DE3826592A1 - Einrichtung zur betaetigung einer schnellschlussklappe - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Betä­ tigung einer Schnellschlußklappe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. In einer Dampfzuleitung zu einer Arbeitsmaschine, insbesondere einer Dampfturbine, sind im allgemeinen Schnell­ schlußarmaturen angeordnet, die im Falle einer Störung in kür­ zester Zeit die Dampfströmung unterbrechen sollen. Stellzeiten für solche Schnellschlußarmaturen liegen in Schließrichtung in der Größenordnung von 100 Millisekunden, während in Öffnungs­ richtung beispielsweise etwa 10 Sekunden Stellzeit gefordert werden. Eine Schnellschlußarmatur kann als Kegelsitzventil oder als etwa mittig gelagerte Klappe ausgeführt sein.

In einem Prospekt "Klinger-Information" mit der Nr. AIC-10.84- 2 B-Nr. 168, der Rich. Klinger GmbH, D-6270 Idstein/Taunus, wird eine Hochleistungsklappe beschrieben, deren prinzipiel­ ler Aufbau sich auch für die Verwendung als Schnellschlußklappe eignet. Diese Klappe ist doppelexzentrisch gelagert, was zur Folge hat, daß sich in geschlossener Stellung durch den anste­ henden Differenzdruck ein großes Drehmoment in Schließrichtung ergibt, welches beim Öffnen überwunden werden muß. Andererseits ist zum Schließen kein großes Stellmoment erforderlich, da im Falle des Vorhandenseins einer Dampfströmung in der Dampflei­ tung das Schließmoment von dieser verstärkt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Ein­ richtung zur Betätigung einer Schnellschlußklappe, welche die geforderten kurzen Schließzeiten bei minimalem Verschleiß und hoher Betriebssicherheit ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine gattungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Wesentlich hierbei ist, daß zwei getrennte mechanische Mittel für die beiden Bewegungsrichtungen der Schnellschlußklappe vorgesehen sind, welche immer beide gleichzeitig in Eingriff sind. Wie bei sicherheitstechnisch relevanten Armaturen üb­ lich, werden dabei federbelastete mechanische Mittel in Schließrichtung verwendet und hydraulische für die Bewegung in Öffnungsrichtung. Dadurch, daß beide Mittel in entgegen­ gesetzten Richtungen gleichzeitig in Eingriff sind, wird jedes Spiel in der Mechanik vermieden, wodurch selbst bei einer Momentenumkehr und hohen Betätigungsgeschwindigkeiten im Falle des Schließens kein großer Verschleiß auftreten kann.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen beschrieben. Bevorzugt werden Zahnstangen im Zu­ sammenwirken mit einem auf dem Ende der Drehwelle befestigten Ritzel verwendet. Dabei ist es aus Gründen der symmetrischen Belastung des Ritzels besonders günstig, Paare von auf gegen­ überliegenden Seiten des Ritzels angreifenden Zahnstangen für jede der beiden mechanischen Bewegungsrichtungen zu verwenden.

Dabei können die Zahnstangen bis auf den gezähnten Bereich im Querschnitt etwa zylindrisch geformt sein und in zum Ritzel hin offenen Buchsen geführt werden. Dabei kann es besonders vorteilhaft sein, wenn zwischen den Zahnstangen und den diese bewegenden Federn bzw. Hydraulikzylindern nur ein Kraftkontakt besteht, nicht aber eine feste Verbindung. Auf diese Weise bleibt die Mittenführung von Federn bzw. Hydraulikzylinder un­ beeinflußt von einem eventuellen Führungsverschleiß der Zahn­ stangen in den Buchsen.

Weitere erfindungsgemäße Einzelheiten der mechanischen Teile der Einrichtung werden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Gemäß dem Anspruch 6 können die Kräfte, die zum Öffnen einer Schnellschlußklappe, an der ein großer Differenzdruck ansteht, notwendig sind, durch eine Zusatzeinrichtung erheblich ver­ ringert werden, was eine deutliche Verkleinerung der hydrau­ lischen Teile der Öffnungsmechanik zur Folge hat. Eine solche Zusatzeinrichtung eignet sich dann, wenn hinter einer Schnell­ schlußklappe noch ein Steuerventil angeordnet ist, was bei Dampfturbinen im allgemeinen der Fall ist. Bei geschlossener Schnellschlußklappe wird normalerweise auch das nachgeordnete Steuerventil geschlossen. Dieses Steuerventil hat jedoch einen Leckagedurchfluß, so daß an der Schnellschlußklappe ein gro­ ßer Differenzdruck ansteht. Durch eine Umgehungsleitung, wel­ che die Schnellschlußklappe überbrückt, kann dieser Differenz­ druck ausgeglichen werden. Die Umgehungsleitung muß dabei min­ destens ein Absperrorgan aufweisen, damit diese im Schnell­ schlußfalle ebenfalls abgesperrt werden kann. Aus Sicher­ heits- bzw. Redundanzgründen werden meist mindestens zwei Absperrorgane hintereinander angeordnet. Durch Öffnen der Ab­ sperrorgane in der Umgehungsleitung vor dem Öffnen der Schnell­ schlußklappe kann ein Druckausgleich vor und hinter der Schnell­ schlußklappe hergestellt werden. Dadurch läßt sich diese mit we­ sentlich geringeren Momenten öffnen. Hierzu sollten die Um­ gehungsleitung und deren Absperrorgane mindestens für einen Dampfdurchfluß ausgelegt sein, der etwas größer als der Leckage­ durchfluß des nachgeschalteten Stellventils in geschlossenem Zustand ist.

Um einen Verschleiß der Schnellschlußklappe selbst und von deren Dichtung zu vermindern, betrifft eine weitere Ausgestal­ tung der Erfindung den gedämpften Einlauf des Klappentellers in die Schließendstellung. Durch die vorhandenen zwei getrenn­ ten Mittel zum Öffnen bzw. Schließen der Schnellschlußklappe bietet sich die Möglichkeit, die zunächst zum Öffnen vorhande­ nen hydraulischen Mittel auch dazu einzusetzen, einen gedämpften Einlauf des Klappentellers in die Schließendstellung zu bewirken. Der Schließvorgang wird zunächst dadurch ausgelöst, daß für das in den Hydraulikzylindern vorhandene Hydraulikfluid über Ventile ein Auslaß geöffnet wird. In der ersten Phase des Schließvor­ ganges ist es dabei erwünscht, daß das Hydraulikfluid möglichst schnell aus den Hydraulikzylindern austreten kann. Zur Reduzie­ rung der Schließgeschwindigkeit kurz vor der Schließendstellung kann jedoch im Antrieb ein Gegenmoment dadurch bewirkt werden, daß der aus den Hydraulikzylindern ausgeschobene Hydraulikfluid­ strom verringert wird. Diese Verringerung kann vorzugsweise dreh­ winkelabhängig erfolgen ab einem bestimmten, einstellbaren Dreh­ winkel der Drehwelle, beispielsweise 79°. Ein Teil des drehwin­ kelabhängigen Schließmomentes, dem das Dämpfungsmoment entgegen­ wirken muß, ist das vom Differenzdruck an der Klappe abhängige Strömungsmoment. Je nach Lastzustand der Gesamtanlage, bei dem der Schnellschluß der Klappe erfolgt, ist daher das Schließmo­ ment und damit der Öldruck im Hydraulikzylinder während des Dämpfungsvorganges ein anderer. Deshalb wird in der erfindungs­ gemäßen Ausführung der Dämpfungseinrichtung vorzugsweise eine Abströmdrossel durch das Vorschalten mindestens einer hydrauli­ schen Druckwaage auf konstantem bzw. drehwinkelabhängigem Dif­ ferenzdruck gehalten. Wie anhand der Zeichnung näher erläutert wird, kann durch das Zusammenwirken von einer oder zwei Druck­ waagen mit einer Abströmdrossel eine belastungsunabhängige Dämpfung der Schnellschlußklappe erreicht werden. Dabei können zur Erzielung einer ganz bestimmten Dämpfungscharakteristik die Federvorspannungen der Druckwaagen beispielsweise über eine auf der Drehwelle des Antriebes befestigte Nockenscheibe drehwinkel­ abhängig verändert werden. Alternativ kann auch die Abfangdros­ sel drehwinkelabhängig verstellt werden, wobei die Druckwaagen auf einen fest vorgegebenen Differenzdruck an der Drossel ein­ gestellt werden. So wird ein Schließgeschwindigkeitsverlauf herbeigeführt, der von der maximalen Schließgeschwindigkeit stetig übergeht in eine geringere, für die elastische Dichtung der Schnellschlußklappe noch zulässige Auftreffgeschwindigkeit, und zwar unabhängig vom Schließmoment der Klappe.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigen

Fig. 1 eine schematisierte Gesamtanordnung von Schnellschluß­ klappe und zugehöriger hydraulischer Steuerung und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Schnellschlußklappen- Schaltantrieb.

Fig. 1 zeigt eine aus drei Abschnitten 3 a, 3 b, 3 c bestehende Dampfleitung, deren Abschnitte durch eine Schnellschlußklappe 1 und ein nachgeschaltetes Stellventil 2 voneinander getrennt werden können. Eine Umgehungsleitung 4 umgeht die Schnellschluß­ klappe 1 und verbindet den Leitungsabschnitt 3 a mit dem Ab­ schnitt 3 b. Die Umgehungsleitung 4 ist aus Redundanzgründen mit zwei Absperrventilen 5 a, 5 b versehen, welche gleich­ zeitig mit der Schnellschlußklappe 1 geschlossen werden kön­ nen. Die Umgehungsleitung 4 und deren Absperrorgane 5 a, 5 b sind für einen Dampfdurchfluß dimensioniert, der mindestens etwas größer als der Leckagedurchfluß des geschlossenen Stell­ ventils 2 ist. Schnellschlußklappe 1 und die Absperrventile 5 a, 5 b sind sicherheitsgerichtet federbelastet, so daß sie sich automatisch schließen, wenn es zu Störungen in der Elek­ tronik oder Hydraulik kommt. Die Schnellschlußklappe 1 weist eine Drehwelle 11 auf, welche mindestens an einer Seite durch die Dampfleitung nach außen geführt und mit einem Ritzel 12 an ihrem Ende versehen ist. Mit dem Ritzel 12 stehen zwei Paare von Zahnstangen 13, 14 in Eingriff. Ein Zahnstangenpaar 13 kann dabei von Hydraulik-Öffnungskolben 6, die in Hydraulikzylindern 8 gleiten, betätigt werden und dient zum Öffnen der Schnell­ schlußklappe 11. Ein weiteres Zahnstangenpaar 14, welches völ­ lig unabhängig von dem ersten ist, steht mit Schließfedern 7 in Verbindung und wirkt in Schließrichtung der Schnellschluß­ klappe 1. Zwischen den Zahnstangenpaaren 13, 14 und den Hydrau­ liköffnungskolben 6 bzw. den Schließfedern 7 besteht nur ein Kraftkontakt, so daß die Mittenführung der Hydraulik-Öffnungs­ kolben 6 bzw. Schließfedern 7 nicht durch einen etwaigen Ver­ schleiß in der Führung der Zahnstangen 13, 14 beeinträchtigt wird.

Die bisher beschriebenen Teile sind in der Fig. 1 nur schema­ tisch dargestellt, da diese Figur der Veranschaulichung des zu­ gehörigen hydraulischen Schaltschemas dient. Das zugehörige Hy­ drauliksystem besteht aus einem Behälter 18 mit Hydraulikflüs­ sigkeit, einer Pumpe 19, welche bei Bedarf über nicht näher be­ schriebene Rückschlagventile Hydraulikfluid in einen Speicher 20 bzw. über eine Hydraulikfluid-Zuleitung 21 in die Hydraulik­ zylinder 8 fördert. Auf diese Weise kann die Schnellschlußklap­ pe 1 geöffnet werden und bleibt solange offen, bis dem Hydrau­ likfluid in den Hydraulikzylindern 8 ein Abflußweg geöffnet wird was zur Auslösung des Schnellschlusses führt. Ein solcher Abflußweg ist durch die Ablaufleitungen 22, 25, 28 gegeben, wenn die sicherheitsgerichteten Ablaßventile 24 a, 24 b durch ihre Steuerung 23 a, 23 b geöffnet werden. Diese Ventile und Steuerungen sind aus Redundanzgründen doppelt vorhanden. Gleichzeitig mit den Ventilen 24 a, 24 b öffnen auch die Ven­ tile 34 a, 34 b, welche die Absperrventile 5 a, 5 b in der Um­ gehungsleitung 4 schließen. Ein Schnellschluß soll die Dampf­ leitung 3 a, 3 b, 3 c innerhalb von etwa 100 Millisekunden ab­ sperren. Die hierzu notwendige große Geschwindigkeit der Schnell­ schlußklappe macht es erforderlich, daß das Hydraulikfluid in den Hydraulikzylindern 8 zunächst sehr schnell ausströmen kann. Um jedoch zu vermeiden, daß der Klappenteller der Schnellschluß­ klappe 1 mit großer Geschwindigkeit in die Schließendstellung fährt und dabei Verschleiß oder ein Schaden entsteht, wird ge­ gen Ende des Schließvorganges der aus den Hydraulikzylindern 8 ausgeschobene Hydraulikfluidstrom verringert. Ein Mindeststrom kann zwar immer durch eine Drosselstelle 30 zur Ablaufleitung 28 fließen, jedoch werden anfangs vorhandene Teilströme durch eine Abfangdrossel 27 und eine Drosselstelle 29 sowie durch Druck­ waagen 26 a, 26 b und damit verbundene regelbare Drosselstellen in Abhängigkeit von der Stellung der Drehwelle 11 verändert. Hierzu können nicht dargestellte Nockenscheiben auf der Dreh­ welle 11 befestigt werden, welche über mechanische Stößel die Federvorspannungen von Abfangdrossel 27 bzw. Druckwaagen 26 a, 26 b drehwinkelabhängig verändern. Bei konstanten Bedinungen würde eine verstellbare Abfangdrossel 27, welche beispielswei­ se ab einem Drehwinkel von 79°, d. h. 11° vor der Schließend­ stellung, im Querschnitt stark verkleinert würde, zur Dämpfung des Klappentellers ausreichen. Da jedoch je nach der Dampf­ strömung in der Dampfleitung 3 a, 3 b, 3 c ganz unterschiedliche Schließkräfte auf den Klappenteller wirken können, was unter­ schiedliche Öldrücke im Hydraulikzylinder während des Dämpfungs­ vorganges bewirkt, ist es vorteilhaft, wenn der Abströmdros­ sel 27 eine hydraulische Druckwaage 26 a vorgeschaltet wird, welche den Differenzdruck über der Abströmdrossel 27 auf einem konstanten bzw. vorgebbar drehwinkelabhängigen Wert hält. Da die Arbeitsbereiche bei hydraulischen Druckwaagen begrenzt sind, werden vorzugsweise zwei derartige Einrichtungen 26 a, 26 b parallel geschaltet. So können die beiden Druckwagen beispiels­ weise ab einem Drehwinkel von 80° bzw. 85° mit einer anderen Federvorspannung durch eine Nockenscheibe eingestellt werden, um eine gewünschte Dämpfungscharakteristik unabhängig vom Vor­ druck zu erreichen. Das ausströmende Druckfluid gelangt über die Ablaufleitung 28 wieder in den Behälter 18. Die wesentlich kleineren Absperrventile 5 a, 5 b mit ihren federbelasteten Antrieben 32 a, 32 b benötigen im allgemeinen keine geson­ derte Dämpfungseinrichtung, so daß diese sich beim Öffnen der Ventil 34 a, 34 b sofort schließen. Soll die Schnellschlußklappe 1 wieder geöffnet werden, so wird der Schalter 35 geschlossen und die Pumpe 19 beginnt Hydraulikfluid zu fördern. Dadurch werden die Ventile 24 a, 24 b, 34 a, 34 b geschlossen und über die Ventilsteuerung 31 zunächst die Absperrventilantriebe 32 a, 32 b mit Druckfluid beaufschlagt, so daß die Ventile 5 a, 5 b öffnen. Dadurch entsteht ein Druckausgleich in den Leitungsabschnitten 3 a, 3 b, so daß die Schnellschlußklappe 1 nunmehr leicht durch Betätigung der Hydraulik-Öffnungskolben 6, die ebenfalls mit Druckfluid beaufschlagt werden, geöffnet werden kann. Dabei werden die Federn 7 wieder gespannt, so daß ein Schnellschluß durch Öffnen des Schalters 35 oder einen Ausfall im Hydraulik­ system ausgelöst werden kann.

Der Aufbau des in Fig. 1 nur schematisch dargestellten Schalt­ antriebes der Schnellschlußklappe 1 ist in Fig. 2 im Längs­ schnitt zur Veranschaulichung der Platzverhältnisse detaillier­ ter dargestellt. Auf der Drehwelle 11 ist ein Ritzel 12 ange­ ordnet, mit welchem sich die Zahnstangenpaare 13, 14 in Ein­ griff befinden. Die Zahnstangen 13, 14 werden jeweils in Füh­ rungsbuchsen 15 geführt, welche seitlich nur im Bereich des Rit­ zels 12 offen sind. Die Führungsbuchsen 15 sind in einen Ge­ häuseblock 16 eingearbeitet. Oberhalb des Gehäuseblocks 16 befindet sich ein Steuerungsraum 17, in welchem die Hydraulik­ steuerungen und die übrigen Elemente der hydraulischen Schaltung angeordnet sind. Die Drehwelle 11 ragt in diesen Steuerungs­ raum 17 hinein und kann ggf. dort Nockenscheiben tragen, die sich im Eingriff mit einzelnen Elementen der hydraulischen Schaltung befinden, sofern diese drehwinkelabhängig verändert werden sollen. Seitlich an dem Gehäuseblock 16 befindet sich ein Behälter 18 mit Hydraulikfluid, in welchem eine Pumpe 19 angeordnet ist. Auf der gegenüberliegenden Seite des Ge­ häuseblockes 16 sind Druckspeicher 20 angeordnet. Der gesamte Schaltantrieb 10 ist außerhalb der Dampfleitung 3 a, 3 b, 3 c um die aus dieser herausragende Drehwelle 11 angeordnet.

Die vorliegende Erfindung eignet sich als Antrieb für Schnell­ schlußklappen in Dampfleitungen von Dampfturbinenanlagen, insbesondere auch für hohe Drücke und große Nennweiten der Dampfleitungen.

Claims (12)

1. Einrichtung zur Betätigung einer Schnellschlußklappe (1) in einer Dampfleitung (3 a, 3 b, 3 c), wobei die Schnellschlußklappe (1) in der Dampfleitung (3 a, 3 b, 3 c) auf einer Drehwelle (11), vorzugsweise doppelexzentrisch, angeordnet ist, die einen Dreh­ winkel von etwa 90° hat, und wobei die Drehwelle (11) minde­ stens an einem Ende durch die Wand der Dampfleitung (3 a, 3 b, 3 c) nach außen geführt ist und mindestens an diesem Ende me­ chanische Mittel (12, 13, 14) zum Drehen der Drehachse (11) an­ greifen, gekennzeichnet durch folgende Merk­ male:

• a) An dem Ende (12) der Drehwelle (11) greifen mindestens zwei voneinander getrennte mechanische Mittel (13, 14) zum Um­ wandeln einer linearen in eine Drehbewegung an;
• b) die ersten (13) dieser Mittel sind hydraulisch (6) in Öff­ nungsrichtung wirkende Mittel;
• c) die zweiten (14) dieser Mittel sind durch latente Feder­ kräfte (7) in Schließrichtung wirkende Mittel.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mechanischen Mittel (13, 14) zum Um­ wandeln einer linearen Bewegung in eine Drehbewegung mindestens ein auf der Drehwelle (11) befestigtes Ritzel (12) und damit zusammenwirkende Zahnstangen (13, 14) sind, insbesondere Paare von auf gegenüberliegenden Seiten des Ritzels (12) angreifenden Zahnstangen (13, 14).

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zahnstangen (13, 14) im Querschnitt etwa zylindrisch sind und in zum Ritzel (12) hin offenen Buch­ sen (15) geführt sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die in Öffnungsrichtung wirkenden hydraulischen Mittel (13) Hydraulikzylinder (8) mit Hydraulik- Öffnungskolben (6) sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in Schließrichtung wirken­ den mechanischen Mittel durch Federpakete (7), insbesondere be­ stehend aus Tellerfedern, belastete Zahnstangenpaare (14) sind.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schnellschlußklappe (1) in Reihe mit einem Steuerventil (2) geschaltet ist, welches auf der Seite niedrigeren Dampf­ druckes angeordnet ist, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schnellschlußklappe (1) durch eine Umgehungs­ leitung (4) überbrückt ist, welche vor der Schnellschlußklappe (1) aus der Dampfleitung (3 a) abzweigt, zwischen der Schnell­ schlußklappe (1) und dem Steuerventil (2) wieder in die Dampf­ leitung (3 b) mündet und mindestens ein Absperrorgan (5 a, 5 b), vorzugsweise ein Schnellschlußventil aufweist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Umgehungsleitung (4) mindestens zwei hintereinandergeschaltete, durch Federkraft schließbare Ab­ sperrorgane (5 a, 5 b) aufweist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Umgehungsleitung (4) und die Absperrorgane (5 a, 5 b) für einen Dampfdurchfluß ausgelegt sind, der mindestens etwas größer als der Leckagädurchfluß des ge­ schlossenen Stellventils (2) ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 4, 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikzylinder (8) der Hydraulik-Öffnungskolben (6) über Ablaufleitungen (22, 25, 28), Ablaßventile (24 a, 24 b) und Drosseleinrichtungen (26 a, 26 b, 27, 29, 30) entleerbar sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drosseleinrichtungen mindestens eine Abfangdrossel (27) und mindestens eine Druckwaage (26 a, 26 b) beinhalten, von welchen mindestens eine abhängig von der Stel­ lung der Drehwelle (11) verstellbar ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei parallel geschaltete Druckwaagen (26 a, 26 b) vorhanden sind, welche unterschiedliche Arbeits­ bereiche haben.

12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Drehwelle (11) eine oder mehrere Nockenscheiben befestigt ist (bzw. sind), die zur Verstellung der Abfangdrossel (27) und/oder der Druckwaa­ ge(n) (26 a, 26 b) im Eingriff mit dieser (bzw. diesen) ist (bzw. sind) .