KR20010042114A

KR20010042114A - 밸브 및 증기 터빈용 전기 기계적 엑추에이터

Info

Publication number: KR20010042114A
Application number: KR1020007010486A
Authority: KR
Inventors: 리하르트 슈타인보른
Original assignee: 칼 하인쯔 호르닝어; 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 1998-03-23
Filing date: 1999-03-17
Publication date: 2001-05-25
Also published as: JP2002507711A; CN1098433C; US6485258B1; EP1064484A1; DE59909595D1; CN1294666A; EP1064484B1; WO1999049250A1

Abstract

본 발명은 특히 증기 터빈(8)의 밸브(2)를 위한 전기 기계적 엑추에이터에 관한 것이다. 상기 엑추에이터는 밸브(2)의 개방 위치를 조절하기 위한 연결 로드(10) 및 상기 연결 로드(10)를 작동시키기 위한 전기 모터(20)를 갖는다. 상기 연결 로드(10)는 변환 장치(30)를 통해 전기 모터(20)에 접속되며, 상기 변환 장치(30)는 상기 연결 로드(10)의 축 변위에 따라 변화된 회전 모멘트를 생성한다. 또한 본 발명은 증기 터빈(8)에 관한 것이다.

Description

밸브 및 증기 터빈용 전기 기계적 엑추에이터 {ELECTROMECHANICAL ACTUATOR FOR A VALVE AND STEAM TURBINE}

터빈, 특히 증기 터빈은 통상적으로 다수의 밸브를 가지며, 상기 밸브는 예컨대 신선한 증기 밸브, 바이패스 밸브, 및 급속 정지 밸브로서 사용될 수 있다. 여기서, 이러한 밸브의 각각의 개방 위치는 개별 재료 또는 증기 흐름을 조절하기 위해 사용되고 예컨대 개별 밸브에 배치된 연결 로드에 의해 조절될 수 있다. 이러한 연결 로드는 밸브에 배치된 엑추에이터의 부품이다. 여기서, 상기 엑추에이터에서는 특히 제어력 및 제어 속도에 관련하여 높은 요구가 제기될 수 있다. 밸브의 높은 신뢰도를 위해, 예컨대 엑추에이터는 대략 200 kN의 제어력 및 100 ms의 제어 시간을 갖는 것이 요구될 수 있다.

EP 0 040 732 A1 에는 분산 유압 시스템을 갖는 증기 터빈 밸브용 엑추에이터가 공지되어 있다. 이러한 엑추에이터의 유압 시스템은 밸브 하우징에 배치된 치밀한 구동 블록으로 결합됨으로써, 엑추에이터의 에너지 공급을 위해서는 단지 케이블 시스템만이 요구된다. 유압 유체로서 오일을 사용함으로써 매우 불리한 상황에서 오일이 점화되어, 증기 터빈 내에 화재가 발생할 수 있다.

DE 44 46 605 A1 에는 밸브 코운이 배치되어 있는 밸브 스핀들을 갖는 증기 터빈용 밸브가 공지되어 있다. 상기 밸브 스핀들은 전기 모터에 의해 구동되며, 상기 전기 모터는 전자기로 작동되는 클러치에 의해 밸브 스핀들에 연결된다. 밸브의 자동 폐쇄를 위해 상기 밸브는 접시 스프링 장치를 포함한다. 상기 전자기 클러치는 나선형 부시에 연결되며, 상기 나선형 부시는 회전 불가능하게 가이드된 밸브 스핀들과 상호 작용하여, 상기 밸브 스핀들을 축방향으로 이동시킨다. 상기 나선형 부시는 볼 나선형 부시로 형성됨으로써, 상기 나선형 부시는 유격 및 마찰 없이 밸브 스핀들에 접촉된다. 상기 밸브 스핀들의 회전 불가능한 가이드에 의해, 다시 말해 상기 밸브 스핀들은 회전하는 나선형 부시에서 단지 축방향으로 상하로만 이동할 수 있기 때문에, 병진 구동 장치는 필요하지 않다. 오히려, 두 방향으로 회전하는 전기 모터가 필요하다. 하지만, 상기 전기 모터는 이러한 방식으로 예컨대 밸브의 폐쇄시 밸브 스핀들의 한 단부에 연결되는 밸브 코운이 거기에 배치된 밀봉 시이트에 설치될 때 손상을 받지 않거나 또는 밀봉 시이트를 손상시키는 것을 막기 위해, 회전 모멘트 보호 장치를 갖는다.

본 발명은 밸브의 개방 위치를 조절하기 위한 연결 로드 및 상기 연결 로드를 구동시키기 위한 전기 모터를 갖는, 특히 터빈의 밸브용 전기 기계적 엑추에이터에 관한 것이다. 또한 밸브 및 관련 엑추에이터를 갖는 증기 터빈에 관한 것이다.

도 1 및 2는 밸브를 갖는, 각각 개략적으로 도시된 엑추에이터의 종단면도이고,

도 3은 두 개의 제어 밸브를 갖는 고압 증기 터빈의 단면도이며,

도 4는 톱니 클러치의 종단면도이고,

도 5는 도 4의 톱니 클러치(40)의 조망도이다.

본 발명의 목적은 매우 적은 화재 위험을 가지면서 밸브의 고장 없는 작동을 보장할 수 있는 특히 터빈의 밸브용 엑추에이터를 제공하는데 있다. 또한 화재로 인한 작동 장애가 발생할 위험이 적은 증기 터빈을 제공하는데 있다.

특히 터빈의 밸브용 엑추에이터를 위해 제기된 목적은 밸브의 개방 위치를 조절하기 위한 연결 로드 및 상기 연결 로드를 구동시키기 위한 전기 모터를 갖는 전자기 엑추에이터에 의해 달성되며, 상기 연결 로드 및 전기 모터는 변환 장치에 의해 서로 연결되며, 상기 변환 장치를 통해 연결 로드의 축 변위에 따라 변화되는 회전 모멘트가 생성될 수 있다.

상기 연결 로드에 가해지는 힘이 연결 로드의 리프팅에 따라 밸브의 개폐시 변화되는 그러한 밸브에 있어서는, 상기 연결 로드의 리프팅에 따라 변화되는 회전 모멘트를 생성하는 변환 장치를 갖는 전기 기계적 엑추에이터가 특히 바람직하다. 이는 예컨대 증기 터빈 내의 밸브에서 나타나며, 상기 밸브에서 생기는 증기압이 밸브 코운에 제공되어, 상기 밸브 코운을 폐쇄 과정시 지지하거나 또는 밸브 코운을 폐쇄된 채로 유지시킨다. 상기와 같은 밸브에 있어서 처음에는 밸브를 개방하기 위해서는 큰 힘(작용하는 밸브 코운 표면의 증기압(x))이 극복될 수 있다. 확실한 개방 단면이 주어지자마자 압력이 경감됨으로써, 부가의 개방 과정에서 연결 로드의 변위를 위해 각각 더 적은 힘이 필요하게 된다. 밸브, 특히 개방 및 폐쇄 과정(폐쇄 속도 등)에 대한 크기, 하중 및 요구에 따라 변환 장치가 설계될 수 있다. 또한 전기 모터를 사용함으로써 오일 유압을 갖는 엑추에이터에 비해 화재 위험이 명백히 감소된다.

전기 모터는 바람직하게는 회전수가 제어된 싱크로너스 모터로서 형성된다. 상기와 같은 싱크로너스 모터는 특히 서보 증폭기와 결합하여, 모터 전력에 있어서 대략 0.1 mm 에서 대략 30 kW 까지의 매우 정확한 위치 조절을 가능하게 한다. 여기서, 상기 서보 증폭기는 주파수 변환기로서 작용하며 모터 흐름 및 모터 회전수의 통상적인 또는 위치에 따른 감소를 가능하게 한다. 여기서, 작동 파라미터의 적합한 매칭에 의해, 실제로 필요한 모든 구동력 및 구동 조절 속도가 제공될 수 있다.

상기 전기 모터의 회전 운동을 연결 로드를 구동시키는 선형 운동으로 변환하기 위해, 변환 장치는 바람직하게 크랭크 구동 장치 및 유성 연동 장치 등으로 형성된다.

크랭크 구동 장치에 의해 이송 속도에 따른 회전 모멘트-힘 변환이 가능하다. 또한 예컨대 터빈 내에서 나타나는 밸브의 급속 폐쇄에서 필수적인 단부 위치 댐핑이 이미 크랭크 구동 장치에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 밸브 코운(밀봉 부재)으로부터 밸브 시이트로의 급속 폐쇄시 속도를 감소시키기 위한 부가 장치는 필요에 따라 필요 없게 된다. 여기서, 상기 크랭크 구동 장치는 크랭크 부재, 특히 크랭크 디스크를 가지며, 상기 크랭크 디스크는 회전축에 대해 회전하고 상기 크랭크 디스크에서 연결 로드는 연결 지점에 고정되며, 그리고 상기 연결 지점은 크랭크 부재(크랭크 디스크)의 회전축으로부터 이격된다. 따라서, 상기 크랭크 디스크의 회전 운동시, 두 개의 최대 단부 위치 사이의 연결 로드는 상기 연결 로드의 주축을 따라 선형 운동을 수행한다. 이러한 단부 위치에서 크랭크 디스크에 의해 매우 높은 회전 모멘트가 생성될 수 있다. 왜냐하면, 각각의 단부 위치에서 상기 크랭크 디스크가 추력축의 방향으로 회전할 때 매우 적은 선형 경로가 회복되기 때문이다.

바람직하게 상기 엑추에이터는 연결 로드의 주축, 그리고 연결 지점과 회전축 사이의 연결선 사이에서 밸브의 폐쇄 위치가 달성될 때 각도는 5°와 20°사이, 바람직하게는 대략 10°의 영역에 형성되며, 이때 상기 연결 지점에서 연결 로드가 크랭크 디스크에 고정된다. 따라서, 상기 연결 지점은 최대의 단부 위치 가까이에서 밸브의 폐쇄 위치에 놓임으로써, 상기 크랭크 디스크의 회전시 높은 회전 모멘트 및 높은 힘이 연결 로드로 전달될 수 있다. 따라서, 엑추에이터에 의해, 매우 전력이 세고 회전 모멘트가 제어된 전기 모터를 제공할 필요없이 밸브 개방은 매우 간단해진다. 상기 연결 로드는 바람직하게는 커넥팅 로드에 연결되며, 상기 커넥팅 로드는 연결 지점, 특히 크랭크 디스크에 고정 연결된 리프팅 핀에 고정된다. 상기 커넥팅 로드는 연결 로드의 주축이 놓여있는 영역에서 상기 연결 로드 및 리프팅 핀에 회전 가능하게 연결된다.

변환 장치, 특히 크랭크 구동 장치에 의해 이송 속도에 따른 회전 모멘트-힘 변환이 또한 적용예에서 간단히 구현될 수 있는데, 이 적용예에서는 밸브를 개방하기 위해 예컨대 대략 200 kW 의 매우 높은 이송 속도력이 요구된다. 크랭크 반경(회전축과 연결 지점의 간격)의 변화에 의해, 또는 공급 지점, 즉 연결 지점이 밸브의 폐쇄 위치에서 취하는 위치의 변위에 의해, 크랭크 구동 장치의 특성 곡선(회전 모멘트 특성 곡선)이 상이한 요구에 매칭될 수 있다. 예컨대 증기 터빈의 급속 폐쇄 밸브에 있어서 밸브 개방을 위해 제공되는 매우 높은 힘과 관련된 크랭크 디스크의 구조 선택, 및 급속 폐쇄시 작용하는 스프링 저장기 어셈블리의 복원력은 가능한한 높은 가속력이 크랭크 구동 장치에서 실행되도록 이루어진다.

또한 이러한 변환 장치를 갖는 엑추에이터의 장점은 단부 위치 댐핑이 이미 회전하는 크랭크 디스크로부터 전달될 수 있다는데 있다. 이는 급속 폐쇄시 매우 중요한 의미를 갖는다. 왜냐하면, 한편으로는 밸브가 예컨대 2 m/s 의 평균 속도에 의해 폐쇄되어야만 하고, 다른 한편으로는 밸브 코운이 단지 예컨대 0.07 m/s 의 속도에 의해 밸브 시이트에 배치되어야만 하기 때문이다. 즉, 이러한 단부 위치 댐핑없이 밸브 코운이 거의 정지하지 않고 밸브 시이트로 이동하여, 스스로 손상되거나 또는 밸브 시이트를 손상시킬 수 있다.

급속 폐쇄시 연결 로드의 균일한 폐쇄 속도를 생성하는 스프링 저장기 어셈블리(복원 스프링 시스템)에 의해, 단부 위치 영역에서 더 큰 크랭크 각이 존재함으로써, 크랭크 디스크는 이 영역에서 더욱 가속된다. 더 큰 크랭크 각 및 크랭크 디스크에 대한 가속은 단부 위치 영역에서 특히 단부 위치 댐핑을 위해 사용될 수 있다.

상기 엑추에이터는 바람직하게 전자기 톱니 크러치를 가지며, 상기 톱니 클러치는 전기 모터로부터 연결 로드, 특히 변환 장치로의 힘 변환을 보장한다. 바람직하게, 상기 전자기 클러치는 포지티브한 클러치이며, 여기서 두 개의 클러치 부분이 포지티브하게 서로 결합됨으로써, 압착력 없이 두 클러치 부분에는 힘 모멘트 및 회전 모멘트 변환이 나타난다. 이에 반해, 넌-포지티브한 클러치에서는 양 클러치 부분은 고압으로 서로 프레스됨으로써, 상당 부분에서 힘 모멘트 및 회전 모멘트 변환이 나타난다.

전자기 클러치에 의해, 급속 폐쇄시 가속하는 질량이 극도로 적어지고 이를 통해 최소의 폐쇄 시간이 달성될 수 있다. 따라서, 상기 클러치의 개방시 예컨대 기어 및 크랭크 구동 장치용 구동 샤프트를 포함하면서, 전기 모터 및 상기 전기 모터에 배치된 회전 시스템과 크랭크 구동 장치와의 분리가 이루어진다.

전자기 클러치는 바람직하게 적어도 세 개의 서로 분리된 코일 시스템(여자기 코일)을 가지며, 상기 코일 시스템의 자체 고장시 톱니 클러치의 개방 및 폐쇄가 보장된다. 코일 시스템의 고장시 클러치가 기능을 수행할 수 있는, 서로 독립적으로 작동하는 코일 시스템의 이러한 시스템은 n from n-1 안전 기술로서 지시된다. 바람직하게, 상기 클러치는 세 개의 서로 독립적인 코일 시스템이고 2 from 3 안전 기술로서 설계된다. 상기 클러치를 폐쇄를 유지하기 위해, 여기서는 두 개의 코일 힘으로 충분하다. 상기 클러치의 개방은 코일이 클러치를 재차 결합시켜서, 남아있는 두 개의 코일이 클러치를 풀기 위해 스위칭될 경우에도 가능하다. 이러한 클러치는 바람직하게 이격 부재, 특히 클러치의 개방된 상태에서 클러치 부분의 결합을 서로 방해하는 스프링을 갖는다. 이러한 이격 부재에 대해 코일 시스템이 클러치의 폐쇄시 작용한다. 바람직하게, 상기 클러치는 모든 세 개의 코일 시스템(모든 n 코일 시스템)이 클러치를 폐쇄시키기 위해 작용하도록 실행된다.

톱니 클러치는 바람직하게는 클러치 축에 대해 회전가능한 클러치 디스크를 가지며, 상기 클러치 디스크는 클러치 축을 따라 전기 모터에 연결된 구동 샤프트와 결합되어 제공될 수 있다. 여기서, 상기 클러치 축은 바람직하게 변환 장치, 다시 말해 크랭크 구동 장치의 회전축과 동일하다. 또한 상기 클러치는 클러치 네이브를 가지며, 한 실시예에서 상기 클러치 네이브는 클러치 디스크에 포지티브하게 직접 연결되고 이격 수단, 특히 스프링에 의해 상기 클러치 네이브의 변환 장치로부터의 이격이 제공된다. 다른 실시예에서, 클러치 디스크는 이격 수단, 특히 스프링에 의해 클러치 네이브에 연결되어, 클러치 축을 따라 상기 클러치 네이브에 결합될 수 있다. 두 경우에서 전기 모터를 변환 장치로부터 분리하기 위해, 클러치의 개폐시 각각 단지 적은 질량이 이동되어야만 한다.

엑추에이터는 바람직하게 복원 스프링 시스템을 가지며, 상기 복원 스프링은 연결 로드에 연결되어, 상기 연결 로드에 밸브의 폐쇄 위치의 방향으로 힘을 가한다. 특히 급속 폐쇄시 상기 복원 스프링 시스템에 의해 연결 로드에 상응하는 힘이 작용함으로써 밸브가 폐쇄된다.

바람직하게, 톱니 클러치는 클러치 베어링에 의해 상기 톱니 클러치의 작동 중단시 경우에 따라 적은 힘이 제공될 수 있도록 지지된다. 또한 바람직하게, 클러치 베어링은 볼 조인트를 포함한다. 상기 클러치 디스크는 특히 바람직한 실시예에서 볼 조인트에 지지된 적어도 하나의 고정 로드에 의해 고정된다. 상기 톱니 클러치의 실시예에 의해 상기 고정 로드는 적은 힘에 의해 분리될 수 있다. 특히 높은 접착 마찰에 의해 톱니 클러치의 결합이 이루어지지 않음으로써, 상기 톱니 클러치의 분리가 저지될 수 있다.

증기 터빈을 위해 제기된 목적은 증기 흐름을 조절하기 위해 조종 밸브를 갖는 증기 터빈에 의해 달성되며, 이때 상기 조종 밸브는 위에 더 자세히 설명된 엑추에이터에 의해 개방되고 폐쇄될 수 있다.

본 발명에 의해 달성된 장점은 특히 연결 로드를 구동시키기 위해 제공된 전기 모터에 의해 엑추에이터가 압력 오일 없이 작동될 수 있다는 데 있다. 따라서, 특히 증기 터빈 내에 사용될 때 화재 위험이 적어진다. 또한 엑추에이터는 임의의 설치 위치에서 설치될 수 있고, 그리고 특히 큰 비용이 들지 않고 분산 유압 장치를 갖는 엑추에이터의 대신으로 사용될 수 있다. 상기 전기 모터는 적합한 제어에 의해 특히 간단한 방식으로 상이한 요구에 매칭될 수 있음으로써, 상기 엑추에이터는 매우 플렉시블하다. 변환 장치, 특히 크랭크 구동 장치는 마찬가지로 간단한 방식으로 상이한 요구에 매칭될 수 있다. 엑추에이터의 부품들, 특히 전기 모터 및 전자기 톱니 클러치는 간단한 수단에 의해 실행될 수 있으며 따라서 특히 정비하기 쉽다.

본 발명은 하기의 도면에 의해 더 자세히 설명된 실시예에 의해 기술된다. 도면은 부분적으로 개략적으로, 그리고 척도에 맞지 않게 실행되고 개관의 용이함과 이해를 돕기 위해 엑추에이터 및 증기 터빈을 설명하는데 필수적인 부품들을 포함한다.

도 1에는 증기 유입구(4), 증기 배출구(5) 및 그들 사이에 배치된 밸브 시이트(7)를 갖는 폐쇄 위치에 있는 증기 밸브(2)가 도시되어 있다. 상기 밸브 시이트(7)에는 밀봉 부분(6), 다시 말해 밸브 코운(6)이 놓여 있으며, 상기 밸브 코운(6)은 밸브(2)를 폐쇄시킨다. 상기 밸브 코운(6)은 밸브 연결 부분(3)을 가지며, 상기 밸브 연결 부분(3)에는 엑추에이터(1)가 연결된다. 상기 엑추에이터(1)는 주축(13)을 따라 연장되는 연결 로드(10)를 가지며, 상기 연결 로드(10)는 복원 스프링 시스템(12)에 연결된다. 상기 연결 로드(10)는 한편으로는 밸브 연결 부분(3)에, 다른 한편으로는 크로스 헤드(15)에 포지티브하게 연결된다. 상기 크로스 헤드(15)는 선형 가이드(14)와 결합됨으로써, 상기 연결 로드(10)는 단지 주축(13)을 따라 선형 운동만을 실행할 수 있다. 상기 크로스 헤드(15)에는 커넥팅 로드(11)가 연결 로드(10)의 주축(13)이 놓여있는 영역에서 회전할 수 있도록 배치된다. 상기 커넥팅 로드(11)는 마찬가지로 이 영역에서 변환 장치(30)의 리프팅 핀(34)에 회전 가능하게 연결된다. 상기 변환 장치(30)는 크랭크 구동 장치(31), 다시 말해 크랭크 샤프트를 갖는다. 상기 크랭크 샤프트(31)는 크랭크 디스크(33)를 가지며, 상기 크랭크 디스크(33)는 회전축(32)에 대해 연결 로드(10)의 영역 내에서 회전할 수 있다. 상기 리프팅 핀(34)은 회전축(32)에 대해 이격되어 있고 크랭크 디스크(33)에 포지티브하게 연결된다. 상기 리프팅 핀(34)은 크랭크 디스크(33)와 연결 로드(10) 사이의 연결 지점(34)을 말한다. 상기 크랭크 디스크(33)는 회전축(32)에 따라 연장되는 클러치 네이브(45)에 포지티브하게 고정 연결된다. 상기 회전축(32)의 방향으로 변환 장치(30)에는 톱니 클러치(40)가 연결된다. 상기 톱니 클러치(40)는 클러치 축(42)(회전축(32))에 대해 회전가능한 클러치 디스크(43)를 갖는다. 상기 클러치 디스크(43)는 이격 수단(44), 특히 접시 스프링에 의해 클러치 네이브(45)에 연결된다. 상기 클러치 디스크(43)를 향한 단부에서 클러치 네이브(45)는 원주 방향의 반응 톱니 휠(36)을 갖는다. 상기 반응 톱니 휠(36)은 중공 샤프트로서 형성된 구동 샤프트(21)에 의해 둘러싸인다. 상기 구동 샤프트(21)는 반응 톱니 휠(36)에 마주 놓이도록 작동 톱니 휠(47)을 갖는다. 상기 회전축(32), 반응 톱니 휠(36) 및 작동 톱니 휠(47)의 방향과 마주 놓이도록 클러치 디스크(43)는 클러치 디스크 기어링(46)을 갖는다. 상기 클러치 디스크 기어링(46)은 작동 기어 휠(47) 및 반응 기어 휠(36)과 결합되어 형성된다. 상기 구동 샤프트(21)는 세 개의 코일 시스템(41)(여자기 코일)을 가지며, 상기 코일 시스템(41)은 각각 180°에 대해 서로 이격된 두 개의 여자기 코일로서 이루어진다. 상기 회전축(32)의 방향으로 코일 시스템(41)에 마주 놓이도록 클러치 디스크(43)는 자기 복원부(48)를 가지며, 상기 복원부(48)에 의해 코일 시스템(41)에 전류가 인가될 때 클러치 디스크 기어링(46)이 작동 기어 휠(47) 및 반응 기어 휠(36)로 결합됨으로써 이격 수단(44)의 복원력에 대한 클러치 디스크(43)의 축 변위가 이루어진다. 상기 구동 샤프트(21)에는 다층 기어(22)가 연결되며, 상기 기어(22)는 전기 모터(20)에 연결된다. 특히 구동 샤프트(21) 및 클러치 네이브(45)의 회전 가능한 부분의 지지는 바람직하게 미끄럼 베어링에 의해 이루어진다.

상기 연결 로드(10)에는 측정 변환기(25)가 삽입되며, 상기 측정 변환기(25)는 연결 로드(10) 또는 밸브 스핀들의 위치 및 속도를 결정하는데 사용된다. 상기 측정 변환기(25)의 측정값은 개방 조절기(24)에 제공될 수 있다. 상기 개방 조절기(24)는 서보 증폭기(23)에 연결된다. 상기 서보 증폭기(23)는 모터(20)의 제어 및 코일 시스템(41)에 사용된다. 상기 서보 증폭기(23)는 바람직하게 주파수 변환기로서 실행된다. 상기 주파수 변환기에는 배터리 버퍼 전원 장치(29)에 의해 전류가 공급된다. 상기 주파수 변환기에는 입력부(28)를 통해 급속 폐쇄의 트리거링을 위한 신호들이 부하시 공급될 수 있다. 출력부(27)를 통해 서보 증폭기(23)에 의해 상이한 제어 방해 신호들이 감소될 수 있다.

도 2에는 마찬가지로 도 1에 따른 엑추에이터(1)와 유사하게 엑추에이터(1)가 도시되어 있다. 이들은 도시된 실시예에서 단지 클러치(40) 및 클러치(40)와 크랭크 구동 장치(31)간의 연결이 형성됨으로써 구분된다. 밸브, 연결 로드, 전기 모터 및 엑추에이터의 추가 부재의 설명에 관해서는, 도 1에 대한 설명이 언급될지도 모른다. 도 2에 따르면, 클러치 네이브(45)는 클러치 디스크(43)에 포지티브하게 고정 연결된다. 상기 클러치 디스크(45)는 이격 수단(44), 특히 접시 스프링에 의해 크랭크 디스크(33)에 연결된다. 상기 접시 스프링(44)은 클러치(40)를 개방하도록, 다시 말해 클러치 디스크(43)는 구동 샤프트(21)로부터 축방향으로 이격되어 설계되기 때문에, 상기 클러치(40)는 개방되어 있다. 상기 클러치 네이브(45)에는 크랭크 구동 장치(31)를 갖는 축방향 노치 기어링(35)이 제공된다. 이를 통해, 상기 클러치 디스크(43)의 회전 운동이 크랭크 디스크(33)의 회전 운동으로 변환될 수 있다. 상기 구동 샤프트(21)에는 클러치 디스크(43)로부터 축방향으로 이격되어 작동 기어 휠(47)이 제공된다. 상기 작동 기어 휠(47)에 축방향으로 마주놓이도록 상기 클러치 디스크(43)는 반응 기어 휠(36)을 가지며, 상기 반응 기어 휠(36)은 작동 기어 휠(47)에 포지티브하게 결합된다.

밸브의 개방 제어에 있어서, 전기 모터(20)의 자세히 도시되지 않은 샤프트의 회전 운동은 다층 기어(23)의 회전 모멘트 변환에 의해 중공 구동 샤프트(21)로 전달된다. 상기 구동 샤프트(21)는 전자기 클러치(40)에 의해 크랭크 디스크(33)에 연결된다. 상기 크랭크 디스크(33)에는 회전축(32)으로부터 변위되어(크랭크 반경) 리프팅 핀(34)이 배치된다. 상기 크랭크 디스크(33)의 회전에 의해 연결 로드(10)에 포지티브하게 연결된 크로스 헤드(15)를 통해 커넥팅 로드(11)에 의해 연결 로드(10)의 선형 운동이 생성된다. 여기서, 상기 연결 로드(10)는 이미 밸브의 폐쇄 위치에서 복원 스프링 시스템(12)의 복원력에 의해 하중을 받으며, 상기 복원 스프링 시스템(12)은 밸브 접시 스프링 저장기 어셈블리로서 형성된다. 상기 엑추에이터(1)의 개방 운동에 있어서 상기 복원 스프링 시스템(12)은 더욱 팽팽해져서, 밸브(2)의 개방 위치에서 그의 최대의 복원력을 달성한다.

상기 밸브(2)의 급속 폐쇄를 위해 코일 시스템(41)은 전류 없이 스위칭된다(정적 전류 법칙). 이러한 급속 폐쇄의 도입은 예컨대 터빈 급속 차단시, 자가 필요에 의한 부하 차단시, 배치된 터빈의 공칭 회전수에 대한 부하 차단시 및 전원 고장시 이루어진다. 상기 코일 시스템(41)을 차단함으로써 코일 시스템(41)과 클러치 디스크(43) 간의 자기 인력은 생략되며, 이를 통해 전자기 클러치(40)는 이격 수단(44)의 복원력에 의해 개방된다. 이를 통해, 연결되는 다층 기어(22) 및 전기 모터(20)에 의해 구동 샤프트(21)는 크랭크 구동 장치(31)로부터 분리된다. 따라서, 전기 모터(20)의 회전 모멘트는 복원 스프링 시스템(12)의 복원력에 대해 더이상 효력을 발생하지 않는다. 따라서, 밸브(2)는 예컨대 100 ms 의 급속 제어 시간에 의해 폐쇄 위치로 이른다.

도 1에 도시된 실시예에서는 단지 클러치 디스크의 적은 질량이 축방향으로 이동한다. 작동 기어 휠(47)이 반응 기어 휠(36)에 바로 마주놓이게 배치되어 있으면서 간단한 클러치 기어링을 갖는 도 2에 따른 실시예에 따르면, 부가로 클러치 네이브(45)가 축방향으로 이동될 수 있다. 두 실시예에서 클러치 디스크(46, 36)의 기어링과 구동 샤프트(작동 기어 휠(47))의 기어링간의 간격은 서로에 대한 회전이 방해받지 않도록 정해진다. 상기 클러치(40)의 폐쇄는 코일 시스템(41)에 전류를 공급함으로써 이루어지며, 이를 통해 코일 시스템(41)으로부터 클러치 디스크(43)의 자기 복원부(48)로 자기 인력이 작용하며, 그리고 클러치(40)는 구동 샤프트(21) 내로 삽입된다. 상기 클러치 디스크(43)가 구동 샤프트(21) 내에 삽입될 때 상응하는 기어 휠(36, 46, 47)이 선택된 실시예에 상응하여 서로 포지티브하게 결합된다. 이를 통해, 상응하는 기어 휠(36, 46, 47) 간에 포지티브한 회전 모멘트 변환이 이루어진다. 여기서, 톱니 플랭크는 바람직하게 탄화되고 연마된다. 각각의 기어 휠이 특히 밸브(2)의 최대 개방시 서로 포지티브하게 결합될 때, 톱니 플랭크에 대한 표면 프레싱이 나타남으로써, 클러치(40)의 윤활이 오일에 의해 이루어질때 클러치(40)의 개방을 저지하는 접착 마찰이 생성된다. 톱니 크랭크 사이에 대략 μ= 0.1 인 마찰값을 갖는 윤활된 접착 마찰이 존재할 경우, 톱니 플랭크는 마찰 저항을 간단히 극복하기 위해 대략 11.5°의 각도로 경사진다.

바람직하게 분할된 세 개의 코일 시스템(41)이 제공되며, 각각의 코일 시스템(41)은 구동 샤프트(21)에서 180°만큼 변위되어 배치된 두 개의 여자기 코일을 갖는다. 상기 코일 시스템(41)은 2 from 3 안전 기술에 따라 설계됨으로써, 클러치가 이격 수단(44)(접시 스프링)의 복원력에 대해 폐쇄되도록 하기에 두 코일의 전자기 힘은 충분하다. 클러치의 폐쇄를 위해 세 개의 코일 시스템(41) 모두 작동될 수 있어야만 한다. 클러치(40)의 개방을 위해 두 개의 코일 시스템(41)의 능력으로 충분하기 때문에, 코일 시스템(41)은 전체적으로 전류가 통하는 상태에 있고 그럼에도 불구하고 클러치(40)는 개방된다. 상기 여자기 코일(41)의 흐름 인터럽트가 중단되어, 상기 여자기 코일(41)이 급속 폐쇄시 전류를 공급할 지라도, 클러치(40)는 개방된다. 이를 통해, 상기 클러치(40)의 이용가능성 및 개방 안전성이 높아진다.

도 3 에는 고압 증기 터빈(8)의 수평 단면도가 도시된다. 상기 증기 터빈(8)은 서로 마주놓이도록 배치된 두 개의 조종 밸브(2)를 갖는다. 각각의 조종 밸브(2)에는 도 1 또는 2에 기술된 바와 같이 엑추에이터(1)가 배치된다. 상기 조종 밸브(2)는 엑추에이터(1)용 밸브 폐쇄 부분(3), 증기 유입구(4), 증기 배출구(5), 밸브 코운(6) 및 관련 밸브 시이트(7)를 갖는다. 상기 증기 터빈(8)은 터빈 샤프트(9) 및 상기 터빈 샤프트(9)를 둘러싸는 하우징(18)을 갖는다. 상기 하우징(18) 및 터빈 샤프트(9)에는 터빈 블레이드 장치(16)가 배치된다. 상기 증기 터빈(8)의 작동시 증기(17)는 조종 밸브(2)에 의해 증기 터빈(8) 내로 통하고 블레이드 장치(16)에 의해 터빈 샤프트(9)를 구동시킨다. 여기서, 상기 조종 밸브(2)는 제어 밸브 및/또는 결합된 제어 및 급속 폐쇄 밸브로서 형성될 수 있다.

도 4는 톱니 클러치(40)의 부가 실시예의 종단면도를 도시한다. 상기 클러치 네이브(45)는 디스크 형태의 부착물(111)에 의해 폐쇄된다. 상기 디스크 형태의 부착물(111)은 고정 로드(109)에 의해 클러치 디스크(43)에 연결된다. 상기 고정 로드(109)는 제 1 볼 조인트(105B)에서 디스크 형태의 부착물(111)에 연결된다. 상기 고정 로드(109)는 다른 단부에서 두 개의 볼 조인트(105A)에 의해 클러치 디스크(43)에 연결된다. 이러한 실시예에 의해 도 2의 축방향 노치 기어링(35)은 없어도 된다. 회전 모멘트의 변환 장치(30)로의 변환은 고정 로드(109)에 의해 이루어진다. 상기 볼 조인트 내에 지지됨으로써 클러치 축(42)을 따른 축 방향 이동에 있어서 접착 마찰은 나타나지 않는다. 따라서, 상기 톱니 클러치(40)는 적은 힘에 의해 분리될 수 있다. 이에 따라, 높은 마찰력에 의해 톱니 클러치(40)의 분리 차단을 막을 수 있다. 따라서, 작동 안전은 더욱 증가된다.

도 5는 도 4의 톱니 클러치(40)의 조망도이다. 여기서, 디스크 형태의 부착물(111)의 톱날 형태를 볼 수 있다. 이에 따라, 고정 로드(109)가 회전시 자유로이 이동할 수 있다.

Claims

밸브(2)의 개방 위치를 조절하기 위한 연결 로드(10) 및 상기 연결 로드(10)를 구동시키기 위한 전기 모터(20)를 갖는, 특히 터빈의 밸브(2)용 전기 기계적 엑추에이터(1)에 있어서,

상기 연결 로드(10) 및 전기 모터(20)가 변환 장치(30)에 연결되며, 상기 연결 로드(10) 및 전기 모터(20)에 의해 변환 장치(30)가 연결 로드(10)의 각각의 축 변위에 따라, 변화되는 회전 모멘트를 생성시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 전기 기계적 엑추에이터.
제 1항에 있어서,

상기 변환 장치(30)가 유성 기어 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 기계적 엑추에이터.
제 1항에 있어서,

상기 변환 장치(30)가 크랭크 구동 장치(31)를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 기계적 엑추에이터.
제 3항에 있어서,

상기 크랭크 구동 장치(31)는 회전축(32)에 대해 회전가능한 크랭크 디스크(33)를 가지며, 상기 연결 로드(10)는 예컨대 커넥팅 로드(11)에 의해 회전축(32)으로부터 이격된 연결 지점(34)에서 크랭크 디스크(33)에 고정되는 것을 특징으로 하는 전기 기계적 엑추에이터.
제 4항에 있어서,

상기 밸브(2)의 폐쇄 위치가 달성될 때 상기 연결 지점(34)과 주축(13) 사이의 회전축(32)으로부터 출발하여, 각도가 5°와 20°사이의 영역, 바람직하게는 대략 10°인 것을 특징으로 하는 전기 기계적 엑추에이터.
상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 변환 장치(30)와 전기 모터(20) 사이에 전자기 톱니 클러치(40)가 제공되는 것을 특징으로 하는 전기 기계적 엑추에이터.
제 6항에 있어서,

상기 전자기 톱니 클러치(40)가 적어도 세 개의 서로 독립적인 코일 시스템(41)을 가지며, 상기 코일 시스템(41)의 고장시에도 상기 톱니 클러치(40)의 개방 및 폐쇄가 보장되는 것을 특징으로 하는 전기 기계적 엑추에이터.
제 6항 또는 7항에 있어서,

상기 톱니 클러치(40)가 클러치 축(42)에 대해 회전가능한 클러치 디스크(43)를 가지며, 상기 클러치 디스크(43)가 클러치 축(42)을 따라서 전기 모터(20)에 연결된 구동 샤프트(21)와 결합되어 제공될 수 있는 것을 특징으로 하는 전기 기계적 엑추에이터.
제 8항에 있어서,

상기 클러치 디스크(43)가 이격 수단(44), 특히 스프링에 의해 클러치 네이브(45)에 연결되어, 상기 클러치 축(42)을 따라서 상기 클러치 네이브(45)에 결합되어 제공될 수 있는 것을 특징으로 하는 전기 기계적 엑추에이터.
제 8항에 있어서,

상기 클러치 디스크(43)가 상기 클러치 네이브(45)에 포지티브하게 연결되며, 상기 클러치 네이브(45)는 이격 수단(44), 특히 스프링에 의해 상기 변환 장치(30)에 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 기계적 엑추에이터.
상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 연결 로드(10)에 복원 스프링 시스템(12)이 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 기계적 엑추에이터.
제 6항 내지 11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 톱니 클러치(40)가 클러치 베어링(102)에 의해, 상기 톱니 클러치(40)의 분리시 경우에 따라 적은 힘이 제공되는 것을 특징으로 하는 전기 기계적 엑추에이터.
제 12항에 있어서,

상기 클러치 베어링(102)이 볼 조인트(105)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계적 엑추에이터.
제 8항 및 14항에 있어서,

상기 클러치 디스크(43)가 상기 볼 조인트(105) 내에 지지된 적어도 하나의 고정 로드(109)에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 전기 기계적 엑추에이터.
상기 항들 중 어느 한 항에 따른 엑추에이터(1)가 제공되는, 증기 흐름을 조절하기 위한 조종 밸브(2)를 갖는 증기 터빈.