DE2804035C2 - Hydraulik-Stellmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hydraulik-Stellmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hydraulik-Stellmotoren sind für die Drehzahlregelungen von Dampfturbinen bekannt, wobei bei einer lastabhängigen Drehzahlregelung durch die Charakteristik der Rückführfelder ein bestimmter P-Bereich eingestellt ist. Damit läßt sich für eine z. B. im Parallelbetrieb zum Netz laufende Dampfturbine eine gleichmäßige Lastverteilung einstellen. Wenn in einem solchen Fall das Netz ausfällt und die Dampfturbine die Stromversorgung allein übernimmt, ist es wünschenswert, daß die Drehzahl unabhängig von der Belastung konstant gehalten wird. In einem solchen Fail soll der Drehzahlregler nicht als P-Regler, sondern als PI-Regler wirken. Daraus leitet sich die Forderung ab, daß der Hydraulik-Stellmotor eines solchen Drehzahlreglers einen veränderbaren P-Bereich haben sollte, um den P-Bercich praktisch auf 0 verstellen zu können, so daß man einen PI-Regler erhält Eine derartige Verstellung des P-Bereiches setzt voraus, daß die Charakteristik der Rückführfeder im Betrieb verstellbar ist Da die Charakteristik eine Feder von den mechanischen Abmessungen

ίο und Eigenschaften einer Feder abhängt ist eine Änderung der Charakteristik im Betrieb praktisch nicht möglich.

Durch die DE-OS 23 02 446 ist ein Hydraulik-Stellmotor bekannt, bei welchem das Eingangssignal auf einen Regelschieber wirkt der die Druckbeaufschlagung des Stellkolbens steuert Eine mechanisch-hydraulische Rückführung zwischen dein Stellkolben und dem Regelschieber umfaßt ein Druckregelventil und einen zwischen dem Druckregelventil und dem Regelschieber angeordneten Rückführraum, der an den Druckölspeicher für das Steueröl über eine Drossel angeschlossen ist. Das Druckregelventil ist als federvorgespanntes Kugelventil aufgebaut, wobei die als P-Gliedfeder zu wertende Feder mechanisch der Stellung des Stellkolbens entsprechend vorgespannt wird. Über das Kugelventil fließt Steueröl aus dem Rückführraum entsprechend der Stellung des Stellkolbens ab, so daß sich im Rückführraum ein durch die Rückführung mit P-Verhalten beeinflußbarer Öldruck einstellt

Ferner ist durch die DE-OS 24 50066 ein pneumatischer Druckregler bekannt, der die Änderungen des am Eingang zugeführten Primärdrucks proportional in Änderungen des am Ausgang abgegebenen Sekundärdrucks überführt. Dieser Druckregler ist ausgangsseitig mit einer Ablaufdüse versehen, die das Ansteigen des Druckes aufgrund des dauernd durch das Regelventil zuströmenden Mediums verhindert. Dadurch steht ausgangsseitig ein zum eingangsseitigen Druck proportionaler Druck zur Verfügung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu finden, mit welchen der P-Bereich eines Hydraulik-Stellmotors mit einer P-Glied- Feder veränderbar gemacht werden kann, wobei insbesondere die Möglichkeit bestehen soll, den P-Bereich bis praktisch auf den Wert Null zu verändern, damit der Drehzahlregler nicht nur als Regler mit veränderbarem P-Bereich, sondern auch im Grenzfall als PI-Regler einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Kennzeichens nach dem Anspruch 1 gelöst.

Durch diese Maßnahmen der Erfindung kann der P-Bereich eines Hydraulik-Stellmotors in einem sehr großen Umfang geändert und auf Null verkleinert werden, so daß mit einem Drehzahlregler, der einen solchen Hydraulik-Stellmotor umfaßt, eine lastabhängige Dreh-Zahlregelung sowohl mit veränderbarem P-Bereich, d. h. mit einer mehr oder weniger großen Lastabhängigkeit, als auch eine lastunabhängige Drehzahlregelung möglich ist, wenn der P-Bereich bis auf Null verkleinert wird und aus dem P-Regler ein PI-Regler wird.

Eine Herstellungstechnik sehr vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Ventilkörper des Druckregelventils aus einem topfförmigen Hohb.ylinder besteht, welcher in einer zylindrischen Ausnehmung der den Regelschieber aufnehmenden Schieberbüchse gehaltert ist und gegen eine Überströmkante an der Stirnseite der Schieberbüchse unter Ausbildung des Ventilraumes anliegt; daß der Regelschieber mit einer zylindrischen Erweiterung in den Hohlzylinder eingreift

und in seiner zylindrischen Erweiterung mit dem vom Rückführkolben verschlossenen Rückführraum versehen ist; und daß die Verbindungsleitung vom Ventilraum zum Rückführraum über Bohrungen im Regelschieber und der Schieberbüchse sow>e einen an der Außenseite der Schieberbüchse angeordneten Ringraum verläuft, wobei der Ringraum mit dem über eine Drossel an die Steuerölversorgung angeschlossenen Ventilraum über eine als Drosselstrecke ausgebildete Bohrung verbunden ist und ferner mit dem Ablaufventil über eine Anschlußbohrung in Verbindung steht Dabei ist vorgesehen, daß das Ablaufventil über eine Anschlußbohrung in Verbindung steht Dabei ist vorgesehen, daß das Ablaufventil aus einem Gehäuse drehbar gelagerten Einstellbolzen besteht, der mit einer Zentrumsbohrung sowie einem in die Mantelfläche eingearbeiteten und in die Zentrumsbohrung mündenden Kegelschlitz versehen ist, und daß der Kegelschlitz an der Anschlußbohrung zum Ringraum vorbeidrehbar ist

Für einen derartigen Hydraulik-Stelli.iotor läßt sich durch die Maßnahmen gemäß der Erfindung der P-Bereich bis auf Null verstellen, womit die Federkonstante einer als P-Giied verwendeten zylindrischen Schraubenfeder entsprechend bis auf Null verstellbar ist, obwohl die geometrischen Abmessungen als auch die wirksame Windungszahl unverändert bleibt.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Prinzipschaltbild eines Hydraulik-Stellmotors zur Erläuterung der Maßnahmen gemäß der Erfindung;

F i g. 2 eine teilweise vereinfachte Darstellung einer vorteilhaften Ausführung des Hydraulik-Stellmotors gemäß der Erfindung.

Gemäß dem Prinzipschaltbild ist ein Stellkolben 10 in einem Zylindergehäuse 11 verschiebbar gelagert und wird im öldruckfreien Zustand mit Hilfe einer Rückführfeder 12 in eine in der Darstellung linke Endlage verschoben. Mit dem Stellkolben ist eine Ventilspindel 13 verbunden, weiche auf ein nicht-dargestelltes Dampfregelventil einer Turbine wirkt. An dem Stellkolben stützt sich die eine Seite einer P-Glied-Feder 14 ab, deren andere Seite ;in einem hohlzylindrischen Ventilkörper 15 eines Plattenüberströmventils 16 anliegt. Der Ventilraum 17 des Plattenüberströmventils 16 wird von dem Innenraum eines kalottenförmigen Körpern 18 gebildet, dessen umlaufende Kante auf dem Ventilkörper aufsitzt und die Überströmkante bildet.

In einer Schieberbüchse ist ein Regelschieber 21 geführt, der mit seinem in der Darstellung auf der rechten Seite liegenden scheibenförmigen Ende 22 in eine Kammer 23 ragt. Zwischen das scheibenförmige Ende 22 und die Schieberbüchse ist eine Rückstellfeder 24 eingespannt, die im druckfreien Zustand den Regelscheiber 21 nach rechts verschiebt. Die Kammer 23 wird im Betrieb von dem nicht dargestellten Meßwerk des Drehzahlreglers aus mit Impulsöl versorgt, wobei der zugeführte Impulsdruck etwa umgekehrt proportional der Drehzahl ist.

In der Schieberbüchse ist ferner ein Rückführkolben 26 derart verschiebbar gelagert, daß sich zwischen den einander gegenüberliegenden stirnseitigen Flächen des Rückführkolbens 26 und des Regelschiebers 21 ein Rückführraum 27 ausbildet. Der Rückführkolben 26 ist gegen den Stellkolben 10 mit einer Rückführfeder 28 abgestützt.

Der Rückführraum 27 ist mit dem Ventilraum 17 über eine Verbindungsleitung 30 verbunden, in welche eine Drosselstrecke 31 eingefügt ist Der Leitungsabschnitt zwischen der Drosselsirecke 31 und dem Rückführraum 27 ist über eine Ablaufventil 32 an den ölablauf angeschlossen, wobei der Durchströmquerschnitt dieses Ablaufventils 32 zur Veränderung des P-Bereiches zwischen einem Minimalquerschnitt und einem Maximalquerschnitt veränderbar ist

Der Leitungsabschnitt zwischen der Drosselstrecke 31 und dem Ventilraum 17 ist über eine Drossel 33 an einen Druckölspeicher angeschlossen, von dem aus Steueröl zugeführt wird.

Zur Betätigung des Stellkolbens 10 ist der hinter dem Stellkolben 10 liegende Raum des Gehäusezylinders 11 über eine Leitung 34 mit einem Steuerschlitz 35 in der Schieberbüchse verbunden. Dieser Steuerschlitz arbeitet mit Kanten des Regelschiebers derart zusammen, daß bei einer Verschiebung des Regelschiebers in der Darstellung nach links von dem Druckölspeicher Steueröl über die Leitung 34 in den Raum des Gehäusezylinders 11 hinter dem Stellkolben geführt wird. Bei einer Verschiebung des Regelschiebers 21 in der Darstellung nach rechts wird dieser Raum hinter dem Stellkolben über die Leitung 34 mit dem Ablauf verbunden.

Für die Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung anhand des Prinzipschaltbildes gemäß F i g. 1 wird zunächst der an sich bekannte Funktionsablauf des Stellmotors bei einer Drehzahlregelung beschrieben. Der vom Meßwerk des Drehzahlreglers übertragene Impulsdruck, welcher etwa umgekehrt proportional der Drehzahl ist, wirkt auf die Oberfläche des scheibenförmigen Endes 22 des Regelschiebers 21, wodurch eine Kraft entsteht, die den Regelschieber entgegen dem Druck der Rückstellfeder 24 nach links verschiebt. Dadurch kann Steueröl an der Regelschieberkante vorbei in den Steuerschlitz 35 sowie über die Leitung 34 zu dem hinter dem Stellkolben 10 liegenden Raum des Gehäusezylinders 11 fließen, wodurch der Stellkolben 10 nach rechts verschoben wird. Diese Verschiebung des Stellkolbens wird mit Hilfe der Ventilspindel 13 auf das Dampfregelventil übertragen. Ferner wird durch die Verschiebung des Stellkolbens 10 die P-Glied-Feder 14 gespannt und entsprechend der Ventilkörper 15 gegen die Überströmkante des kalottenförmigen Körpers 18 gedrückt. Die dabei auf den Ventilkörper 15 wirkende Federkraft ist direkt proportional dem Hub des Steilkolbens 10. Die Verschiebung des Stellkolbens wirkt ferner auch über die vorübergehend gespannte Rückführfeder 28 auf den Rückführkolben 26, der seinerseits über das Ölpolsier im Rückführraum 27 auf den Regelschieber 21 einwirkt und die Rückstellung durch die Rückstellfeder 24 unterstützt. Die auf das Ölpolster im Rückführraum 27 über den Rückführkolben 26 eingeleitete Kraft fällt über eine nicht dargestellte Rückführdämpfungsdrossel ab, so daß sich unter Vermeidung eines zu starken Regelausschlags eine Gleichgewichtslage einstellt.

Eine Verschiebung des Stellkolbens 10 in der Darstellung nach links erfolgt, wenn der Impulsdruck in der Kammer 23 abnimmt und der Regelschieber 21 durch die Kraft der Rückstellfeder 24 nach rechts verschoben wird. Dadurch verschiebt sich die dem Ablauf zugeordnete Regelschieberkante in den Steuerschlitz 35, so daß das durch die Kraft der Rückstellfeder 12 aus dem Raum hinter dem Stellkolben 10 über die Leitung 34 verdrängte Öl abfließen kann.

Die dem Hub des Stellkolbens proportionale Kraft der P-Glied-Feder 14 wirkt auf den Regelschieber 21 entsprechend dem vom Ventilraum 17 zum Rückführraum 27 übertraeenen Öldruck. Der im Vpntilranm t7

sich aufbauende Öldruck ist direkt proportional der Federkraft, mit welcher der Ventilkörper 15 gegen die Überströmkante des Plattenüberströmventils 16 gedruckt wird. Das in den Ventilraum 17 über die Drossel 33 einströmende Steueröl fließt über die Überstromkante ab, wodurch sich in dem Ventilraum 17 entsprechend der über die Drossel 33 fließenden ölmenge ein Druck aufbauen kann, der dem Anpreßdruck des Ventilkörpers 15 an die Überströmkante entspricht.

Da das mit dem zum Rückführraum 27 führenden Leitungsabschnitt der Verbindungsleitung 30 verbundene Ablaufventil 32 in der Position mit dem Minimalquerschnitt immer eine gewisse ölmenge abfließen läßt, baut sich hinter der Drosselstrecke 31 und damit im Rückführraum 27 ein Druck auf, der direkt proportional dem Druck im Ventilraum 17 ist. Dieser Druck wirkt entsprechend mit einer dem Ventilhub des Stellkolbens proportionalen Kraft auf den Regelschieber 21. Wenn das Ablaufventil weiter geöffnet wird, ergibt sich hinter der Drosselstrecke 31 ein stärkerer Druckabfall, womit auch entsprechend in dem Rückführraum 27 ein geringerer Druck wirksam ist. Durch eine entsprechende Wahl des Maximalquerschnittes kann erreicht werden, daß hinter der Drosselstrecke 31 der Druck bis auf etwa Null abfällt, womit der Zustand erreicht ist, in welchem über die P-Glied-Feder 14 eine Verstellung des Stellkolbens 10 ohne Rückwirkung auf den Regelschieber 21 bleibt.

Man erkennt also, daß mit Hilfe der Drosselstrecke 31 und dem Ablaufventil 32 eine lineare Unterteilung des Druckes vom Ventilraum 17 zum Rückführraum 27 möglich ist, wobei der Teilungsfaktor mit Hilfe des Ablaufventiles 32 zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert beliebig einstellbar ist und hubabhängig für alle Drücke gleich ist. Die Erfindung bietet also in einfacher Weise eine Möglichkeit, den P-Bereich beliebig zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert zu verstellen, wobei der Minimalwert derart eingestellt werden kann, daß der Druck im Rückführraum 27 Null wird und damit der Regler ein PI-Verhalten annimmt. Diese Verstellung des P-Bereiches bietet in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, den Regler den betrieblichen Anforderungen leicht anpassen zu können, wobei nur eine einzige Reglerausführung benötigt wird.

in F i g. 2 ist eine teilweise vereinfacht dargestellte praktische Ausführungsform eines Hydraulik-Stellmotors dargestellt, bei dem die Maßnahmen gemäß der Erfindung zur Verwirklichung eines verstellbaren P-Bereiches Anwendung finden.

Der Stellmotor ist in einem zylindrischen Gehäuse untergebracht und im wesentlichen konzentrisch um eine Einstellspindel 39 herum aufgebaut. Diese Einstellspindel 39 kann mit Hilfe eines Handrades 38 vor- und zurückgefahren werden und dient als Begrenzungsanschlag für den Stellkolben 10. Die Einstellspindel 39 verläuft zentrisch durch den Regelschieber 21, der an seinem vorderen Ende mit einer zylindrischen Erweiterung versehen ist. Dadurch wird im Innern dieser zylindrischen Erweiterung der Rückführraum 27 gebildet, der mit dem über die Rückführfeder 28 gegen den Stellkolben IO abgestützten Rückführkolben 26 verschlossen ist. Am gegenüberliegenden Ende des Regelschiebers 21 ist innerhalb der Kammer 23 eine Kreisfläche 42 ausgebildet, die mit der Rückstellfeder 24 gegen die Schieberbüchse 20 abgestützt ist. Diese Rückstellfeder 24 spannt den Regelschieber 21 in die rechie Endlagenposition vor.

Über die zylindrische Erweiterung des vorderen Endes des Regelschiebers 21 ist der als topl'förmiger Hohlzylinder ausgebildete Ventilkörper 15 geschoben und mit Hilfe der P-Glied-Feder 14 gegen den Stellkolben 10 abgestützt. Der topfförmige Hohlzylinder ist seinerseits in einer zylindrischen Ausnehmung der Schieberhülse 20 geführt. Die Bodenfläche der zylindrischen Ausnehmung ist derart vertieft, daß sich zwischen dem topfförmigen Hohlkörper und der Schieberhülse ein Hohlraum ergibt, der den Ventilraum 17 des Plattenüberströmventils bildet. Die Überströmkante dieses Plattenüberströmventils wird durch eine konzentrisch zum Regelschieber 21 verlaufende Erhebung 44 gebildet, die mit einer schmalen Ringfläche am topfförmigen Hohlzylinder durch die Vorspannung der P-Glied-Feder 14 zur Anlage kommt.

Das über dem Steueröianschiuß 40 zugeführte Steueröl fließt in einen auf der Außenseite der Schieberbüchse 20 angeordneten Ringraum 45 und wird von dort aus über Bohrungen 46 zu den Steuerschlitzen 47 geführt. Über die diesem Steuerschlitz zugeordnete Stellschieberkante wird das Steueröl bei einer entsprechenden Stellung des Regelschiebers dem Steuerschlitz 35 zugeführt, der mit der Leitung 34 zur Rückseite des Stellkolbens 10 in Verbindung steht. Über einen weiteren Steuerschlitz 48 kann bei einer entsprechenden Stellung des Regelschiebers öl aus der Leitung 34 über einen nicht dargestellten Auslauf abfließen. Eine in Längsrichtung der Schieberbüchse verlaufende Bohrung verbindet die das Steueröl führende Bohrung 46 mit dem Ventilraum 17. Diese Bohrung ist durch die zwischengeschaltete Drossel 33 in zwei Abschnitte 51 und 52 unterteilt. In dem Abschnitt 51 wirkt der Steueröldruck, wogegen sich im Abschnitt 52 entsprechend der über die Drossel 33 zufließenden und über die Überströmkante 44 abfließenden ölmenge der Druck einstellt, der der Federkraft entspricht, mit welcher der topfförmige Hohlzylinder gegen die Überströmkante gedrückt wird. Von dem Abschnitt 52 aus verläuft als Drosselstrecke 31 eine dünne Bohrung in einen auf der Außenfläche der Schieberbüchse 20 verlaufenden Ringraum 53. Dieser Ringraum steht einerseits über eine Anschlußbohrung 54 mit dem Ablaufventil 32 und andererseits über eine querverlaufende, winklig abgesetzte Bohrung 55 mit einer zum Rückführraum 27 führenden Bohrung 56 im Regelschieber in Verbindung, in der abgesetzten Bohrung 55 ist eine Rückführdämpfungsdrossel 58 angeordnet, mit der das Abschlüpfen der Rückführung einstellbar ist.

Der Aufbau des Ablaufventils 32 ist aus der Darstellung im Schnitt erkennbar. In einem Einstellbolzen 60 ist eine Zentrumsbohrung 61 angebracht, die zum Ölsumpf hin offen ist Quer zur Zentrumsbohrung verläuft ein Kegelschlitz 62, der in die Zentrumsbohrung mündet und in derselben Höhe wie die Anschlußbohrung 54 angesetzt ist. Durch Drehen des Einstellbolzens kann somit der Durchflußquerschnitt des Ablaufventils 32 von einem maximalen, dem Durchmesser der Anschlußbohrung entsprechenden Querschnitt bis zum Querschnitt Null verändert werden, je nachdem, ob der Kegelschlitz mit der Anschlußbohrung fluchtet bzw. dieser gegenüberliegend angeordnet ist.

Zum Betätigen des Regelschiebers wird über einen Impulsölanschluß 41 der Impulsdruck vom Meßwerk des Drehzahlreglers zugeführt, der in der Kammer 43 entsprechend den vorausstehend gemachten Erläuicrungen auf die Kreisfläche 42 des Regelschiebcrs 41 wirkt. Die Wirkungsweise des Hydraulikstellmotors ist die gleiche, wie sie anhand des Prinzipschaltbilds gemäß

F i g. 1 erläutert wurde.

Das in F i g. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel läßt erkennen, daß die Erfindung mit verhältnismäßig einfachen Mitteln für einen Hydraulik-Stellmotor zu verwirklichen Lst, wobei die gewünschte Anpassung des Reglers an die betrieblichen Anforderungen in einfachster Weise durch Drehen des Einstellbolzens 60 erfolgen kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   J. Hydraulik-Stellmotor mit einer auf einen Regelschieber über ein einen Ventilraum und insbesondere einen Ventilkörper aufweisenden Druckregelventil und einen Rückführraum wirkenden hydraulischen sowie mechanischen Rückführung mit Proportionalverhalten, wobei der Öldruck im Rückführraum über das Druckregelventil beeinflußbar ist, dadurch gekennzeichnet,

   — daß der den eingestellten Druck führende Ventilraum des Druckregelventils (17) über eine Drossel (31) mit dem Rückführraum (27) verbunden ist,

   — und daß an den Rückführraum (27) ein verstellbares Ablaufventil (32) angeschlossen ist
2. 2. Hydraulik-Stellmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   — daß der Ventilkörper (15) des Druckregelventils aus einem topfförmigen Hohlzylinder besteht, welcher in einer zylindrischen Ausnehmung der den Regelschieber aufnehmenden Schieberbüchse (20) gehaltert ist und gegen eine Überströmkante (44) an der Stirnseite der Schieberbüchse (20) unter Ausbildung des Ventilraumes (17) anliegt;

   — daß der Regelschieber (21) mit einer zylindrischen Erweiterung in den Hohlzylinder eingreift und in seiner zylindrischen Erweiterung mit dem vom Rückführkolben (26) verschlossenen Rückführraum (27) versehen ist;

   — und daß die Verbindungsleitung (30) vom Ventilraum (17) zum Rückführraum (27) über Bohrungen (56, 55, 31, 52) im Regelschieber und der Schieberbüchse sowie einen an der Außenseite der Schieberbüchse angeordneten Ringraum (53) verläuft, wobei der Ringraum mit dem über eine Drossel (33) an die Steuerölversorgung angeschlossenen Ventilraum (17) über eine als Drosselstrecke ausgebildete Bohrung (31) verbunden ist und ferner mit dem Ablaufventil (32) über eine Anschlußbohrung (54) in Verbindung steht.
3. 3. Hydraulik-Stellmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

   — daß das Ablaufventil (32) aus einem im Gehäuse (11) drehbar gelagerten Einstellbolzen (60) besteht, der mit einer Zentrumsbohrung (61) sowie einem in die Mantelfläche eingearbeiteten und in die Zentrumsbohrung mündenden Kegelschlitz (62) versehen ist,

   — und daß der Kegelschlitz an der Anschlußbohrung (54) zum Ringraum (53) vorbeidrehbar ist.