemreaktor durchgehen kann, d. h.,
es muß dafür Sorge getragen werden, daß die Regelstäbe sich aus ihren eingestellten
Lagen auch nicht bei Ausfall des elektrischen Stromes wegbewegen können.
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Man hat diesem Sicherheitsbedürfnis dadurch Rechnung getragen, daß
man noch ein drittes Klinkensystem, das sogenannte Kenterklinkensystem, vorgesehen
hat, das mit einer besonderen Spule ausgerüstet ist, bei deren Erregung diese Kenterklinken
außer Eingriff mit dem Regelstab kommen. Die elektrische Schaltung ist dann so,
daß die Kenterklinkenspule immer dann erregt wird, wenn anschließend eine Bewegung
des Regelstabes insbesondere aus dem Reaktorkern nach außen vorgenommen werden soll.
Setzt jedoch der Stom aus, was insbesondere auch dann der Fall ist, wenn der Reaktor
beim Erreichen einer bestimmten Schräglage des Schiffes abgeschaltet werden muß,
so rasten die Kenterklinken durch Federkraft ein und verbleiben in dieser Stellung.
Es ist dabei höchstens möglich, daß der Regelstab durch besondere Beschleunigungskräfte
in das Reaktorinnere hineinbewegt werden kann, was einer weiteren Erhöhung der Sicherheit
entspräche, jedoch nicht mehr ohne magnetische Entriegelung des Klinkensystems aus
dem Reaktoreore herausbewegt werden kann. Nach dem Stand der Technik sind demnach
bei derartigen Regelstabantrieben für Schiffsreaktoren vier Magnetspulen und drei
Klinkensysteme erforderlich. Dieses zusätzliche Kenterklinkensystem mit seiner eigenen
Kenterklinkenspule bringt aber eine wesentliche Verlängerung des gesamten Regelstabantriebes
mit sich. Dies ist aber gerade bei Schiffsreaktoren mit den dort sehr eingeschränkten
Platzverhältnissen ein sehr unangenehmer Nachteil.
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, Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde,
einen elektromagnetischen Schrittheberantrieb für Schiffskemreaktoren zu finden,
der unter Beibehaltung des Klinkenprinzips einfacher im Aufbau und sicherer in der
Wirkungsweise ist, aber dennoch eine kleinere Baulänge des gesamten Antriebssystems
ermöglicht.
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Dieser elektromagnetische Schrittheberantrieb ist Hubspule erfindungsgemäß
das Kenterklinkensystem dadurch gekennzeichnet, magnetisch daß be- die
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tätigt und zur zeitlichen Aufeinanderfolge von Entriegelung der Kenterklinken
und Bewegung des Regelstabes
im Magnetkreis des Hubmagneten der
Luftspalt zwischen dem axial beweglichen Kenterklinkenanker und einem starren, den
Regelstab ebenfalls konzentrisch umgebenden Eisenkern kleiner ist als der zwischen
dem Eisenkern und dem axial beweglichen Hubanker. Dies bedeutet, daß genau wie bei
stationären Reaktoren nur drei Magnetspulen, nämlich eine Haltespule, eine Greifspule
und eine Hubspule vorgesehen sind. Der letzteren kommen allerdings zwei Aufgaben
zu ' nämlich die. Entriegelung der Kenterklinken und anschließend die Betätigung
des Hubankers. Dies ist dadurch gewährleistet, daß der Luftspalt zwischen dem Eisenkern
und dein Magnetanker des Kenterklinkensystems kleiner ist als zwischen dem Eisenkern
und dem Hubanker. Damit die Kraftwirkung des Magnetsystems schädigende magnetische
Nebenschlüsse über die Klinkenelemente vermieden werden , sind diese aus
unmagnetischem Material hergestellt.
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Dieser neue Regelstabantrieb sei an Hand der Zeichnung, die eine beispielsweise
Ausführungsform desselben zeigt, näher erläutert.
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Der in dieser Figur dargestellte Regelantrieb ist zur Verdeutlichung
seines inneren Aufbaus auf der linken Seite der Zeichnung aufgeschnitten dargestellt.
Der Regelstab bzw. die Betätigungsstange desselben ist mit 2 bezeichnet. Diese ist
an ihrer Oberfläche mit Rillen 21 versehen, die ein zahnstangenähnliches Profil
haben. Der gesamte- Antrieb mitsamt der Stange 2 befindet sich innerhalb eines ausschnittsweise
dargestellten und mit 3 bezeichneten fingerhutartigen Druckrohres. Dieses
besteht aus magnetisierbarem Material, das lediglich an den Stellen, an denen im
Inneren Magnethubspalte vorgesehen sind, durch unmagnetisierbares Material
31 unterbrochen ist. Diese ringfönnigen unmagnetisierbaren Zwischenstücke
sind beispielsweise durch Schweißung hergestellt. Es könnten aber auch Ringe z.
B. hart eingelötet werden. Zur Führung des Regelstabes 2 innerhalb dieses Druckrohres
3 dient ein Rohr 4 aus unmagnetisierbarem Material, das durch eingeschraubte
Ringstücke 42 und 41 fest mit dem Druckrohr 3 verbunden ist. Das Führungsrohr
4 hat lediglich an den Stellen, wo die Klinken in den Regelstab 2 eingreifen sollen,
öffnungen, die mit 43 bezeichnet sind. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen,
daß die Klinken symmetrisch um den Stab herum, also etwa jeweils drei Klinken gleicher
Aufgabenstellung in einer Ebene angeordnet sind. In dem durch das Druckrohr
3 und das Führungsrohr gebildeten ringförinigen Raum befinden sich die ringförTnigen
Magnetsysteme, die durch entsprechende Spulen auf der Außenseite des Druckrohres
erregt werden.
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Von oben nach unten gesehen ist zunächst das Kenterklinkensystem dargestellt.
Es besteht aus den beiden Klinkenelementen 82 und 83, von denen das
erstere in dem beweglichen Magnetanker 81 und das Teil 83 am ringförmigen
Teil 42 gelagert ist. Der Magnetanker 81 ist an seinem unteren Ende mit einer
ringförmigen Scheibe 84 aus unmagnetisierbarem Material versehen, die ein Kleben
des Ankers am feststehenden Eisenkern 51 verhindern soll. Dieser feststehende
Eisenkern 51 befindet sich mit geringem Abstand unterhalb des Magnetankers
81 und ist mit mehreren Schrauben 44 mit dem unmagnetisierbarem Führungsrohr
4 verbunden. An seinem oberen und unteren Ende hat er eine ringfönnige Ausnehmung
zur Aufnahme der Federn 55 und 53. Die Feder 55
hat dabei die-,
Aufgabe, die Kenterklinken nach oben zu drücken und sie somit in die Nuten 21 des
Regelstabes 2 einrasten zu lassen. Die Feder 53 sorgt dafür, daß der Hubanker
52 bei abgeschalteter Hubspule mit Sicherheit in seine untere Ausgangslage
zurückkehrt. Dieser Hubanker 52, der auf seiner dem Eisenkein 51 gegenüberliegenden
Fläche wiederum eine Scheibe aus umriagnetisierbarein Material 54 trägt, hat zum
Eisenkern 51 einen größeren Arbeitsluftspalt als der Kenterklinkenanker
81. Mit diesem Hubanker 52 ist das Greifklinkensystem 63/62
über das an ihm angelenkte Klinkenelement 63 verbunden. Das andere Greifklinkenelement
62 ist am Greifklinkenanker 61
drehbar gelagert.- Der- Hubanker hat
auf seiner unteren Seite eine ringförmige Ausnehmung, in der die Spiralfeder 64
gelagert ist. Diese hat die Aufgabe, bei einer Abschaltung der Greifspule
6 den Greifklinkenanker mit Sicherheit in seine Ausgangslage zurückzuführen.
Im Führungsrohr 4, das aus unmagnetisierbarem Material besteht, ist gegenüber diesem
Klinkensystem eine Öffnung 43 angeordnet, damit die Klinken bei Erregung der Greifspule
6 in die Nuten des Regelstabes 21 eingreifen können. Eisenanker und Hubanker
sind dabei möglichst massiv ausgeführt, d. h., die Klinkenelemente sind also
praktisch in übereinander angeordneten Schlitzen von Eisenkern und Ankern drehbar
gelagert. Der Greifklinkenanker 61 hat auf seiner Oberseite wieder einen
unmagnetisierbaren Belag 65 zur Verhinderung des magnetischen Klebens. Unterhalb
dieses Ankers 61 befindet sich wiederum ein starrer unbeweglicher Eisenkern
71, der über Bolzen 75 mit dem Führungsrohr 4 verbunden ist. Der Anker
71 gehört zum Halteklinkensystem- An ihm ist das Klinkenelement 74 drehbar
befestigt. Er ist auf seiner Innenseite wieder mit einer Nut versehen, die eine
Feder 76 aufnimmt. Diese hat die Aufgabe, den Halteanker 72 nach unten
zu drücken. An diesem Halteanker ist das zweite Klinkenelement 73 gelenkig
befestigt.
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Wie bereits erwähnt, ist das Druckrohr 3 in Höhe der Arbeitsluftspalte
zwischen den einzelnen Eisenkernen und Ankern durch unmagnetisierbare Zwischenlagen
ausgefüllt. Die zur Erregung der Magnetanker und Eisenkerne benötigten Magnetspulen
sind außerhalb des Druckrohres so angeordnet, daß sie über die unmagnetisierbaren
Stellen der Druckrohre hinweggreifen. Da das Kenterklinkensystem von der Hubspule
5 betätigt wird, umfaßt diese einen so weiten Bereich, daß sich der Kraftfluß
dieser Spule über den Kenterklinkenanker 81, den Eisenkern 51
und den
Hubanker 52 schließt. Diese Spule ist nach außen hin mit einem magnetischen
Rückschluß 56
versehen, der gleichzeitig auch als mechanischer Schutz dieser
Einrichtung dient. Da der Luftspalt zwischen dem Kenterklinkenanker 81 und
dem Eisenkern 51 kleiner ist als derjenige zwischen dem Eisenkein und dem
Hubanker 52 und eventuell auch die zugehörigen Federn eine unterschiedliche
Rückstellkraft besitzen, wird zunächst bei Erregung der Hubspule der Kenterklinkenanker
angezogen und damit die Kenterklinke ausgerastet. Nachdem hier der magnetische Widerstand
klein geworden ist, liegt die ganze magnetische Spannung am Luftspalt zwischen dem
Eisenkem 51 und dem Hubanker 52, so daß dieser anschließend angezogen
wird. Er ist dabei in der Lage, den Regelstab mitzunehmen, wenn vorher die Greifspule
-erregt worden ist. Die Greifspule 6 ist wiederum mit einem magnetischen
Rückschluß 66
versehen und zieht bei Erregung den Greifanker
61
an den Hubanker 52 heran. Damit rasten die Greifklinken
63 und 62 in den Regelstab ein, so daß der Kraftschluß für den Hebevorgang
dieses Stabes mit Hilfe der Hubspule gegeben ist. Das unterhalb dieses Greifsystems
liegende Haltesystern wird von der Haltespule 7 erregt, die mit dem magnetischen
Rückschluß 76 verbunden ist. Der Haltespulenanker ist dabei wieder wie die
übrigen Anker mit einem unmagnetisierbaren Belag 77 versehen.
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Der funktionelle Ablauf des gesamten Antriebssystems wird dabei z.
B. über ein Nockenschaltwerk gesteuert, das die Gleichstromerregung der einzelnen
Spulen, also der Hubspule 5, der Greifspule 6 und der Haltespule
7 stets in der richtigen Reihenfolge steuert. Selbstverständlich können dabei
auch andere Folgeschaltwerke, z. B. solche elektronischer Art, Verwendung finden.
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Für die Aufwärtsbewegung gilt dabei folgendes Schema des Funktionsablaufes
der einzelnen Elemente. Einschalten der Greifspule 6, Greifklinken rasten
in die Nuten 21 ein; abschalten der Haltespule 7, die Halteklinken lösen
sich vom Regelstab; einschalten der Hubspule 6, dadurch wird zunächst der
Kenterklinkenanker 81 angezogen und damit die Kentersperre aufgehoben und
anschließend der Hubanker 52 angezogen, der zusammen mit dem Greifklinkensystem
mit dem Regelstab um einen Schritt nach oben mitnimmt. Anschließend wird die Haltespule
7 wieder erregt, die Halteklinken rasten ein, Greifspule 6 und Hubspule
5 werden abgeschaltet, die Kenterklinken rasten ein, Hubanker und Greifanker
fallen ab. Für den nächsten Schritt wiederholt sich dieser Vorgang.
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Für die Abwärtsbewegung gilt dann folgendes Schema: Die Haltespule
7 ist erregt, die Halteklinken sind eingerastet. Die Hubspule 5 wird
eingeschaltet, dadurch zieht der Hubanker 52 an, nachdem vorher die Kenterklinkensperre
aufgehoben wurde. Anschließend wird die Greifspule 6 eingeschaltet, so daß
bei eingeschalteter Hubspule die Greiferklinken einrasten. Dann wird die Haltespule
7 ausgeschaltet, so daß die Haltesperre aufgehoben ist. Nunmehr wird die
Hubspule abgeschaltet, so daß der Hubanker zusammen mit angezogenem Greifanker und
eingerasteten Greifklinken abfällt. Nach dieser Abwärtsbewegung des Regelstabes
um einen Schritt, die Kenterklinken schnappen hierbei in die nächste Nut ein, also
einen Nutabstand, wird die Haltespule 7
wieder eingeschaltet. Diese Vorgänge
werden so lange wiederholt, bis dier gewünschte Regelstellung des Stabes erreicht
ist.
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Da dem Kenterklinkensystem aus Sicherheitsgründen besondere Bedeutung
zukommt, ist es notwendig, dessen Funktionsbereitschaft prüfen zu können.
Dies ist in vorliegendem Beispiel besonders leicht möglich, weil es dazu nur lediglich
notwendig ist, die Erregerstromkennlinie der Hubspule in Abhängigkeit von der Zeit
aufzunehmen. Diese Kennlinie muß dabei zwei Einkerbungen aufweisen, die dem Anziehen
des Sperrklinkenankers sowie des Hubankers entsprechen. Diese Kennlinie ist in der
Figur neben der Hubspule 5
eingezeichnet.