DE2027988A1

DE2027988A1 - Steuerstabantrieb für Kernreaktoren

Info

Publication number: DE2027988A1
Application number: DE19702027988
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing.; Zeitzschel Günter; 6000 Frankfurt. P Daublebsky
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1970-06-06
Filing date: 1970-06-06
Publication date: 1971-12-09
Also published as: US3779134A; GB1343479A; ZA713631B

Description

Licentia

Patent-Verwaltungs-G,m.b.H. 6 Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai Λ

P 70/46 - Sehn 19. 5. 1970

Schn/kf

Steuerstabantrieb für Kernreaktoren

Die Reaktivität und damit die Wärmeleistung von Kern reaktoren wird bei vielen Reaktortypen durch Steuerstäbe eingestellt, die mit neutronenabsorbierendem Material versehen sind und mehr oder weniger in den Reaktorkern eingefahren werden können. . ·

Erfolgt der Antrieb der Steuerstäbe hydraulisch mittels Hubkolben, so werden üblicherweise mechanische Verriegelungen vorgesehen, die die oteuers.täbe während des normalen Reaktorbetriebes daran hindern, bei Fortfall oder Verringerung des auf den Hubkolben des Steuerstabes wirkenden Gegendruckes infolge des Druckes im Reaktorkern

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aus dem Reaktor herausgestoßen zu werden. Um aber für den Gefahrenfall ein sehr schnelles Einfahren der Steuerstäbe in den Reaktorkern zu ermöglichen, sind die Verriegelungen derart gestaltet, daß durch Vergrößerung des Gegendruckes am Hubkolben die Steuerstäbe zwangsläufig in den Reaktorkern eingefahren werden können« Verriegelungseinrichtungen dieser Art sind beispielsweise in dem Artikel "Antriebe für Reaktorregelstäbe" von B. Schallopp in der Zeitschrift Nukleonik, Band 5, 1963, Seite 124 - 133 und insbesondere auf Seite 125, ^bb. 5a und 5b beschrieben.

Um die Steuerstäbe aus dem Kern um einen vorgegebenen Betrag herauszufahren, müssen zunächst-die Verriegelungseinrichtungen ausgerückt werden» 7/ürde danach im hydraulischen System ein Defekt auftreten und beispielsweise der Arbeitsdruck zusammenbrechen, so würden die Steuerstäbe mit großer Wucht aus dem Reaktorkern herausgestoßen. Dadurch könnte eine unkontrollierte Kettenreaktor ausgelöst werden, die zu einem größeren Re-aktorunfall führen müßte.

Selbst wenn man einen Steuerstabantrieb für Kernreaktoren derart gestaltet, daß der Steuerstab von einem mit Verriegelungseinrichtungen versehenen Steuerkolben betätigt wird, der sich in einem mit Rastern versehenen Führungs-

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rohr bewegt, so daß die Klinken beim Ausfall des Arbeitsdruckes sofort wieder einrasten, bestünde die Gefahr, daß infolge der hohen Beschleunigung der Steuerstäbe diese zum Zeitpunkt der.erneuten Verriegelung bereits eine solche ■»Vucht haben, daß die Verriegelungseinrichtungen beschädigt oder zerstört wurden und dadurch der Steuerstab nicht mehr festgehalten werden könnte.

Deshalb wird mit der Deutschen Auslegeschrift 1 281 596 vorgeschlagen, zur Fixierung der Steuerstabstellungen bei Brüchen des Antriebsgehäuses oder seiner Befestigung am Druckmantel die Sperrklinke innerhalb des Druckmantels in unmittelbarer Nähe der Spaltzone anzuordnen und die Auslösereinrichtung an dem Antriebsgehäuse so zu befestigen, daß bei Normalbetrieb des Reaktors die Klinken sich in Offenstellung befinden. Diese Anordnung bringt jedoch den Nachteil " mit sich, daß im Reaktordruckbehälter eine zusätzliche Verriegelungseinrichtung pro Steuerstab angeordnet werden muß, durch den die gesamte Anlage aufwendiger und komplizierter wird. Zudem ist eine Funktionskontrolle der sich im Reaktordruckbehälter befindlichen Verriegelungseinrichtungen nur schv/er möglich. ·

Die -Erfinder haben sich deshalb die Aufgabe gestellt einen einfachen Steuerstabantrieb für Kernreaktoren zu entwickeln, bei dem die Verriegelungseinrichtungen sowohl

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bei normalem -ßeaktorbetrieb als auch bei Defekten in hydraulischen oder pneumatischen System die Steuerstäbe ' sicher in etwa in ihrer jeweiligen Position halten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelost, daß bei einem Steuerstabantrieb für Kernreaktoren, bei dem der Steuerstab von einem mit Verriegelungseinrichtungen versehenen Steuerkolben betätigt wird, der sich in einem mit Rastern versehenem Führungsrohr bewegt, dem Steuerkolben ein zweiter ebenfalls mit Verriegelungseinrichtungen versehener Steuerkolben zugeordnet ist, und Einrichtungen zum wechselseitigen Lösen der Verriegelungs-. einrichtungen vorhanden sind, die ein abwechselndes Bewegen der beiden Kolben um jeweils einen Easter in gleicher axialer Sichtung gestatten und der ruhende Kolben jeweils mittels seiner Verriegelungseinrichtung in den Rastern verriegelt ist.

Das abwechselnde Verriegeln und Entriegeln der beiden Kolben kann auf verschiedene Weise erfolgen.. Zwei besonders vorteilhafte Möglichkeiten zur Ausführung des Erfindungsgedankens werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben.
Es zeigen
Figur 1 einen vertikalen Schnitt durch einen erfindungs-

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gemäßen Steuerstabantrieb,

Figur 2 einen vertikalen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steuerstabantriebs,

Figur 3 einen horizontalen Schnitt durch den Steuerstabantrieb nach Figur 2,

Figur 4 die Steuerung des Steuerstabantriebs nach Fig.

Zunächst wird nun das Ausführungsbeispiel nach Figur 1 erläutert. Der dargestellte hydraulische Steuerstabantrieb kann in einem Kernreaktor im Druckgefäß unterhalb der Kerngitterplatte angeordnet sein. Mit 1 ist ein Führungsrohr bezeichnet, indem ein Hubkolben 2 mit dem nicht dargestellten Absorberteil gleitet. Der Hubkolben 2 sitzt auf einem oberen Steuerkolben 3 auf, der eine Verriegelungseinrichtung 4 hat. Die Verriegelungseinrichtung 4 kann in Raster 5j 5'» 5*' usw. einrasten und damit eine Abwärtsbewegung des oberen Steuerkolbens 3 verhindern.

Unterhalb des Steuerkolbens 3 ist im Führungsrohr 1 ein zweiter Steuerkolben 6 angeordnet, der ebenso wie der Steuerkolben 3 eine Verriegelungseinrichtung hat, die mit 7 bezeichnet wurde. Diese ist genauso wie die Verriegelungseinrichtung 4 aufgebaut und besteht aus zwei Klinken 8 und 9, die beispielsweise mittels Federn 10 auseinander ge-

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drückt werden. Die Klinken 8 und 9 sind dabei so geformt, daß sie bei Aufwartsbewegung des unteren Steuerkolbens 6 aus den Rastern herausgleiten, bei einer Abwärtsbewegung aber einrasten. Beide Klinken können zur Mitte hin abgesetzt sein, so daß die Klinken 8 und 9 der Verriegelungseinrichtung aufeinanderliegen und sich gegenseitig führen* Eine solche Ausführung der Klinken ist in der -Figur 2 zu erkennen.

Der obere Steuerkolben 3 hat an seiner unteren Seite zwei Pinger 11 und 12, die in jeweils einen Schlitz 13 und 14 der Klinken 9 und 10 passen. Die Schlitze 13 und 14 haben Abschrägungen 15 und 16, so daß die Klinken 9 und 10 durch Einfahren der Finger 11 und 12 in die Schlitze 13 und 14 radial aus den jeweiligen Rastern (S₁ S 5'¹) bewegt werden,

Der untere Steuerkolben 6 hat eine koaxiale Verlängerung 17j die den oberen Steuerkolben 4 durchdringt und an ihrem oberen Ende einen Aufsatz 18 mit Fingern 19 und 20 hat, die den Fingern 11 und 12 entsprechen und ebenso in Schlitze der oberen Verriegelungseinrichtung 4 greifen können.

Nicht dargestellt ist die erforderliche Anschlußleitung für das Druckmedium zur Betätigung des Steuerstabantriebs sowie Verbindungen im Steuerstabantrieb,durch die sicher gestellt wird, daß auf der oberen Seite des oberen Steuerkolbens 3 der volle Reaktordruck wirkt, während auf der oberen Seite des unteren Steuerkolbens 6 ein etwas geringerer Druck ansteht.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Figur 1 wirkt wie folgt ..-"-■

Durch den Druck im Reaktordruckgefäß wird zunächst der entriegelte obere Steuerkolben 3 mit seiner Entriegelungseinrichhmg 4 abwärts auf den verriegelten unteren Steuerkolben 6 zu bewegt. Die Verriegelungseinrichtung 4 des oberen Steuerkolbens 3 rastet dann in den Raster 5' ein und fixiert den Steuerkolben 3· Während dieser Abwärtsbewegung ist der auf dem oberen Steuerkolben 3 aufsitzende Hubkolben 2 mit dem Absorberteil um den gleichen Betrag abgesunken. Die Finger 11 und 12 sind bei der Abwärtsbewegung des Steuerkolbens 3 in die Schlitze 13 und 14· des unteren Steuerkolbens 6 eingefahren und haben diesen dabei entriegelt. "«?ird nun der Arbeitsdruck unterhalb des unteren Steuerkolbens 6 abgesenkt, so fährt dieser abwärts bis zum nächsttieferen Raster. Sobald er dort eingerastet ist, haben die Finger 19 und 20 des Aufsatzes 18 den oberen Steuerkolben 3 wieder entriegelt, so daß nun der obere Steuerkolben 3 wieder wie eingangs beschrieben, eine Abwärtsbewegung ausführt. '

Durch eine einfache Steuerung der Druckdifferenz zwischen dem unteren Steuerkolben 6 und dem oberen Steuerkolben 3 erfolgt die Aufwartsbewegung der Steuerstäbe in umgekehrtem Rythmus wie die Abwärtsbewegung.

Erfolgt die Aufwärtsbewegung der Steuerstäbe durch Ver-

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ringerung des auf den oberen Steuerkolben 3 wirkenden Drucks wird also der Druck im Führungsrohr 1 oberhalb des oberen Steuerkolbens bei Druckgefäß interner Steuerstabantrieb sanordnung geringer als der Umgebungsdruck - so kann beim Einfahren der Steuerstäbe auf das abwechselnde Verriegeln der Steuerkolben verzichtet werden, da bei einem Versagen der Steuerung die Steuerstäbe infolge des geringeren Druckes oberhalb der Steuerkolben zwangsläufig in den Kern einfahren.

Nunmehr wird anhand der Figuren 2 und 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Steuerstabantriebs beschrieben. In der dargestellten Bewegungsphase ist der Steuerstabantrieb zusammengezogen und die obere Verriegelung in Singriff gebracht. Wie in Figur 1 ist mit 1 ein Führungsrohr bezeichnet, indem die Steuerkolben 3 und 6 angeordnet sind. Der obere Steuerkolben 3 besitzt eine Verriegelungseinrichtung 4, während der untere eine Verriegelungseinrichtung 7 hat. Jede Verriegelungseinrichtung besteht aus zwei aufeinandergleitenden Klinken 8 und 9» die von Federn 10 in Rastern 5» 5'i 5¹¹» 5¹¹' usw. gedrückt werden. Beide Steuerkolben werden von einer koaxialen Steuerstange 21 durchdrungen, auf der zum Herausziehen der Klauen aus den Rastern Excenter 22 (Fig. 3) befestigt sind. Die Excenter 22 greifen in öffnungen 23

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der Klinken 8 und 9· Dieses Prinzip entspricht dem der Ausführung nach Figur 1, wobei-die Excenter die Punktion -der Pinger, z. B. 11 und 12 und die öffnungen 23 die Punktion der Schlitze z. B. 13 und 14, übernehmen. Die Figur 3 zeigt diese Einzelheiten. Der Excenter 22 ist dabei in einer solchen Stellung, daß die Klinken 8 und 9 eingezogen sind. Die Excenter für den oberen Steuerkolben 3 und den oberen Steuerkolben 6 sind um 180° zueinander versetzt, so daß stets ein Steuerkolben verriegelt und einer entriegelt ist. " ·

Zur Betätigung der beiden Verriegelungseinrichtungen ist im Inneren des unteren Steuerkolbens ein mit der Steuerstange fest verbundener Betätigungskolben 24 angeordnet. Oberhalb dieses Betätigungskolbens ist auf der Steuerstange 21 gleitent ein Kolben 25 mit Rollen 26, die in einem Steilgewinde 27 der Außenwandung des Steuerkolbens laufen, angeordnet. Dieser Kolben 25 hat ein Mitnehmerteil 28, durch den eine Drehbewegung des Kolbens 25 auf die Steuerstange 21 übertragen wird. "

Zur Steuerung des Druckes an den verschiedenen Kolben des Steuerstabftntriebs ist die Steuerstange 21 an ihrem unteren Ende im unteren Steuerkolben 6 mit einem Steuerschieber

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derart verbunden, daß die Steuerstange 21 mit einem Bund oder-Schleppstift 29 in seinem Inneren um einen geringeren •Betrag als die maximal mögliche Hubhöhe des Betätigungskolbens 24 gleiten kann, dann aber durch Anschläge 30 und 31 den Steuerschieber 28 mitführt.

Die einzelnen Anschlüsse des Steuerschiebers 28 sind in Figur 2 nicht dargestellt, jedoch ist ihre Anordnung aus der schematischen Darstellung Figur 4 zu entnehmen« Der Steuerschieber hat zwei umlaufende Nuten 32 und 33· Im Gehäuse des unteren Steuerkolbens 6 sind nicht dargestellte Leitungen vorhanden, die zum Steuerschieber hin die Anschlüsse A7 und Λ8 haben. Ist' der Steuerschieber in ■seiner unteren Stellung, so befinden sich diese Anschlüsse .A7 und. A8 an' den oberen Enden der umlaufenden Hüten 32 und 33· Den Anschlüssen A 7 und A8 entsprechen die gegen-" überliegenden Anschlüsse A 10 und A 12, die sich kurz vor den unteren Bnden der Nuten 32 befinden. V/eiterhin sind dem Steuerschieber die Anschlüsse A9 und A11 zugeordnet, die um einen geringen Betrag höher als die Anschlüsse A7

. und A8 verlaufen. Von dem Anschluß A9 führt eine Leitung

tr

in den Raum unterhalb des Kolbens 25. Von dem Anschluß A10

■ eine Leitung in den Raum oberhalb des Kolbens 25. A11 ist mit A10, A12 mit A9 verbunden.

Durch diese Anordnung der Leitungen für das Druckmedium

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ergibt es sich, daß die das Druckmittel für den Betätigungskorben führenden Anschlüsse bereits' kurz vor der jeweiligen Endstellung des Steuerschiebers 28 versperrt sind. Um nun sicherzustellen, daß der Betätigungskolben jeweils bis zu seiner Endstellung gefahren wird, hat der Steuerschieber an seinem unteren Ende eine umlaufende Nut 34 mit Abschrägungen 35 und 36 nach beiden Seiten hin.- Im Gehäuse des unteren Steuerkolbens 6 sind nun federbelastete Kugeln 37 und 38 derart angeordnet, daß sie gegen den Steuerschieber 28 drücken. Kurz vor Erreichen seiner unteren Stellung gelangen die unteren Kugeln, von denen eine mit 38 bezeichnet wurde, auf die Abschrägung' 36 der umlaufenden Nut, so daß durch die Federkraft auf der Kugel und der Kräftezerlegung an der Schrägen 36 der Steuerschieber nach unten gedrückt wird. Umgekehrt sorgen die oberen Kugeln, von denen eine mit 37 bezeichnet wurde, dafür, daß der Steuerschieber, wenn, er sich kurz vor seiner oberen Endstellung befindet, vollständig in diese bewegt wird. .

Nachfolgend wird als Beispiel eine Abwärtsbewegung anhand des Schaltplans Figur 4 beschrieben. Das Druckmedium zur Betätigung des Steuerstabantriebs gelangt über den Anschluß - A7 in den Steuerschieber und verläßt diesen über den Anschluß A1O, gelangt in den Raum oberhalb des Kolbens 25 und drückt diesen nach unten. Dabei wird das obere Verriegelungssystem in Singriff gebracht, während das untere

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einge.zogen wird. Am Ende dieser Steuerbewegung wird ein Anschluß ä2 oberhalb des Steuerkolbens frei, während zuvor das Medium unterhalb des Steuerkolbens über einen Anschluß A4 und über A12 und A8 zurückfließt. Von dem An- · Schluß A2 führt eine Leitung nach A6 zum Raum unterhäLb des Hubkolbens. Dadurch wird das Gehäuse abwärts bewegt, während das Medium oberhalb des Hubkolbens 24 über einen Anschluß A5 und einem Rückschlagventil A2 in die Leitung zwischen .A -4 und A12 und von dort über A8 abfließt. Durch diesen Vorgang hat sich der Steuerstabantrieb um ein Raster gestreckt. Ist diese Abwärtsbewegung beendet hat der Steuerschieber seine Lage geändert, er befindet sich jetzt in der oberen nicht dargestellten Endstellung. Dadurch gelangt der Druck, der oberhalb des Steuerstabantriebs ansteht·, über 17 und Ä9 zu A4 des Steuerkolbens und bewegt ihn nach oben. Das abfließende Wasser wird über A1, A11 und A8 zu dem Raum unterhalb des Steuerstabantriebs geleitet.

Am Ende dieser Abwärtsbewegung ist durch das Steilgewinde 27,den Rollen 26 und dem Kolben 25 die Steuerstange mit den Excentern verdreht worden, dadurch würde das obere Verriegelungssystem eingezogen und das untere Verriegelungssystem eingerastet. Gleichzeitig hat der Kolben 25 den Anschluß A3 freigegeben. Dadurch gelangt der über den Anschluß A7 zugeführte Druck über den Steuerstabantrieb nun weiter über A3 zu A5 des Betätigungskolbens 24 und

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bringt diesen nach unten (der Steuerstabantrieb zieht sich zusammen). Der Abfluß erfolgt über A 6· und einem Rückschlagventil R1, AU und A8 zu dem Raum unterhalb des Steuerstabantriebs. Damit ist ein Bewegungsvorgang beendet.· Soll der Steuerstab weiter nach unten bewegt werden, so wiederholt sich der beschriebene Vorgang, .

Der besondere Vorteil bei-den Ausführungsbeispielelnach der Erfindung liegt darin, daß das schrittweise Bewegen der Kolben ohne Jede Steuerung von außen zwangsläufig geschieht und damit zwangsläufig sichergestellt ist, daß. stets ein Steuerkolben verriegelt ist. Mit dem zweiten Ausführungsbeispiel wird durch die Anordnung der Kugeln und 38 gleichzeitig das Problem gelöst, einen Steuerschieber ohne nennenswerten Aufwand zwangsläufig in seine jeweiligen Endstellungen zu bringen. Für beide Ausfuhrungsbeispiele gilt, daß durch die Anordnung von'zwei Kolben es möglich ist, die Verbindung zu dem Raum zwischen den beiden Kolben derart zu dimensionieren, daß auch bei Fortfall des Arbeitsdruckes der grade entriegelte Steuerkolben nicht stark beschleunigt werden kann, da die Flüssigkeit zwischen den beiden Steuerkolben entweder verdrängt werden oder aber weitere Flüssigkeit hinzuströmen muß.

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Claims

Ii C en ti a .
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Patentansprüche

I/ Mit einem Druckmedium betätigter Steuerstabantrieb für Kernreaktoren, bei dem der Steuerstab von einem mit Verriegelungseinrichtungen versehenen Steuerkolben betätigt wird, der sich in einem mit Rastern versehenen Führungsrohr bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuerkolben (oberer Steuerkolben 3) ein zwei-• ter, ebenfalls mit Verriegelungseinrichtungen (7) versehener Steuerkolben (unterer Steuerkolben 6) zugeordnet ist und Einrichtungen (17₅ 18) zum wechselseitigen Lösen der Verriegelungseinrichtungen vorhanden sind, die ein abwechselndes Bewegen der beiden Steuerkolben um jeweils einen Raster (5, 5'i 5'') in gleicher axialer Richtung gestatten und der ruhende Steuerkolben jeweils mittels einer Verriegelungseinrichtung in den Rastern

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(5, 5', 5 ") verriegelt ist*
2. Steuerstabantrieb nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß der obere Steuerkolben (3) Finger (11, 12) hat, die bei An-

■ näherung der beiden Kolben in Schlitze (13, 14) der Verriegelungseinrichtung (7) des unteren Steuerkolbens (6) greifen und den unteren Steuerkolben ausklinken·
3. Steuerstabantrieb nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der

untere Steuerkolben (6) auf einer den oberen Steuer-r kolben (3) durchdringenden koaxialen Verlängerung (17) einen Aufsatz (18) mit Fingern (19, 20) hat, die in Schlitze des oberen Steuerkolbens (3) bei gegenseitigem Entfernen der Steuerkolben greifen und den oberen Steuerkolben ausklinken.
4. Steuerstabantrieb nach Anspruch -1, dadurch gekennzeichnet , daß"die 'Verriegelungseinrichtungen (4, <#) der beiden Steuerkolben (3, 6) alternierend mittels Excenter (22) auf einer gemeinsamen Steuerstange (21) betätigt werden. ..
5. Steuerstabantrieb nach Anspruch 4, dadurch

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gekennzeichne t, daß die Steuerstange (21) im Steuerkolben (6) einen Betätigungskolben (24) hat und mit Einrichtungen versehen ist, die eine axiale Bewegung der Steuerstange (21) nur unter einer gleichzeitigen Drehbewegung zulassen»
6« Steuerstabantrieb nach Anspruch 5* dadurch g e k e nnz e i c h η e t, daß ein axial auf der Steuerstange (21) verschiebbarer Kolben (25)_s der mit. Rollen (26) in ein Steilgewinde (27) der Außenwandung des Steuerkolbens (6) greift, die Drehbewegung der Steuerstange (21) bewirkt.
7.. Steuerstabantrieb nach Anspruch 4 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstange (21) an ihrem unteren Ende mit

einem Steuerschieber (28) im unteren Teil des Steuerkolbens (6) verbunden ist.
8. Steuerstabantrieb nach Anspruch 4 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschieber an seinem unteren Ende eine umlaufende Nut (34) mit Abschrägungen an beiden Seiten (35) 36) hat, auf die kurz vor Erreichen der beiden Endstellungen des Steuerschiebers federbelastete Kugeln

Gehäuse

(37 > 38), die im gSsifiÄ des unteren Steuerkolbens (6) abgestützt sind, wirken.

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9· Steuerstabantrieb nach Anspruch 4 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstange (21) einen Bund oder Schleppstift (29) hat, der im Inneren des Steuerschiebers um einen geringeren Betrag als die maximalraögliche Hubhöhe des Betätigungskolbens (24) gleiten kann, und vor Erreichung der Endstellungen des Betätigungskolbens (24) den Steuerschieber (28) mitführt.

Io. Steuerstabantrieb nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Klinken (8, 9) der Verriegelungseinrichtungen (6, 7) zur Mitte hin abgesetzt sind und aufeinander gleiten. .

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