EP3728864A1 - Stellantrieb mit hydraulischem abflussverstärker - Google Patents

Stellantrieb mit hydraulischem abflussverstärker

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EP3728864A1
EP3728864A1 EP18830426.5A EP18830426A EP3728864A1 EP 3728864 A1 EP3728864 A1 EP 3728864A1 EP 18830426 A EP18830426 A EP 18830426A EP 3728864 A1 EP3728864 A1 EP 3728864A1
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EP
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hydraulic
valve
electro
hydrostatic drive
piston chamber
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Achim Helbig
Sascha DANY
Udo Kölbl
Werner Händle
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Moog GmbH
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    • F15B2211/428—Flow control characterised by the type of actuation actuated by fluid pressure

Definitions

  • the present invention relates to an actuator with variable speed pump, as he example, in steam turbines, gas turbines, die casting machines is used.
  • EP 0 604 805 A1 discloses an actuating device for a hydraulic actuator with a pressure-proportional control signal, in which a piston-cylinder arrangement acting as a converter is interposed between the actuator and a hydraulic outflow amplifier.
  • This device has, inter alia, the following disadvantages:
  • the oil circuit is not closed Cru and requires a fairly large volume of oil.
  • an external pressure supply is required for the function.
  • An inventive electro-hydrostatic actuator has a driven by an electric motor volume and / or speed-variable hydraulic machine, to provide a volume flow of a hydraulic fluid. Furthermore, the actuator has a cylinder with a piston, a piston rod and a first piston chamber. In addition, a valve having a first position and a second position, which is movable from a first hydraulic actuator to the first position and from a second hydraulic actuator to the second position, wherein the second position controls a larger volume flow of the hydraulic fluid than the first position.
  • the actuator has a sink, a main line which connects a first piston chamber of the cylinder with the sink and in which the hydromaschine is arranged, a secondary line which connects the first piston chamber with the sink and in the Valve is arranged, a first control line to the first hydraulic actuator, and a second control line to the second hydraulic actuator.
  • the actuator is characterized in that in the main line in series with the hydraulic machine, a hydraulic resistor is arranged, the first control line is connected to the main line, and the second control line is connected between the hydraulic resistance and the first piston chamber.
  • the cylinder can be used for example to control the hydraulics of a gas turbine or die casting machine.
  • the hydraulic inflow or outflow is controlled by a closure, which is arranged on the piston rod of the cylinder.
  • the sink is part of a closed hydraulic system. It can be realized, for example, as a closed to the environment reservoir. By realizing the actuator as a closed hydraulic system, the required oil volume compared to the prior art can be significantly reduced. This also reduces the risk to the environment - e.g. at a leakage of the system - reduced, because the smaller amount of oil, for. reduces the risk of fire or simplifies the measures to prevent pollution, because a smaller space is to be enclosed.
  • the first piston chamber of the cylinder is filled by the hydraulic machine or pump via the main line.
  • the hydraulic fluid is removed from the sink.
  • the actuator has a secondary line, which has a higher, in particular a significantly higher, cross-section than the main line. This bypass connects the first piston chamber to the drain.
  • a hydraulic valve is arranged in the secondary line.
  • the valve can be realized in quite under different embodiments.
  • the valve has a first position and a second position, wherein the second position has a larger one
  • the valve may have a first "locked" position and a second "flow” position.
  • the hydraulic valve is controlled by hydraulic actuators. It can be moved from a first hydraulic actuator to the first position and from a second hydraulic actuator to the first be movable second position.
  • a first control line leads to the first hydraulic actuator and a second control line to the second hydraulic actuator.
  • a hydraulic resistor is arranged in series with the hydraulic machine.
  • the order of the arrangement plays a minor role; so either the hydro machine or the hydraulic resistance can be arranged closer to the sink.
  • the first control line is connected to the main line, for example between the hydraulic resistance and the sink, and the second control line is connected between the hydraulic counterclaim and the first piston chamber. If the first piston chamber is to be emptied quickly ent, then the hydraulic machine first sucks the hydraulic fluid through the main line from the first piston chamber.
  • the volume flow in the main pipe is gradually increased.
  • an increased pressure in the second control line which is connected between the hydraulic resistance and the first piston chamber. Due to this increased pressure, the second hydraulic actuator moves the valve to the second position.
  • the valve may thereby be moved from a first "locked” position to a second "flow” position.
  • the first position "locked” may be the rest position of the valve in which the valve, e.g. by means of a valve spring, initially held. In this case, at least the counterforce of the spring must be overcome by the pressure on the second hydrau lic actuator.
  • valve has been moved into the second position by means of the second hydraulic actuator increases the volume flow in the secondary line.
  • the valve is moved from a first position "locked" to a second position "flow"
  • the volume flow from the first piston chamber is increased almost by leaps and bounds.
  • the actuating drive releases a hydraulic path that blocks the inflow or outflow, for example, the hydraulics of a gas turbine or die casting machine, very quickly.
  • This effect can be further enhanced in some embodiments by arranging an energy store in or on the cylinder, e.g. in the form of a spring. This accelerates both the controlled inflow and outflow and the emptying of the first piston chamber.
  • the first control line is connected between the hydraulic resistor and the hydraulic machine.
  • hydraulic resistance is arranged between the hydraulic machine and the first piston chamber. This embodiment is preferably selected for actuators in which the hydraulic machine has only one pressure-resistant connection. The hydraulic resistance also acts as an instrument for pressure reduction.
  • the first control line is connected between the hydraulic machine (50) and the first piston chamber (220).
  • This embodiment is preferably selected for actuators, in which the hydraulic machine has two pressure-resistant connections.
  • the hydraulic resistance is an orifice valve.
  • An orifice valve is a well-established in the hydraulic, robust and easy-to-use component. It is available in various embodiments and can be so well adapted to the requirements, in particular so that the predefined volume flow, which triggers the switching of the valve can be determined quite accurately.
  • the orifice valve may also be configured variably.
  • the hydraulic resistance is integrated into the hydraulic machine. This allows in particular a particularly compact design of the actuator. In some embodiments, the hydraulic resistance may already be determined by the design of the actuator.
  • Hydromachine be realized - e.g. if an internal resistance is realized - so that no additional component is required.
  • the sink is a reservoir. This allows a cost-effective
  • the reservoir is biased and designed in particular as a pressure accumulator. This ensures a particularly compact design of the actuator and saves energy when filling the first piston chamber.
  • the drain is the second piston chamber of the cylinder, the cylinder being a synchronous cylinder.
  • the synchronous cylinder does not have to have an exact ratio of 1: 1 from the first to the second piston chamber.
  • the valve is a directional control valve, with the first position "locked" and the second position "flow".
  • the valve can be realized as a 2/2-way valve.
  • the valve has a plurality of positions, each with different cross sections. This is advantageous if the actuator is to realize a more complex control, e.g. a fast, yet soft control of the hydraulic inflow or outflow of the controlled device.
  • the valve can steplessly switch between several positions, each with a different volume flow of the hydraulic fluid.
  • “Stepless” can also mean “very small steps”. Again, this is an advantageous way to realize more complex controls.
  • the valve has the "locked" position as the rest position, in which it is held by a particular spring, in particular.
  • a particular spring in particular.
  • the accidental activation e.g. the accidental opening of the valve largely prevented.
  • the switching pressure of the valve can be precisely adjusted.
  • the cylinder further comprises an energy store and / or is connected to an energy store.
  • the energy storage device may be a spring, for example. This can be arranged in the second piston chamber or in front of the first piston chamber. With such an energy storage, the reaction speed of the actuator is significantly increased.
  • a further hydraulic resistance in particular an orifice valve, arranged. This provides for a defined maximum volume flow when the hydraulic fluid is drained quickly from the first piston chamber, i. in particular when the valve is - at least for some embodiments - in the second position "flow".
  • a check valve is disposed parallel to the hydraulic resistor.
  • the cylinder further has an end position damping in the first piston chamber.
  • a robust elastic material is used. This is particularly advantageous when the energy storage is designed as a spring. In such a case, the piston of the cylinder can impinge very hard on the inner wall of the cylinder and thus, at least in the medium term, cause damage to the cylinder. This is prevented by the end position damping.
  • An inventive system is equipped with an electro-hydrostatic drive as described above.
  • the cylinder controls, at least for some embodiments, a process valve, e.g. for a steam valve or a cast piston.
  • An inventive system or an electro-hydrostatic drive is used for steam turbines, gas turbines, die casting machines or plastic injection molding machines.
  • Fig. 1 A circuit diagram of an actuator according to the invention
  • Fig. 3 Another variant of an actuator according to the invention.
  • Fig. 1 shows a cylinder 200, the piston rod 230 at one end an actuator, namely a shutter 290, as used in particular for steam turbines, gas turbines, die casting machines or plastic injection molding machines.
  • the closure 290 controls the opening of a conduit or passage 420 in one of said devices, which branches off from another conduit or passage 410. In some modes of operation, the opening to passage 420 should be closed very quickly. In the embodiment shown, this is done by emptying the first piston chamber 220 very quickly and releasing the spring 250 very quickly.
  • the spring 250 is disposed within the second piston chamber 240 in this embodiment.
  • the spring 250 acts as an energy store.
  • the second piston chamber 240 may be open.
  • the hydraulic machine or pump 50 initially pumps via the pressure lines 130 (which form part of the pressure line 110) also used) and 160 hydraulic fluid from the first piston chamber 220.
  • the 2/2-way valve 100 is initially in the "locked" position. This is the rest position of the valve 100 and is ensured in this embodiment by a valve spring 108.
  • the volume flow which thereby arises in the pressure line 130, causes a pressure difference between a first and a second side of the orifice valve 180, ie there is a higher pressure on the side of the orifice valve 180, which points in the direction of the first piston chamber 220. Consequently, a higher pressure also arises in the pressure line 140, which controls the actuator 102.
  • the pressure is propor tional to the volume flow generated by the pump 50.
  • the pressure in the conduit 140 is so high that the force of the valve spring 108 is overcome and the actuator 102 switches the valve 100 to the "flow" position.
  • the hydraulic fluid can flow out of the first piston chamber 220 very quickly.
  • the hydraulic fluid flows into the reservoir 190, which may be designed as a pressure chamber.
  • the closed system advantageously allows a very compact design and requires a significantly lower volume of hydraulic fluid than in the prior art.
  • the valve 100 is closed either by the valve spring 108 when the volume flow falls below a predefined level. Or the valve 100 is closed by the hydraulic machine 50 when the hydraulic machine 50 pumps the hydraulic fluid from the reservoir 190, via the lines 160 and 130, into the first piston chamber 220. This creates a higher pressure on the actuator 104, which switches the valve 100 in the "locked" position.
  • the pump 50 is preferably realized as a volume and / or variable speed hydraulic machine 50 driven by an electric motor 60.
  • FIG. 2 shows another embodiment of an actuator according to the invention.
  • the basic function is the same as explained for Fig. 1.
  • the same reference numerals designate the same elements as in Fig. 1.
  • Fig. 2 has other elements that are advantageous for certain scenarios.
  • FIG. 2 shows a pressure line 330, which connects the reservoir 190 and the second pump connection 52 to the second piston chamber 240.
  • the spring 250 may be dispensed with.
  • This variant has the advantage that the reservoir 190 can be made smaller because the second piston chamber 240 can accommodate a part of the hydraulic fluid flowing out of the first piston chamber 220.
  • Fig. 2 shows a check valve 360 in the pressure line 310, which opens when the first piston chamber 220 is filled with the hydraulic fluid.
  • the check valve 360 is disposed in parallel with the orifice valve 180. With the check valve 360 so the shutter valve 180 is bypassed, so that a faster filling of the first piston chamber 220 is possible.
  • FIG. 2 also shows a check valve 370 arranged in parallel with the hydraulic machine 50.
  • the check valve 370 opens when the first piston chamber 220 is deflated. Because most of the hydraulic fluid flows through the lines 110 and 120, the pump 50 may be undersupplied with hydraulic fluid. In some types of pumps, this can damage the pump. In order to avoid this, hydraulic fluid is conducted from the line 120 into the pump 50 via the check valve 370.
  • an orifice valve 170 is disposed in the conduit 120. It is also possible to arrange the shutter valve 170 in line 110, preferably hydraulically in the vicinity of the valve 100. Thus, the maximum flow through the lines 110 and 120 is not determined by the cross section of these lines, but can be much more precise by the dimensioning of the Shutter valve 170 can be determined.
  • a cushion end 270 is disposed in the first piston chamber 220 - in the region of the end, which is opposite to the spring 250. If the energy storage device, as in this embodiment, is designed as a spring 250, the piston of the cylinder can impinge very hard on the inner wall of the cylinder and thus, at least in the medium term, cause damage to the cylinder. This is avoided with the end cushioning 270 shown.
  • Fig. 3 shows a further variant of an actuator according to the invention.
  • the valve 100 has the rest position "locked”.
  • a pressure builds up which is so high that the force of the valve spring 108 is overcome and the actuator 104 the valve 100 in the Position "Flow" switches.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stellantrieb mit drehzahlvariabler Pumpe, wie er beispielsweise in Dampfturbinen, Gasturbinen, Druckgussmaschinen eingesetzt wird. Der elektrohydrostatische Stellantrieb (10) weist eine von einem Elektromotor angetriebene volumen- und/oder drehzahl-variablen Hydromaschine auf, zur Bereitstellung eines Volumenstroms eines Hydraulikfluids. Ferner umfasst der Stellantrieb einen Zylinder (200) mit einem Kolben (210), einer Kolbenstange (230) und einer ersten Kolbenkammer (220), ein Ventil (100) mit einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung, das von einem ersten hydraulischen Aktuator in die erste Stellung und von einem zweiten hydraulischen Aktuator in die zweite Stellung bewegbar ist, wobei die zweite Stellung einen größeren Volumenstrom des Hydraulikfluids steuert als die erste Stellung, eine Senke, eine Hauptleitung (130, 160), welche eine erste Kolbenkammer (220) des Zylinders (200) mit der Senke verbindet und in der die Hydromaschine (50) angeordnet ist, eine Nebenleitung (110, 120), welche die erste Kolbenkammer (220) mit der Senke verbindet und in der das Ventil (100) angeordnet ist, eine erste Steuerleitung (140) zu dem ersten hydraulischen Aktuator, und eine zweite Steuerleitung (150) zu dem zweiten hydraulischen Aktuator. Der Stellantrieb ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Hauptleitung (130, 160) in Reihe zu der Hydromaschine (50) ein hydraulischer Widerstand (180) angeordnet ist, die erste Steuerleitung (140) an der Hauptleitung (130, 160) angeschlossen ist, und die zweite Steuerleitung (150) zwischen dem hydraulischen Widerstand (180) und der ersten Kolbenkammer (220) angeschlossen ist.

Description

Stellantrieb mit hydraulischem Abflussverstärker
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stellantrieb mit drehzahlvariabler Pumpe, wie er beispiels weise in Dampfturbinen, Gasturbinen, Druckgussmaschinen eingesetzt wird.
Stellantriebe sind im Stand der Technik bekannt. So offenbart die EP 0 604 805 Al eine Betäti- gungsvorrichtung für einen hydraulischen Stellantrieb mit druckproportionalem Stellsignal, bei der zwischen Stellantrieb und einem hydraulischen Abflussverstärker eine als Wandler wirkende Kolben-Zylinder-Anordnung zwischengeschaltet ist.
Diese Vorrichtung weist unter anderem folgende Nachteile auf: Der Ölkreislauf ist nicht abge schlossen und benötigt ein recht großes Ölvolumen. Außerdem ist für die Funktion eine externe Druckversorgung erforderlich.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik wenigstens teilweise zu überwinden bzw. zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungs formen und Abwandlungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßer elektro-hydrostatischer Stellantrieb weist eine von einem Elektromotor angetriebene volumen- und/oder drehzahl-variablen Hyd romaschine auf, zur Bereitstellung eines Volumenstroms eines Hydraulikfluids. Ferner weist der Stellantrieb einen Zylinder mit einem Kolben, einer Kolbenstange und einer ersten Kolbenkammer. Zudem ein Ventil mit einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung, das von einem ersten hydraulischen Aktuator in die erste Stellung und von einem zweiten hydraulischen Aktuator in die zweite Stellung bewegbar ist, wobei die zweite Stellung einen größeren Volumenstrom des Hydraulikfluids steuert als die erste Stellung. Außerdem weist der Stellantrieb eine Senke, eine Hauptleitung, welche eine erste Kolbenkammer des Zylinders mit der Senke verbindet und in der die Hyd romaschine angeordnet ist, eine Nebenleitung, welche die erste Kolbenkammer mit der Senke verbindet und in der das Ventil angeordnet ist, eine erste Steuerleitung zu dem ersten hydraulischen Aktuator, und eine zweite Steuerleitung zu dem zweiten hydraulischen Aktuator auf.
Der Stellantrieb ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Hauptleitung in Reihe zu der Hyd ro maschine ein hydraulischer Widerstand angeordnet ist, die erste Steuerleitung an der Haupt leitung angeschlossen ist, und die zweite Steuerleitung zwischen dem hydraulischen Widerstand und der ersten Kolbenkammer angeschlossen ist.
Der Zylinder kann beispielsweise zur Steuerung der Hydraulik einer Gasturbine oder Druckguss maschine verwendet werden. Dabei wird der hydraulische Zu- oder Abfluss durch einen Ver schluss, der an der Kolbenstange des Zylinders angeordnet ist, gesteuert. Bei derartigen
Maschinen tritt die Situation ein, dass der der hydraulische Zu- oder Abfluss sehr schnell gesperrt werden muss. Für diesen sehr schnellen Abfluss der Hydraulikflüssigkeit aus dem Zylinder schaltet der Stellantrieb einen hydraulischen Pfad frei, der einen hohen Durchfluss der Hydraulikflüssigkeit aus dem Zylinder zu einer Senke gewährleistet. Die Senke ist Teil eines geschlossenen Hydraulik systems. Sie kann beispielsweise als ein zur Umgebung abgeschlossenes Reservoir realisiert sein. Durch die Realisierung des Stellantriebs als geschlossenes Hydrauliksystem kann das benötigte Ölvolumen gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert werden. Dadurch wird auch die Gefahr für die Umgebung - z.B. bei einer Leckage des Systems - vermindert, weil die geringere Ölmenge z.B. die Brandgefahr reduziert oder auch die Maßnahmen zur Vermeidung einer Ver schmutzung vereinfacht, weil ein geringerer Raum zu umschließen ist.
Die erste Kolbenkammer des Zylinders wird durch die Hydromaschine oder Pumpe über die Hauptleitung gefüllt. Die Hydraulikflüssigkeit wird dabei aus der Senke entnommen. Um die erste Kolbenkammer schnell zu entleeren, weist der Stellantrieb ein Nebenleitung auf, welche einen höheren, insbesondere einen deutlich höheren, Querschnitt aufweist als die Hauptleitung. Diese Nebenleitung verbindet die erste Kolbenkammer mit der Senke.
In der Nebenleitung ist ein hydraulisches Ventil angeordnet. Das Ventil kann in recht unter schiedlichen Ausführungsformen realisiert sein. Bei allen Ausführungsformen weist das Ventil eine erste Stellung und eine zweite Stellung auf, wobei die zweite Stellung einen größeren
Volumenstrom des Hydraulikfluids steuert als die erste Stellung. So kann das Ventil in einer Ausführungsform eine erste Stellung„gesperrt“ und eine zweite Stellung„Durchfluss“ aufweisen. Das hydraulische Ventil wird durch hydraulische Aktuatoren gesteuert. Es kann von einem ersten hydraulischen Aktuator in die erste Stellung und von einem zweiten hydraulischen Aktuator in die zweite Stellung bewegbar sein. Dabei führt eine erste Steuerleitung zu dem ersten hydraulischen Aktuator und eine zweite Steuerleitung zu dem zweiten hydraulischen Aktuator.
In der Hauptleitung ist in Reihe zu der Hydromaschine ein hydraulischer Widerstand angeordnet. Die Reihenfolge der Anordnung spielt eine untergeordnete Rolle; so kann entweder die Hydro maschine oder der hydraulische Widerstand näher an der Senke angeordnet sein. Die erste Steuerleitung ist an der Hauptleitung, beispielsweise zwischen dem hydraulischen Widerstand und der Senke, angeschlossen, und die zweite Steuerleitung ist zwischen dem hydraulischen Wider stand und der ersten Kolbenkammer angeschlossen. Wenn die erste Kolbenkammer schnell ent leert werden soll, dann saugt die Hydromaschine zunächst das Hydraulikfluid über die Haupt leitung aus der ersten Kolbenkammer. ZurVerdeutlichung sei angenommen, dass derVolumen- strom in der Hauptleitung allmählich erhöht wird. Bei einem vordefinierten Volumenstrom ent steht, abhängig von dem Volumenstrom, ein erhöhter Druck in der zweiten Steuerleitung, die zwischen dem hydraulischen Widerstand und der ersten Kolbenkammer angeschlossen ist. Durch diesen erhöhten Druck bewegt der zweite hydraulische Aktuator das Ventil in die zweite Stellung.
In einer Ausführungsform kann das Ventil dadurch von einer ersten Stellung„gesperrt“ in eine zweite Stellung„Durchfluss“ bewegt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die erste Stellung„gesperrt“ die Ruhestellung des Ventils sein, in welcher das Ventil, z.B. mittels einer Ventilfeder, anfangs festgehalten wird. In diesem Fall muss durch den Druck am zweiten hydrau lischen Aktuator mindestens die Gegenkraft der Feder überwunden werden.
Dadurch, dass das Ventil - mittels des zweiten hydraulischen Aktuators - in die zweite Stellung bewegt wurde, erhöht sich derVolumenstrom in der Nebenleitung. In einer Ausführungsform, bei der das Ventil von einer ersten Stellung„gesperrt“ in eine zweite Stellung„Durchfluss“ bewegt wird, wird der Volumenstrom aus der ersten Kolbenkammer geradezu sprunghaft gesteigert.
Durch diesen sehr schnellen Abfluss der Hydraulikflüssigkeit aus dem Zylinder schaltet der Stell antrieb einen hydraulischen Pfad frei, der den Zu- oder Abfluss, beispielsweise der Hydraulik einer Gasturbine oder Druckgussmaschine, sehr schnell sperrt. Dieser Effekt kann bei einigen Ausfüh rungsformen noch dadurch verstärkt werden, dass in oder an dem Zylinder ein Energiespeicher angeordnet ist, z.B. in Form einer Feder. Diese beschleunigt sowohl den gesteuerten Zu- oder Abfluss als auch die Entleerung der ersten Kolbenkammer.
Es ist im Sinne der vorliegenden Erfindung, wenn eine entsprechend abgeänderte Anordnung nicht zum schnellen Entleeren, sondern zur schnellen Befüllung der ersten Kolbenkammer verwendet wird. Ebenso ist es im Sinne der vorliegenden Erfindung, wenn eine entsprechend abgeänderte Anordnung nicht zum schnellen Öffnen des Ventils, sondern zu schnellen Schließen des Ventils verwendet wird.
In einer Ausführungsform ist die erste Steuerleitung zwischen dem hydraulischen Widerstand und der Hydromaschine angeschlossen. Dabei ist hydraulische Widerstand also zwischen der Hydro- maschine und der ersten Kolbenkammer angeordnet. Diese Ausführungsform wird bevorzugt für Stellantriebe gewählt, bei denen die Hydromaschine nur über einen druckfesten Anschluss verfügt. Der hydraulische Widerstand fungiert dabei also auch als Instrument zur Druckminderung.
In einer Ausführungsform ist die erste Steuerleitung zwischen der Hydromaschine (50) und der ersten Kolbenkammer (220) angeschlossen. Diese Ausführungsform wird bevorzugt für Stell antriebe gewählt, bei denen die Hydromaschine über zwei druckfeste Anschlüsse verfügt.
In einer Ausführungsform ist der hydraulische Widerstand ein Blendenventil. Ein Blendenventil ist ein in der Hydraulik gut eingeführtes, robustes und einfach zu handhabendes Bauteil. Es ist in verschiedenen Ausführungsformen lieferbar und kann so gut an die Erfordernisse angepasst werden, insbesondere kann damit der vordefinierte Volumenstrom, der das Schalten des Ventils auslöst recht genau bestimmt werden. In manchen Ausführungsformen kann das Blendenventil auch variabel ausgestaltet sein.
In einer Ausführungsform ist der hydraulische Widerstand in die Hydromaschine integriert. Dies ermöglich insbesondere eine besonders kompakte Bauweise des Stellantriebs. Bei manchen Ausführungsformen kann der hydraulische Widerstand bereits durch die Bauweise der
Hydromaschine realisiert sein - z.B. wenn ein Innenwiderstand realisiert ist -, so dass kein zusätzliches Bauteil erforderlich ist.
In einer Ausführungsform ist die Senke ein Reservoir. Dies ermöglicht eine kostengünstige
Realisierung des Stellantriebs.
In einer Ausführungsform ist das Reservoir vorgespannt und insbesondere als Druckspeicher ausgeführt. Dies sorgt für eine besonders kompakte Ausführung des Stellantriebs und spart Energie bei der Auffüllung der ersten Kolbenkammer.
In einer Ausführungsform ist die Senke die zweite Kolbenkammer des Zylinders, wobei der Zylinder ein Gleichgangzylinder ist. Der Gleichgangzylinder muss dabei kein exaktes Verhältnis 1:1 von der ersten zur zweiten Kolbenkammer haben. In einer Ausführungsform ist es auch möglich, den Gleichgangzylinder mit einem Reservoir und/oder einem Druckspeicher zu kombinieren. In einer Ausführungsform ist das Ventil ein Wegeventil, wobei die erste Stellung„gesperrt“ und die zweite Stellung„Durchfluss“ ist. Beispielsweise kann das Ventil als 2/2-Wegeventil realisiert sein.
In einer Ausführungsform weist das Ventil mehrere Stellungen mit jeweils unterschiedlichen Querschnitten auf. Dies ist vorteilhaft, wenn der Stellantrieb eine komplexere Steuerung realisieren soll, die z.B. eine schnelle, aber dennoch weiche Steuerung des hydraulischen Zu- oder Abflusses des gesteuerten Gerätes.
In einer Ausführungsform kann das Ventil stufenlos zwischen mehreren Stellungen mit jeweils unterschiedlichem Volumenstrom des Hydraulikfluids schalten. Dabei kann„stufenlos“ auch„sehr kleine Stufen“ bedeuten. Auch dies ist eine vorteilhafte Möglichkeit, komplexere Steuerungen zu realisieren.
In einer Ausführungsform hat das Ventil die Stellung„gesperrt“ als Ruhestellung, in der es, insbe sondere durch eine Feder, gehalten wird. Damit wird zum einen die versehentliche Ansteuerung, z.B. die versehentliche Öffnung, des Ventils weitgehend verhindert. Außerdem kann durch Wahl der Feder - insbesondere in Kombination mit einem definierten Blendenventil - der Schaltdruck des Ventils genau einstellt werden.
In einer Ausführungsform weist der Zylinder weiterhin einen Energiespeicher auf und/oder ist mit einem Energiespeicher verbunden. Der Energiespeicher kann beispielsweise eine Feder sein. Diese kann in der zweiten Kolbenkammer oder vor der ersten Kolbenkammer angeordnet sein. Mit einem derartigen Energiespeicher wird die Reaktionsgeschwindigkeit des Stellantriebs deutlich erhöht.
In einer Ausführungsform ist in der Nebenleitung (110, 120) ein weiterer hydraulischer Widerstand, insbesondere ein Blendenventil, angeordnet. Dies sorgt für einen definierten maximalen Volumen strom, wenn aus der ersten Kolbenkammer die Hydraulikflüssigkeit schnell abgelassen wird, d.h. insbesondere wenn sich das Ventil - zumindest für einige Ausführungsformen - in der zweiten Stellung„Durchfluss“ befindet.
In einer Ausführungsform ist ein Rückschlagventil parallel zu dem hydraulischen Widerstand angeordnet. Dadurch kann die erste Kolbenkammer schneller befüllt werden, weil die Füllmenge nicht mehr ausschließlich durch den hydraulischen Widerstand begrenzt wird.
In einer Ausführungsform ist ein weiteres Rückschlagventil parallel zu der Pumpe angeordnet. Damit wird Kavitation der Hyd romaschine vermieden, wenn das Ventil so stark geöffnet ist, dass der größte Teil des Hydraulikfluids durch die Nebenleitung strömt und so die Hydromaschine nur unzureichend mit Hydraulikfluid versorgt würde. In einer Ausführungsform weist der Zylinder weiterhin eine Endlagendämpfung in der ersten Kolbenkammer auf. Dafür wird vorzugsweise ein robustes elastisches Material verwendet. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Energiespeicher als Feder ausgeführt ist. In einem solchen Fall kann der Kolben des Zylinders sehr hart auf die Innenwand des Zylinders auftreffen und so, zumindest mittelfristig, eine Schädigung des Zylinders verursachen. Dies wird durch die Endlagen dämpfung verhindert.
Ein erfindungsgemäßes System ist mit einem elektro-hydrostatischen Antrieb wie vorstehend beschrieben ausgestattet. Dabei steuert der Zylinder - zumindest für einige Ausführungsformen - ein Prozessventil, z.B. für ein Dampfventil oder einen Gusskolben.
Ein erfindungsgemäßes System oder ein elektro-hydrostatischer Antrieb wird für Dampfturbinen, Gasturbinen, Druckgussmaschinen oder Kunststoff-Spritzgussmaschinen verwendet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines verschiedener Ausführungsformen erläutert, wobei darauf hingewiesen wird, dass durch dieses Beispiel Abwandlungen beziehungsweise Ergänzun gen, wie sie sich für den Fachmann unmittelbar ergeben, mit umfasst sind. Darüber hinaus stellt dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel keine Beschränkung der Erfindung in der Art dar, dass Abwandlungen und Ergänzungen im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen.
Dabei zeigen:
Fig. 1: Ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Stellantriebs;
Fig. 2: Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stellantriebs;
Fig. 3: Eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Stellantriebs.
Fig. 1 zeigt einen Zylinder 200, dessen Kolbenstange 230 an einem Ende einen Aktuator, nämlich einen Verschluss 290, aufweist, wie er insbesondere für Dampfturbinen, Gasturbinen, Druckguss maschinen oder Kunststoff-Spritzgussmaschinen verwendet wird. Der Verschluss 290 steuert die Öffnung einer Leitung oder Passage 420 in einem der genannten Geräte, die von einer weiteren Leitung oder Passage 410 abzweigt. In manchen Betriebsmodi soll die Öffnung zur Passage 420 sehr schnell geschlossen werden. In der gezeigten Ausführungsform geschieht das dadurch, dass die erste Kolbenkammer 220 sehr schnell geleert und die Feder 250 sehr schnell entspannt wird. Die Feder 250 ist in dieser Ausführungsform innerhalb der zweite Kolbenkammer 240 angeordnet. Die Feder 250 fungiert als Energiespeicher. Die zweite Kolbenkammer 240 kann offen sein. Wenn die erste Kolbenkammer 220 sehr schnell geleert werden soll, dann pumpt die Hydromaschine oder Pumpe 50 zunächst über die Druckleitungen 130 (die einen Teil der Druckleitung 110 mitverwendet) und 160 Hydraulikfluid aus der ersten Kolbenkammer 220. Das 2/2-Wegeventil 100 ist dabei zunächst in der Stellung„gesperrt“. Dies ist die Ruhestellung des Ventils 100 und wird in dieser Ausführungsform durch eine Ventilfeder 108 gewährleistet. Der Volumenstrom, der dadurch in der Druckleitung 130 entsteht, bewirkt eine Druckdifferenz zwischen einer ersten und einer zweiten Seite des Blendenventils 180, d.h. es entsteht ein höherer Druck auf der Seite des Blenden ventils 180, die in Richtung der ersten Kolbenkammer 220 weist. Es entsteht folglich auch ein höherer Druck in der Druckleitung 140, die den Aktuator 102 steuert. Der Druck ist dabei propor tional zu dem Volumenstrom, den die Pumpe 50 erzeugt. Wenn die Pumpe 50 einen vordefinierten Volumenstrom überschreitet, dann ist der Druck in der Leitung 140 so hoch, dass die Kraft der Ventilfeder 108 überwunden wird und der Aktuator 102 das Ventil 100 in die Stellung„Durchfluss“ schaltet. Dies öffnet die Nebenleitungen 110 und 120, welche einen deutlich größeren Innen durchmesser aufweisen als die Druckleitungen 130 und 160. Dadurch kann das Hydraulikfluid sehr schnell aus der ersten Kolbenkammer 220 abfließen. In dieser Ausführungsform fließt das Hydraulikfluid in das Reservoir 190, das als Druckkammer ausgelegt sein kann. Das geschlossene System ermöglich vorteilhafterweise eine sehr kompakte Bauform und benötigt ein signifikant geringeres Volumen des Hydraulikfluids als im Stand der Technik.
Das Ventil 100 wird entweder durch die Ventilfeder 108 geschlossen, wenn der Volumenstrom ein vordefiniertes Maß unterschreitet. Oder das Ventil 100 wird mittels der Hydromaschine 50 geschlossen, wenn die Hydromaschine 50 das Hydraulikfluid von dem Reservoir 190, über die Leitungen 160 und 130, in erste Kolbenkammer 220 pumpt. Dadurch entsteht ein höherer Druck am Aktuator 104, der das Ventil 100 in die Stellung„gesperrt“ schaltet. Die Pumpe 50 ist vorzugsweise als eine von einem Elektromotor 60 angetriebene volumen- und/oder drehzahl variable Hydromaschine 50 realisiert.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stellantriebs. Die Grund funktion ist dabei dieselbe wie für Fig. 1 erläutert. Auch bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben Elemente wie bei Fig. 1. Fig. 2 weist aber weitere Elemente auf, die für bestimmte Einsatzszenarien vorteilhaft sind. So zeigt Fig. 2 eine Druckleitung 330, welche das Reservoir 190 und den zweiten Pumpenanschluss 52 mit der zweiten Kolbenkammer 240 verbindet. In einigen Ausführungsformen kann dabei auf die Feder 250 verzichtet werden. Diese Variante hat den Vorteil, dass das Reservoir 190 kleiner gestaltet werden kann, weil die zweite Kolbenkammer 240 einen Teil des aus der ersten Kolbenkammer 220 abfließenden Hydraulikfluids aufnehmen kann. Weiterhin zeigt Fig. 2 ein Rückschlagventil 360 in der Druckleitung 310, das sich öffnet, wenn die erste Kolbenkammer 220 mit dem Hydraulikfluid befüllt wird. Das Rückschlagventil 360 ist parallel zu dem Blendenventil 180 angeordnet. Mit dem Rückschlagventil 360 wird also das Blendenventil 180 umgangen, so dass eine schnellere Befüllung der ersten Kolbenkammer 220 möglich wird.
Fig. 2 zeigt außerdem ein Rückschlagventil 370, das parallel zu der Hydromaschine 50 angeordnet ist. Das Rückschlagventil 370 öffnet sich, wenn die erste Kolbenkammer 220 entleert wird. Weil dabei der größte Teil des Hydraulikfluids über die Leitungen 110 und 120 fließt, kann die Pumpe 50 eine Unterversorgung mit Hydraulikfluid aufweisen. Bei manchen Typen von Pumpen kann dies zu einer Beschädigung der Pumpe führen. Um dies zu vermeiden, wird über das Rückschlagventil 370 Hydraulikfluid von der Leitung 120 in die Pumpe 50 geleitet.
Bei Fig. 2 ist in der Leitung 120 ein Blendenventil 170 angeordnet. Es ist auch möglich, das Blendenventil 170 in Leitung 110 anzuordnen, vorzugsweise hydraulisch in der Nähe des Ventils 100. Dadurch ist das maximale Volumenstrom durch die Leitungen 110 und 120 nicht durch den Querschnitt dieser Leitungen bestimmt, sondern kann wesentlich präziser durch die Dimensio nierung des Blendenventils 170 bestimmt werden.
In dem Zylinder 200 ist in der ersten Kolbenkammer 220 - im Bereich des Endes, das der Feder 250 gegenüberliegt - eine Endlagendämpfung 270 angeordnet. Wenn der Energiespeicher, wie in dieser Ausführungsform, als Feder 250 ausgeführt ist, kann der Kolben des Zylinders sehr hart auf die Innenwand des Zylinders auftreffen und so, zumindest mittelfristig, eine Schädigung des Zylinders verursachen. Dies wird mit der gezeigten Endlagendämpfung 270 vermieden.
Fig. 3 zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Stellantriebs. Wie bei Fig. 1 weist das Ventil 100 die Ruhestellung„gesperrt“ auf. Wird die erste Kolbenkammer 220 entleert, dann baut sich, ab einem vordefinierten Volumenstrom, vor dem Blendenventil 180 in der Leitung 150 ein Druck auf, der so hoch ist, dass die Kraft der Ventilfeder 108 überwunden wird und der Aktuator 104 das Ventil 100 in die Stellung„Durchfluss“ schaltet. Liste der Bezugszeichen
10 hydraulisches System
50 Hydromaschine, Pumpe
51 erster Pumpenanschluss
52 zweiter Pumpenanschluss
60 Motor
100 Ventil, 2/2-Wegeventil
102 erster Ventilaktuator
104 zweiter Ventilaktuator
108 Ventilfeder
110, 120 Druckleitu ng, Nebenleitung
130, 160 Druckleitu ng, Hau ptleitung
140, 150 Druckleitu ng, Steuerleitung
170 weiteres Blendenventil
180 Blendenventil
190 Reservoir
200 Zylinder
210 Kolben des Zylinders
220 erste Kolbenkammer
230 Kolbenstange
240 zweite Kolbenkammer
250 Feder
270 Endlagendämpfung
290 Verschluss
310 Druckleitu ng
320 Druckleitu ng
330 Druckleitung
360 Rückschlagventil
370 Rückschlagventil
410, 420 Leitung, Passage des gesteuerten Gerätes

Claims

Patentansprüche
1. Elektro-hydrostatischer Antrieb (10) für einen Stellantrieb, mit einer von einem Elektromotor (60) angetriebenen volumen- und/oder drehzahl-variablen Hydromaschine (50), zu r Bereitstellung eines Volumenstroms eines Hydraulikfluids, einem Zylinder (200) mit einem Kolben (210), einer Kolbenstange (230) und einer ersten Kolbenkammer (220), einem Ventil (100) mit einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung, das von einem ersten hydrau lischen Aktuator in die erste Stellung u nd von einem zweiten hydraulischen Aktuator in die zweite Stellung bewegbar ist, wobei die zweite Stellung einen größeren Volumenstrom des Hydraulikfluids steuert als die erste Stellu ng, einer Senke, einer Hauptleitu ng (130, 160), welche eine erste Kolbenkammer (220) des Zylinders (200) mit der Senke verbindet und in der die Hydromaschine (50) angeordnet ist, einer Nebenleitung (110, 120), welche die erste Kolbenkammer (220) mit der Senke verbindet und in der das Ventil (100) angeordnet ist, einer ersten Steuerleitu ng (140) zu dem ersten hydraulischen Aktuator, und einer zweiten Steuerleitung (150) zu dem zweiten hydraulischen Aktuator, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hauptleitung (130, 160) in Reihe zu der Hydromaschine (50) ein hydraulischer Widerstand (180) angeordnet ist, die erste Steuerleitung (140) an der Hauptleitung (130, 160) angeschlossen ist, und die zweite Steuerleitung (150) zwischen dem hydraulischen Widerstand (180) und der ersten Kolbenkammer (220) angeschlossen ist.
2. Elektro-hydrostatischer Antrieb (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Steuerleitung (140) zwischen dem hydraulischen Widerstand (180) und der Hydromaschine (50) angeschlossen ist.
3. Elektro-hydrostatischer Antrieb (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Steuerleitu ng (140) zwischen der Hydromaschine (50) u nd der ersten Kolbenkammer (220) angeschlossen ist.
4. Elektro-hydrostatischer Antrieb (10) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Widerstand (180) ein Blendenventil ist.
5. Elektro-hydrostatischer Antrieb (10) nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Senke ein Reservoir (190) ist.
6. Elektro-hydrostatischer Antrieb (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (190) vorgespannt u nd insbesondere als Druckspeicher ausgeführt ist.
7. Elektro-hydrostatischer Antrieb (10) nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Senke die zweite Kolbenkammer (240) des Zylinders (200) ist, wobei der Zylinder (200) ein Gleichgangzylinder ist.
8. Elektro-hydrostatischer Antrieb (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (100) ein Wegeventil ist, wobei die erste Stellung„gesperrt“ und die zweite Stellung„Durchfluss“ ist.
9. Elektro-hydrostatischer Antrieb (10) nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (100) mehrere Stellungen mit jeweils unterschiedlichen Querschnitten aufweist.
10. Elektro-hydrostatischer Antrieb (10) nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (100) stufenlos zwischen mehreren Stellungen mit jeweils unterschiedlichem Volumenstrom des Hydraulikfluids schalten kann.
11. Elektro-hydrostatischer Antrieb (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (100) die erste Stellung„gesperrt“ als Ru hestellung hat, in der es, insbesondere durch eine Feder, gehalten wird.
12. Elektro-hydrostatischer Antrieb (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (200) weiterhin einen Energiespeicher (250) aufweist.
13. Elektro-hydrostatischer Antrieb (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (250) eine Feder ist, welche in der zweiten Kolbenkammer (230) oder vor der ersten Kolbenkammer (240) angeordnet ist.
14. Elektro-hydrostatischer Antrieb (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nebenleitung (110, 120) ein weiteres Blendenventil (170) angeordnet ist.
15. Elektro-hydrostatischer Antrieb (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückschlagventil (360) parallel zu dem hydraulischen Widerstand (180) angeordnet ist.
16. Elektro-hydrostatischer Antrieb (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Rückschlagventil (370) parallel zu der Pumpe (50) angeordnet ist.
17. Elektro-hydrostatischer Antrieb (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (200) weiterhin eine Endlagendämpfu ng (270) in der ersten Kolbenkammer (220) aufweist.
18. System mit einem elektro-hydrostatischen Antrieb (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (200) ein Prozessventil (290) steuert.
19. Verwendung eines Systems oder eines elektro-hydrostatischen Antriebs (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche für Dampfturbinen, Gasturbinen, Druckgussmaschinen oder Kunststoff-Spritzgussmaschinen.
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