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Umlaufender hydraulischer Servomotor nach Patent 519 121 Das Patent
51g 121 betrifft einen umlaufenden hydraulischen Servomotor, bei dem sowohl der
Arbeitsmittelvorrat als auch die das Arbeitsmittel auf Druck bringende Vorrichtung
in dem umlaufenden System untergebracht sind und für jede Verschiebungsrichtung
des Arbeitskolbens mindestens eine besondere Pumpe vorgesehen ist. Zur Verschiebung'
des Kolbens arbeitet dabei jeweils nur eine der Pumpen b-zw. Pumpengruppen auf Druck,
während die andere entlastet läuft. Die Verschiebungsgeschwindigkeit des Arbeitskolbens
ist der Förderleistung der Pumpe bzw. Pumpengruppe proportional. Wird daher eine
hohe Arbeitsgeschwindigkeit des Servomotors gefordert, so muß durch reichliche Bemessung
der Pumpen eine entsprechend große Förderleistung sichergestellt werden. Dies bringt
jedoch Nachteile insbesondere dann mit sich, wenn der Servomotorkolben dauernd durch
große äußere Kräfte belastet ist, die ihn zu verschieben trachten. Um den Kolben
in einer gegebenen Lage festzuhalten, muß die große Fördermenge der Pumpe zwecks
Aufbringung des Haltedruckes in dauerndem Kreislauf durch den engen Spalt hindurchgetrieben
werden, welchen die Steuerkante freigibt. Die hierbei auftretenden Drosselverluste
bewirken einerseits einen erheblichen Leistungsverbrauch für den Servomotor, andererseits
rufen sie eine starke Erhitzung des Arbeitsmittels hervor. Während somit im Hinblick
auf hohe Arbeitsgeschwindigkeiten des Servomotors eine möglichst große Förderleistung
der Pumpen erwünscht ist, verlangt die Rücksichtnahme auf die bei Kolbenstillstand
auftretenden Drosselverluste eine möglichst kleine Förderleistung.
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Man hat nun schon vorgeschlagen, bei Reglern die zur Lieferung des
Druckmittels üblicherweise vorgesehene Pumpe durch zwei oder mehrere parallel geschaltete
Pumpen zu ersetzen, von denen bei Einleitung der Regelbewegung nur eine zur Wirkung
kommt, während die Zusatzpumpen erst bei größeren Regelbewegungen hinzugeschaltet
werden. Hierdurch soll der bei kleinen Regelbewegungen überflüssige Arbeitsaufwand
zur Förderung der vollen Druckmittelmenge samt seinen unerwünschten Folgen erspart-
werden.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt, diesen an sich bekannten Gedanken
zur Vermeidung der eingangs geschilderten Nachteile bei umlaufenden Servomotoren
nach Patent 51g 121, bei welchen getrennte Pumpen für beide Verschiebungsrichtungen
des Kolbens vorgesehen sind, in besonders vorteilhafter Weise nutzbar zu machen.
Gemäß der Erfindung wird dieser Zweck dadurch erreicht, daß mindestens bei einer
der beiden Pumpen bzw.
Pumpengruppen in die Druckleitung eine Hilfssteuervorrichtung
eingeschaltet ist, die zugleich mit der Hauptsteuervorrichtung betätigt wird und
bei deren Verstellung über ein gegebenes Maß hinaus die Druckleitung der einen Pumpe
bzw. Pumpengruppe mit dem Zylinderraum verbindet, in welchen zur selben Zeit die
zweite Pumpe bzw. Pumpengruppe fördert. Der Vorteil dieser Anordnung ist der,- daß
ohne jedwede Vergrößerung der vorhandenen Pumpenanzahl zur Verstärkung der Druckmittelförderung
bei größeren Regelbewegungen in der einen Richtung die sonst für die entgegengesetzte
Bewegungsrichtung des Kolbens bestimmte Pumpe oder Pumpengruppe, welche bisher leer
mitgelaufen war, zur Druckmittellieferung herangezogen wird. Bei kleinen Regelbewegungen
arbeitet nach wie vor nur die der betreffenden Bewegungsrichtung zugehörige Pumpe.
Der zur Steuerung der Pumpen im Sinne dieses Arbeitsvorganges, bei dem sie wechselweise
die Rolle von Zusatzpumpen spielen, verwendete Steuerschieber besonderer Ausgestaltung
wird weiter unten beschrieben.
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Die Erfindung soll an Hand der Abbildung näher erläutert werden, die
schematisch eine Ausführung eines umlaufenden hydraulischen Servomotors darstellt,
welche sich insbesondere für die Laufschaufelregulicrung von Propellerturbinen eignet.
Bei diesen T urbi--nen ist neben der Laufschaufelregulierung auch noch eine Leitschaufelregulierung
vorgesehen. Tritt im Betriebe plötzlich eine Entlastung auf und soll demgemäß der
Wasserdurchfluß durch die Turbine rasch verringert werden, so genügt es, wenn zunächst
die L eitschaufelregulierung mit entsprechender -Geschwindigkeit geschlossen wird.
Die Laufschaufeln können ihre neue, dem verringerten Wasserdurchfluß entsprechende
Lage erheblich langsamer einnehmen. Steigt jedoch plötzlich der Leistungsbedarf,
so genügt ein rasches Öffnen der Leitschaufelregulierung allein nicht mehr, um sofort
die erforderliche Leistungszunahme zu bewirken, da die geschlossenen Laufschaufeln
noch auf kleine Leistung eingestellt sind. Erst entsprechend ihrer Öffnungsbewegung
kann. die Leistung zunehmen. Ist demnach für die Schließbewegung der Laufradschaufeln
unbedenklich eine geringe Arbeitsgeschwindigkeit des Servomotors zulässig, so verlangt
die Einhaltung kurzer Regelzeiten doch eine erhöhte Arbeitsgeschwindigkeit bei der
öffnungsbewegung. 'Entsprechend dieser Forderung ist der in der Abbildung dargestellte
Servomotor so ausgebildet, daß für -die -Schließbewegung der 'Läufschaufeln," die
.beim Aufwärtsgang des Kolbens erfolgt, tets. nur eine einzige Pumpe -das Druckmittel'
liefert, während für die Öffnungsbewegung, die dein Abwärtsgang des Kolbens entspricht,
je nach der Größe der Steuerbewegung entweder nur eine oder aber beide Pumpen gemeinsam
herangezogen werden.
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In der Abbildung stellt i den "Zylinder des Servomotors dar, welcher
als Erweiterung der Turbinenwelle 2 ausgebildet ist. Der Arbeitskolben 3, welcher
mit der Turbinenwelle umläuft, ist mit einer Kolbenstange 4 versehen, die zur Verstellvorrichtung
für die drehbaren Laufradschaufeln führt. Im Kolben 3 sind die beiden Zahnradpumpen
5 und 5' untergebracht. Sie greifen in das- Zahnrad 6 ein, welches, mit dem Rohr
7 aus eineri Stück gearbeitet, unverdrehbar, jedoch in axialer Richtung verschieblich
gelagert ist. Diese Art der Lagerung wird durch die feste Führung 9 und den Keil
S gewährleistet. Im Innern des Rohres 7 ist gleitbar der Steuerschieber io geführt.
Seine Steuerkanten ii, 12, 13, 14 regeln in anschließend beschriebener Weise die
Strömung der Arbeitsflüssigkeit.
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Wird der Zylinder i samt Welle 2 und Kolben 3 in Drehung versetzt,
so rollen die Pumpenräder 5, 5' auf <lein stillstehenden Zahnrad 6 ab. Die Pumpe
5 saugt aus dem für beide Pumpen gemeinsamen Saugraum 15 durch den Kanal 18 Arbeitsflüssigkeit
an und drückt sie durch Kanal ig in die Kammer 2o, von da weiter in die Kammer 25
und an den Steuerkanten 14, .13 vorbei zurück in den Saugraum 15, womit der Kreislauf
geschlossen ist.
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Zur gleichen Zeit saugt die Pumpe 5' aus dem Saugraum 15 durch Kanal
16, drückt durch Kanal 17 in die Kammer 24 und von da an der Steuerkante 12 vorbei
in den Saugraum 15 zurück. Diese Kreisläufe bringen keine Änderung in der Lage des
Arbeitskolbens 3 hervor. Ist der Kolben 3 durch äußere Kräfte unbelastet, also zu
seinem Festhalten in der gezeichneten Stellung kein erheblicher Flüssigkeitsdruck
in den Räumen K1 bzw. K. erforderlich, so benötigt die Aufrechthaltung der beiden
Kreisläufe nur ganz geringe Energiemengen, die Pumpen laufen leer. Wäre hingegen
der Kolben 3 durch eine äußere Kraft ständig belastet, die ihn etwa nach aufwärts
drückt, so würde er sich. bei gleicher Lage des Steuerschiebers io ein wenig nach
aufwärts bewegen, bis der Spalt an der Steuerkante i2 so weit verengt ist, daß der
Haltedruck im Zylinderraum K2, der durch die Bohrung 23 mit der Kammer 24 in Verbindung
steht, der Kolbenbelastung das Gleich-gewicht hält. In diesem Falle müßte
daher auch bei Kolbenstillstand die Pumpe 5'. auf Druck arbeiten, und nur -die Pumpe
5 würde auch weiterhin entlastet laufen.
Nunmehr sei vorausgesetzt,
daß der Steuerschieber io zwecks Einleitung einer Kolbenbewegung nach abwärts verschoben
«-erde, und zwar zunächst nur um ein so kleines Stück, daß die Steuerkante i i noch
immer in Überdeckung bleibt, d. h. die Kammer 24 nach oben absperrt. Dann saugt
die Pumpe -'durch Kanal 16 aus dem Saugraum 15, drückt durch Kanal 17 in
die Kammer 2d., und da jetzt der Durchgangsquerschnitt an der Steuerkante iz abgesperrt
oder zumindest verengt ist, so steigt der Druck in der Kammer 24., und die Flüssigkeit
wird durch Bohrung 23 in den Zylinderraum K2 gedrückt. Der Kolben 3 bewegt sich
nach abwärts, bis wieder die frühere relative Lage zwischen ihm und dem Steuerschieber
io hergestellt ist. Die Pumpe 5 hat zur gleichen Zeit den Kreislauf über Saugraum
15, Kanal 18, Pumpe 5, Kanal i g, Kammer 2o, Steuerkante 1q., Kammer 25, Steuerkante
13, Saugraum 15 aufrechterhalten. Infolge der Abwärtsbewegung des Kolbens 3 ist
gleichzeitig aus dein Zylinderraum K1 Flüssigkeit verdrängt worden und durch Bohrung
zi, Kammer 25, Steuerkante 13 in den Saugraum 15 übergetreten. Lediglich die Pumpe
5' hat aber auf Druck gearbeitet, Pumpe 5 war entlastet. Die Verschiebungsgeschwindigkeit
des Kolbens 3 «-ar durch die Förderleistung der Pumpe 5' bestimmt.
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Anschließend sei nun der Fall betrachtet, daß der Steuerschieber io
um ein größeres Stück als bisher nach abwärts verschoben werde, derart, daß Steuerkante
i i die Kammer 24 oben öffnet, Steuerkante 12 sie unten schließt und Steuerkante
14 die Kammer 25 unten absperrt. Dann arbeitet die Pumpe 5' so wie früher auf Druck,
und zwar wie folgt: Saugraum 15, Kanal 16, Pumpe 5', Kanal 17, Kammer 2q., Bohrung
23, Zylinderraum K, Aber auch die Pumpe 5 arbeitet jetzt auf Druck, da die Steuerkante
14 den Durchfluß durch die Kammer 25 sperrt. Die Pumpe 5 saugt aus dem Saugrauiri
15 durch Kanal 18, drückt durch Kanal i9 in die Kammer .2o, von da durch die Bohrung
2z des Schiebers io an der Steuerkante i i vorbei in die Kammer 2¢ und durch die
Bohrung 23 in den Zylinderraum K2. Da somit beide Pumpen 5 und 5' gemeinsam in den
Zylinderraum K2 fördern, vollzieht sich die Arbeitsbewegung des Kolbens 3 mit der
doppelten Geschwindiglteit wie früher. Diese rasche Kolbenbewegung; welche nur bei
größeren Verstellungen des Steuerschiebers io eintritt, dauert so lange, bis der
die Bewegung des Steuerschiebers io kopierende Kolben 3 die Überdeckung an den Steuerkanten
12 und 14 aufhebt. In diesem Augenblick hört die Pumpe 5 auf, Druckflüssigkeit in
den Raum K2 zu fördern, allein die Pumpe 5' arbeitet noch auf Druck, bis nach Erreichen
der neutralen Lage auch diese entlastet wird, es sei denn, daß sie bei belastetem
Kolben 3 dauernd den. Haltedruck aufzubringen hat.
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Bei der Aufwärtsbewegung des Steuerschiebers io ist es gleichgültig,
ob derselbe um ein größeres oder kleineres Stück verschoben wird. Stets wird nur
die Pumpe 5 allein Druckmittel in den Zylinderraum K1 fördern, die Pumpe 5' wird
entlastet laufen. Selbstverständlich wäre es ohne weiteres möglich, auch die Steuerung
für den Aufwärtsgang des Arbeitskolbens 3 derart einzurichten, wie dies für den
Abwärtsgang geschehen ist.
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Die Schaltung der Pumpen auf Parallel-bzw. Einzelbetrieb braucht nicht
unbedingt durch die bescliriebeneAusführung des Steuerschiebers erfolgen. Es können
hierzu andere geeignete Steuerorgane an sich bekannter Art Verwendung finden.