DE4418132A1 - Hydraulischer Klappenantrieb für Absperrklappen, Umschaltklappen o. dgl. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Klappen­ antrieb für Absperrklappen, Umschaltklappen o. dgl. Klappen zum Absperren gasförmiger Medien in Kanälen mit großen Kanalquerschnitten, mit einem im Heißgas­ strom liegenden Spannhebelmechanismus mit einer Antriebswelle und zumindest einem Hydraulik-Zylinder, der in einem Festpunkt angelenkt ist und dessen Kolbenstange an einem auf der Antriebswelle befestigten Antriebshebel angelenkt ist.

Bei hydraulischen Klappenantrieben mit innenliegendem Spannhebelmechanismus taucht stets das Problem auf, daß unterschiedliche Erwärmungen der Bauteile zu unerwünschten Klappenverstellungen oder Beschädigungen an den Bauteilen führen können. Denn aus den unterschiedlichen Erwärmungen resultieren unter­ schiedliche Dehnungserscheinungen, die sich ganz extrem bei großen Absperrklappen oder Umschaltklappen für beispielsweise Gasturbinenanlagen auswirken. Die Klappenkonstruktionen weisen regelmäßig ein innen isoliertes Gehäuse auf. Außerdem sind der oder die Flügel selbst zur Verringerung von Abstrahlungs­ verlusten ebenfalls isoliert. Aufgrund solcher Isolierungen tritt an dem Gehäuse kaum eine Temperaturlängung auf. Die isolierte Klappe nimmt eine Temperatur von max. 200°C bis 300°C an und erfährt damit vom Klappenscharnier bis zum Angriffspunkt des Spannhebelmechanismus eine Längung. Sämtliche Bauteile, die dem Heiß- bzw. Rauchgasstrom ausgesetzt sind wie beispielsweise Spannhebel, Spannstangen und die Antriebswelle nehmen verhältnismäßig schnell deutlich höhere Temperaturen von 500°C bis 600°C an. Daraus resultiert eine erhebliche Längendehnung, die zu einem an dem Spannhebelmechanismus angreifenden zusätzlichen Drehmoment im Schließsinne der Klappe führt. Dieses Drehmoment kann folglich sowohl auf die Spannhebel als auch Spannstangen, aber über die Antriebswelle insbesondere auch auf deren Antrieb eine schädigende Wirkung ausüben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydraulischen Klappenantrieb für Absperrklappen, Umschaltklappen oder dergleichen Klappen der eingangs beschriebenen Ausführungsform zu schaffen, bei dem aus Wärmedehnungen entstehende Drehmomente kompensiert werden und nicht länger eine Schadenswirkung auf den Klappenantrieb ausüben können.

Diese Aufgabe löst die Erfindung bei dem gattungs­ gemäßen Klappenantrieb dadurch, daß die Kolbenstange des Hydraulik-Zylinders als geteilte Kolbenstange mit einem zwischengeschalteten Federelement ausgebildet ist. Im Rahmen der Erfindung besteht auch die Möglichkeit, daß der Hydraulik-Zylinder unter Zwischenschaltung eines Federelementes in dem Festpunkt angelenkt ist. - Diese Maßnahmen der Erfindung haben zur Folge, daß das Federelement solche Rückstell-Drehmomente kompensiert, welche aus Längen­ änderungen des hocherwärmten Spannhebelmechanismus resultieren, wenn sich die Klappe auf ihrem Dichtsitz in Schließstellung befindet. Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß die Hydraulik-Flüssigkeit für die Betätigung des Hydraulik-Zylinders inkompressibel ist. Nach einer Empfehlung der Erfindung mit selbständiger Bedeutung ist das Feder­ element als eine zwischengeschaltete Zylinderkolben­ anordnung ausgebildet, wobei an dem einen Teilungsende der Kolbenstange der Zylinder koaxial befestigt ist und das andere Teilungsende in den Zylinder eintaucht und einen in dem Zylinder geführten Kolben aufweist, und daß der Kolben beidseitig gegen jeweils eine Druckfeder abgestützt ist, so daß die auftretenden Rückstell-Drehmomente bei jeder Klappenschließstellung aufgenommen werden, gleichgültig ob beispielsweise ein Bypasskanal oder ein im 90° Winkel dazu angeordneter Abhitzekanal mittels der betreffenden Absperr- oder Umschaltklappe abgesperrt werden. Das gilt auch für die andere Ausführungsform, bei welcher das zwischen dem Hydraulik-Zylinder und dem Festpunkt zwischen­ geschaltete Federelement ebenfalls als Zylinderkolben­ anordnung ausgebildet ist, wobei der Zylinder koaxial am Boden des Hydraulik-Zylinders befestigt ist, die Kolbenstange der Zylinderkolbenanordnung im Bereich des Festpunktes angelenkt ist und der Kolben der Zylinderkolbenanordnung beidseitig von jeweils einer Druckfeder beaufschlagt ist.

Die Lehre der Erfindung umfaßt auch eine Ausführungsform, bei welcher der Antriebshebel auf der Antriebswelle schwenkbar gelagert ist und neben dem Antriebshebel ein Festhebel auf der Antriebswelle befestigt ist, also drehfest mit der Antriebswelle verbunden ist, wobei zwischen dem Antriebshebel und dem Festhebel ein Federelement angeordnet ist. In diesem Fall werden also die Rückstell-Drehmomente von dem Federelement zwischen dem Antriebshebel und dem Festhebel aufgenommen. Für diese Ausführungsform sieht die Erfindung vor, daß das Federelement als eine Zylinderkolbenanordnung mit einer einseitig aus dem Zylinder austretenden Kolbenstange ausgebildet ist, daß die Kolbenstange an dem Festhebel und der Zylinder an dem Antriebshebel angelenkt ist, daß die Kolbenstange einen Kolben aufweist und daß der Kolben in dem Zylinder beidseitig von jeweils einer Druckfeder beaufschlagt ist.

Nach einem anderen Lösungsvorschlag der Erfindung, der nicht nur für einen hydraulischen Klappenantrieb, sondern auch für einen elektrischen Klappenantrieb geeignet ist, lehrt die Erfindung mit selbständiger Bedeutung, daß die Antriebswelle als geteilte Welle ausgebildet ist und die beiden koaxialen Wellenabschnitte mittels einer dreh­ elastischen Kupplung miteinander gekuppelt sind. In diesem Fall wird das erforderliche Antriebsdrehmoment mittels der drehelastischen Kupplung übertragen. Bei Rückstell- Drehmomenten erfolgt eine ausgleichende Drehbewegung des klappennahen Wellenabschnittes, welcher durch die Drehelastizität der Kupplung ausgeglichen wird. Der hydraulische oder elektrische Klappenantrieb selbst dagegen behält seine fixe Position bei. Vorzugsweise ist auf den benachbarten Enden der Wellenabschnitte jeweils ein Kupplungsteil befestigt und sind die beiden Kupplungsteile mittels Federelementen gekuppelt. Bei diesen Federelementen kann es sich um Druck- oder Torsionsfedern handeln. Nach bevorzugter Ausführungsform ist jedoch vorgesehen, daß die beiden Kupplungsteile achssymmetrische und ausgerichtete Kupplungsringe und Kupplungshebel mit sich übergreifenden Gehäuseteilen aufweisen, die sich zu Lagergehäusen für darin mit vorgegebenem Federspiel eingelagerte Druckfedern ergänzen. Die Druckfedern können mit vorgegebener Federspannung in die Lagergehäuse eingesetzt werden.

Nach den geltenden Sicherheitsrichtlinien erhalten Absperrklappen und insbes. Umschaltklappen eine Blockiervorrichtung, mit welcher die Schließstellung z. B. "Kessel Zu" blockiert werden muß, wenn Personal am Kessel arbeitet und eine Fehlöffnung verhindert werden muß. Bei dieser Blockierung handelt es sich um eine mechanische Einrichtung, welche die betreffende Klappe festsetzt. Auch bei dieser Blockiervorrichtung tritt das Problem auf, daß temperaturbedingte Längungen ein Rückstell-Drehmoment verursachen, für welche ebenfalls eine Ausgleichsmöglichkeit vorgesehen werden muß. Dazu kann zwar ebenfalls die vorbehandelte drehelastische Kupplung eingesetzt werden. Nach einem anderen Vorschlag der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß auf der Antriebswelle ein Hebelarm befestigt ist, der unter Bildung eines Drehbegrenzers zwischen einem ortsfesten Endanschlag und einem federelastisch gelagerten Anschlagbolzen eingreift. Der Endanschlag ist vorzugsweise als einstellbarer Anschlag, z. B. Schraubenbolzen in einer Gewindebohrung mit Kontermutter ausgebildet. Weiter sieht die Erfindung vor, daß der Anschlagbolzen in einer Führungsbuchse gelagert und von einer Druckfeder beaufschlagt ist, daß das bolzenferne Ende der Führungsbuchse als Gewindebuchse für eine Blockierspindel ausgebildet ist und daß mittels der Blockierspindel die Federkraft bzw. der Federweg des Anschlagbolzens in Abhängigkeit von den jeweils auftretenden Temperaturen und daraus resultierenden Rückstell-Drehmomenten einstellbar ist. Die Blockierspindel und der Endanschlag sind zweckmäßigerweise koaxial in einem U-förmigen Halter bzw. dessen U-Schenkel gelagert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Umschaltklappe in schematischer Darstellung sowie die Differenz-Dehnungen unterschiedlich warmer Bauteile,

Fig. 2 einen hydraulischen Klappenantrieb für die Antriebswelle der Umschaltklappe nach Fig. 1 in schematischer Darstellung,

Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform des Gegen­ standes nach Fig. 2,

Fig. 4 eine weitere abgewandelte Ausführungsform des Gegenstandes nach Fig. 2,

Fig. 5 eine Aufsicht auf den Gegenstand nach Fig. 4,

Fig. 6 einen hydraulischen Klappenantrieb mit einer drehelastischen Kupplung für die Antriebswelle in schematischer Darstellung und

Fig. 7 eine Blockiervorrichtung für die Antriebswelle in schematischer Darstellung.

In den Figuren ist ein hydraulischer Klappenantrieb für Absperrklappen oder Umschaltklappen 1 zum Absperren gasförmiger Medien in Kanälen 2 mit großen Kanalquerschnitten dargestellt, und zwar in einem Heißgas- bzw. Rauchgasstrom liegenden Spannhebel­ mechanismus 3 mit einer Antriebswelle 4 und zumindest einem Hydraulik-Zylinder 5, der in einem Festpunkt 6 angelenkt ist und dessen Kolbenstange 7 an einem auf der Antriebswelle 4 angeordneten Antriebshebel 8 angelenkt ist.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Umschaltklappe 1 wird die Klappe vor dem Starten einer Gasturbine über den innenliegenden Spannhebelmechanismus 3 in die Schließstellung 11 gefahren. Alle Bauteile sind kalt. Nach dem Starten der Gasturbine gelangt der Rauchgasstrom durch den Bypasskanal 2 ins Freie. Aufgrund der Innenisolierung tritt an dem Gehäuse 9 keine wesentliche Temperaturlängung auf. Die isolierte Umschaltklappe 1 nimmt eine Temperatur von ca. 200°C bis 300°C an und erfährt damit von dem angedeuteten Klappenscharnier 10 bis zum Angriffspunkt des Spannhebelmechanismus (Strecke A-B) eine Längung von Δl₁. Sämtliche Bauteile, die dem Rauchgasstrom ausgesetzt sind - insbesondere der Spannhebelmechanismus 3 mit der Antriebswelle 4 - nehmen sehr schnell die hohe Temperatur des Turbinenabgases und folglich Rauchgases ein, die 500°C bis 600°C beträgt. Daraus resultiert die Wärmedehnung Δl₂ » l₁. Der Spannhebelmechanismus 3 bildet mit dem Klappenscharnier 10 eine Gelenkkette A-B-C-D, bei welcher die Punkte A, B und D konstruktiv bedingt festliegen. Die Wärmedehnung der Strecke B-C und C-D hat zur Folge, daß eine Bewegung der Stange C-D entgegen dem Uhrzeigersinn auftritt. Durch diese Wärmedehnung entsteht ein Drehmoment M₁, das sowohl auf dem Spannhebelmechanismus 3 als auch auf dem Klappenantrieb eine schädigende Wirkung ausüben kann und folglich kompensiert werden muß.

Das gelingt bei den in den Fig. 2 und 3 darge­ stellten Ausführungsbeispielen, bei denen der Antriebs­ hebel 8 drehfest mit der Antriebswelle 4 verbunden ist, dadurch, daß die Kolbenstange 7 als geteilte Kolbenstange mit einem zwischengeschalteten Federelement 11 ausgebildet ist oder der Hydraulik-Zylinder 5 unter Zwischenschaltung eines Federelementes 11 in dem Festpunkt 6 angelenkt ist. In beiden Fällen ist das Federelement als eine zwischengeschaltete Zylinderkolbenanordnung 11 ausgebildet. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist an dem einen Teilungsende 7a der Kolbenstange 7 der Zylinder 12 koaxial befestigt, während das andere Teilungsende 7b in den Zylinder eintaucht und einen in dem Zylinder 12 geführten Kolben 13 aufweist. Der Kolben 13 ist beidseitig gegen jeweils eine Druckfeder 14 abgestützt. Der Kolbenstangen­ abschnitt mit dem Teilungsende 7b und der Kolben 13 können ein eigenes Bauteil der Zylinderkolbeneinheit 11 bilden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist der Zylinder 12 koaxial am Boden des Hydraulik-Zylinders 5 befestigt. Die Kolbenstange 15 der Zylinderkolbenanordnung 11 ist im Bereich des Festpunktes 6 angelenkt. Der Kolben 13 dieser Zylinderkolbenanordnung 11 ist wiederum beidseitig von jeweils einer Druckfeder 14 beaufschlagt.

Bei der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsform ist die Kolbenstange 7 des Hydraulik-Zylinders 5 an einem auf der Antriebswelle 4 schwenkbar gelagerten Antriebshebel 8 angelenkt. Neben diesem Antriebshebel 8 ist ein Festhebel 16 auf der Antriebswelle 4 befestigt bzw. drehfest mit dieser verbunden. Zwischen dem Antriebshebel 8 und dem Festhebel 16 ist ein Federelement 11 angeordnet. Das Federelement ist als eine Zylinderkolbenanordnung 11 mit einer einseitig aus dem Zylinder 12 austretenden Kolbenstange 15 ausgebildet. Die Kolbenstange 15 ist an dem Festhebel 16 und der Zylinder 12 an dem Antriebshebel 8 angelenkt. Die Kolbenstange 15 weist einen Kolben 13 auf. Der Kolben 13 ist in dem Zylinder 12 wiederum beidseitig von jeweils einer Druckfeder 14 beaufschlagt.

Nach der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform, die nicht nur für einen hydraulischen Klappenantrieb, sondern auch für einen elektrischen Klappenantrieb geeignet ist, ist die Antriebswelle 4 als geteilte Welle ausgebildet. Die beiden koaxialen Wellenabschnitte 4a, 4b sind mittels einer drehelastischen Kupplung 17 miteinander gekuppelt. Auf den benachbarten Enden der Wellenabschnitte 4a, 4b ist jeweils ein Kupplungsteil 18a, 18b befestigt. Diese beiden Kupplungsteile 18a, 18b sind mittels zwischengeschalteter Federelemente 11 gekuppelt. Nach dem Ausführungsbeispiel weisen die beiden Kupplungsteile 18a, 18b achssymmetrische und ausgerichtete Kupplungshebel 19 mit sich übergreifenden Gehäuseteilen 20 auf, die sich zu Lagergehäusen für darin mit vorgegebenem Federspiel eingelagerte Druckfedern 14 ergänzen. Die Kupplungshebel 19 sind als Querarme ausgebildet und bilden mit den Lagergehäusen und den Druckfedern 14 praktisch eine zweiarmige drehelastische Kupplung.

In Fig. 7 ist eine Blockiervorrichtung für die Antriebswelle 4 dargestellt. Dazu ist auf der Antriebswelle 4 ein Hebelarm 21 befestigt, der unter Bildung eines Drehbegrenzers zwischen einem ortsfesten Endanschlag 22 und einem federelastisch gelagerten Anschlagbolzen 23 eingreift. Der Endanschlag 22 ist ein einstellbarer Anschlag, z. B. Schraubenbolzen in einer Gewindebohrung und mit einer Kontermutter 24 ausgebildet. Der Anschlagbolzen 23 ist in einer Führungsbuchse 25 gelagert und von einer Druckfeder 14 beaufschlagt. Das bolzenferne Ende der Führungsbuchse 25 ist als Gewindebuchse 26 bzw. Spindelmutter für eine Blockierspindel 27 ausgebildet. Mittels der Blockierspindel 27 ist die Federkraft der Druckfeder 14 bzw. der Federweg des Anschlagbolzens 23 in Abhängigkeit von den jeweiligen Temperatur­ verhältnissen und folglich von den zu kompensierenden Rückstell-Drehmomenten einstellbar. Die Blockier­ spindel 27 und der Endanschlag 22 sind koaxial in einem U-förmigen Halter 28 bzw. in dessen horizontal angeordneten U-Schenkeln gelagert, wobei der U-Schenkel für die Blockierspindel 27 zugleich deren Spindelmutter bildet. Außerdem kann ein Hubbegrenzer 29 für die Blockierspindel 27 vorgesehen sein.

Claims (14)

1. Hydraulischer Klappenantrieb für Absperrklappen, Umschaltklappen o. dgl. Klappen zum Absperren gasförmiger Medien in Kanälen mit großen Kanalquerschnitten, mit einem im Heißgasstrom liegenden Spannhebelmechanismus mit einer Antriebswelle und zumindest einem Hydraulik-Zylinder, der in einem Festpunkt angelenkt ist und dessen Kolbenstange an einem auf der Antriebswelle befestigten Antriebshebel angelenkt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (7) als geteilte Kolbenstange mit einem zwischengeschalteten Federelement (11) ausgebildet ist.

2. Hydraulischer Klappenantrieb für Absperrklappen, Umschaltklappen o. dgl. Klappen zum Absperren gasförmiger Medien in Kanälen mit großen Kanalquerschnitten, mit einem im Heißgasstrom liegenden Spannhebelmechanismus mit einer Antriebswelle und zumindest einem Hydraulik-Zylinder, der in einem Festpunkt angelenkt ist und dessen Kolbenstange an einem auf der Antriebswelle befestigten Antriebshebel angelenkt ist, dadurch gekennzeichnet daß der Hydraulik-Zylinder (5) unter Zwischenschaltung eines Federelementes (11) in dem Festpunkt (6) angelenkt ist.

3. Klappenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement als eine zwischengeschaltete Zylinderkolbenanordnung (11) ausgebildet ist, daß an dem einen Teilungsende (7a) der Kolbenstange (7) der Zylinder (12) koaxial befestigt ist und das andere Teilungsende (7b) in den Zylinder (12) eintaucht und einen in dem Zylinder (12) geführten Kolben (13) aufweist, und daß der Kolben (13) beidseitig gegen jeweils eine Druckfeder (14) abgestützt ist.

4. Klappenantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Federelement als zwischengeschaltete Zylinderkolbenanordnung (11) ausgebildet ist, daß der Zylinder (12) koaxial am Boden des Hydraulik-Zylinders (5) befestigt ist, daß die Kolbenstange (15) der Zylinderkolbenanordnung (11) im Bereich des Festpunktes (6) angelenkt ist und daß der Kolben (13) der Zylinderkolbenanordnung (11) beidseitig von jeweils einer Druckfeder (14) beaufschlagt ist.

5. Hydraulischer Klappenantrieb für Absperrklappen, Umschaltklappen oder dgl. Klappen zum Absperren gasförmiger Medien in Kanälen mit großen Kanal­ querschnitten, mit einem im Heißgasstrom liegenden Spannhebelmechanismus mit einer Antriebswelle und zumindest einem Hydraulik-Zylinder, der in einem Festpunkt angelenkt ist und dessen Kolbenstange an einem auf der Antriebswelle angeordneten Antriebshebel angelenkt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der gelagert ist, daß neben dem Antriebshebel (8) ein Festhebel (16) auf der Antriebswelle (4) befestigt ist und daß zwischen dem Antriebshebel (8) und dem Festhebel (16) ein Federelement (11) angeordnet ist.

6. Klappenantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement als eine Zylinderkolbenanordnung (11) mit einer einseitig aus dem Zylinder (12) austretenden Kolbenstange (15) ausgebildet ist, daß die Kolbenstange (15) an dem Festhebel (16) und der Zylinder (12) an dem Antriebshebel (8) angelenkt ist, daß die Kolbenstange (15) einen Kolben (13) aufweist und daß der Kolben (13) in dem Zylinder (12) beidseitig von jeweils einer Druckfeder (14) beaufschlagt ist.

7. Hydraulischer oder elektrischer Klappenantrieb für Absperrklappen, Umschaltklappen o. dgl. Klappen zum Absperren gasförmiger Medien in Kanälen mit großen Kanalquerschnitten, mit einem im Heißgasstrom liegenden Spannhebelmechanismus mit einer Antriebswelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (4) als geteilte Welle ausgebildet ist und die beiden koaxialen Wellenabschnitte (4a, 4b) mittels einer drehelastischen Kupplung (17) miteinander gekuppelt sind.

8. Klappenantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf den benachbarten Enden der Wellenabschnitte (4a, 4b) jeweils ein Kupplungsteil (18a, 18b) befestigt ist und die beiden Kupplungsteile mittels Federelementen (11) gekuppelt sind.

9. Klappenantrieb nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kupplungsteile (18a, 18b) achssymmetrische und ausgerichtete Kupplungsringe oder Kupplungshebel (19) mit sich übergreifenden Gehäuseteilen (20) aufweisen, die sich zu Lager­ gehäusen für darin mit einem vorgegebenen Federspiel eingelagerte Druckfedern (14) ergänzen.

10. Klappenantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Antriebswelle (4) ein Hebelarm (21) befestigt ist, der unter Bildung eines Drehbegrenzers zwischen einem ortsfesten Endanschlag (22) und einem federelastisch gelagerten Anschlagbolzen (23) eingreift.

11. Klappenantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Endanschlag (22) als einstellbarer Anschlag, z. B. Schraubenbolzen ausgebildet ist.

12. Klappenantrieb nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlagbolzen (23) in einer Führungsbuchse (25) gelagert und von einer Druckfeder (14) beaufschlagt ist, daß das bolzenferne Ende der Führungsbuchse (25) als Gewindebuchse (26) für eine Blockierspindel (27) ausgebildet und daß mittels der Blockierspindel (27) der Federweg des Anschlagbolzens (23) einstellbar ist.

13. Klappenantrieb nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockierspindel (27) und der Endanschlag (22) koaxial in einem U-förmigen Halter (28) gelagert sind.

14. Klappenantrieb nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydraulik-Zylinder (5) an einen Hydraulikschaltkreis zumindest einem Druckbegrenzungsventil und einem Speicher für Hydraulik-Flüssigkeit angeschlossen ist.