NO326524B1 - Aktuator for en pilot for hydrauliske kontrollventiler - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen angår en aktuator for en pilot for hydrauliske kontrollventiler med likestrøms elektromotor, servomotor (1) med et gear (4), drevet av batteri (2), som lades av batterilader (13) under normal drift. Videre har aktuatoren en kontroller (3), en gjenget ventilspindel (5), to ventilkuler (7) forbundet med en fjærbelastet pilotnål (8), en returfjær (9) og oljeløp ( 10, 11 og 12). Servomotoren (1) har drift på ventilspindelen (5) som ligger an mot den fjærbelastet pilotnål (8), hvis posisjon er bestemt av en mikroprosessor montert på kontrollerens (3) kort, og av signal fra servomotoren (1). Blir et styresignal brutt, vil kontrolleren (3) drive ventilspindelen (5) til ønsket posisjon ved hjelp av strøm fra batteriet (2). Med motordata gis diagnostikk av piloten (8) basert på tilbakemelding av spindelposisjon. Ventilens åpne 1 stengte karakter blir bestemt for å unngå trykkstøt. Det gis full kontroll av operasjonstiden, og det er moment for funksjon og ventilens posisjon. Batteriet (2) driver servomotoren (1) til ønsket posisjon om signalet mistes, og omprogrammering under drift er mulig.

Description

AKTUATOR FOR PILOT FOR HYDRAULISKE KONTROLLVENTILER

Oppfinnelsen angår aktuator for en pilot for hydrauliske kontrollventiler, som angitt i innledningen til det medføl-gende krav 1.

Strømforbruket er hovedproblemet med dagens ventilpiloter som opereres med magnetspole (solenoid). Magnetens jernkjerne ut-fører en lineær bevegelse når det blir satt strøm på spolen, og en fjær setter kjernen tilbake i utgangsposisjon. For å unngå å ha en konstant strøm på spoler på grunn av strømfor-bruk og temperatur er det vanlig å benytte seg av lavenergi-solenoider og pulsoperering av kontrollventiler med hydraulisk holdefunksjon, såkalt hydraulisk latch.

Dette har flere ulemper:

• I noen tilfeller vil en spole være et problem på grunn av høyt strømforbruk. Spoler med lavt strømforbruk, typisk 0,125 A, 3W ved 24 DC, har en høy feilrate. En strømspole er et enkelt av/på element, og mangler flere av de funksjoner som omsøkte oppfinnelse har. • Det er vanlig å ta hydraulisk pilotoperasjonstrykk fra kontrollventilens hydraulikktilførsel. Den hydrauliske holdefunksjonen kan være ustabil, slik at dersom tilfør-selstrykket reguleres for lavt, eller dersom trykket faller under kritisk nivå ved ventiloperasjoner, kan holdefunksjonen svikte, noe som kan få uønskede konse-

kvenser.

• Operasjon med strømspole kan gi uønskede trykkstøt på grunn av momentan operasjon og manglende demping. • Ventilen er bundet til en bestemt feilfunksjon, feil åpen/lukket eller "as-is".

Fra litteraturen hitsettes som bakgrunnsteknikk:

EHPC Aktuatorer for dampturbiner;

http//www.woodward.com/pdf/ic/85189.pdf

PGPL Aktuatorer for dampturbiner;

http//www.woodward.com/pdf/ic/37520.pdf

De to fremtrukne publikasjoner beskriver kommersielle hylle-varer med aktuator hvor piloten bare trekker noen få milliampére, og hvor aktuatoren har en likestrøms elektromotor.

Sammenligningen med foreliggende oppfinnelse er ikke rele-vant, idet foreliggende oppfinnelsen skiller seg vesentlig fra disse ved forskjellig applikasjon og funksjonalitet, som kjennetegnes ved at: • Applikasjonen for foreliggende oppfinnelse er en pilot typisk beregnet for styring av en kontrollventil i en undervanns kontroilmodul for operasjon av undervanns produksjonsutstyr eller verktøy, der krav til overvåking og nødavstenging er høyt. • Woodwards anvendes typisk for kontroll av hovedsteg i en prosessventil for kontroll av drivstofftilførsel og gjennom denne kontroll av pådrag/omdreining av dieselmo-tor/turbin. • Det er viktig å merke seg at oppfinnelsen gjelder en pi-lotfunksjon og ikke hovedsteget i en hydraulikkventil.

Oppfinnelsen skal gi en intelligent kontrollfunksjon for en hydraulisk pilot for operasjon av en undervanns hydraulikkventil eller en ventil på overflaten.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste en av ulempene ved kjent teknikk.

Formålet oppnås ved trekk som er angitt i nedenstående be-skrivelse og i etterfølgende patentkrav.

Foreliggende søknad vedrører en aktuator for en pilot for hydrauliske kontrollventiler, og aktuatoren er kjennetegnet ved de i patentkrav fremsatte karakteristikker.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende enkeltfi-gur, hvor: Fig. 1 viser et lengdesnitt gjennom en anordning ifølge oppfinnelsen, hvor henvisningstallet 1 angir en likestrøms servomotor 1 tilknyttet et batteri 2 samt en kontroller 3 i en mikroprosessor, og er forsynt med et gear 4. En ventilspindel 5 er tilknyttet gearet 4 og anordnet i et ventilhus 6 To ventilkuler 7 ligger an mot en pilotnål 8 ved hjelp av en f jær/returf jaer 9, og ventilhuset 6 er forsynt med en oljereturport 10, en pilotport 11 og en hydraulikktilførsel 12. Videre rommer ventilhuset 6 en batterilader 13, og en gjengespindel 14 med gjengespindelmutter 15 er anordnet mellom gearet 6 og ventilspindelen 5. Ventilhuset er forsynt med en gjennomføring 16 for ledning.

Servomotoren 1 med påmontert gear 4 med stor utveksling driver ventilspindelen 5 som ligger an mot den fjærbelastete pilotnålen 8.

Ventilspindelens 5 posisjon bestemmes av en mikroprosessor som er montert på et kort i kontrolleren 3, idet denne leser servomotorens 1 posisjon. Dersom kontrollsignalet faller bort, vil kontrolleren 3 kunne drive ventilspindelen 5 til ønsket posisjon ved hjelp av strøm fra batteriet 2.

Den roterende bevegelsen overføres til en lineær bevegelse ved hjelp av gjengespindelen 14 og gjengespindelmutteren 15 som aktiverer pilotnålen 8.

Ved å erstatte en solenoidoperert pilotaktuator ifølge kjent teknikk med en pilot operert av en aktuator ifølge oppfinnelsen, oppnås fordeler med henblikk på strømforbruk, kontroll og sikker operasjon:

- Man sikrer ventilposisjonen uavhengig av operasjonstrykk.

- Kontroll av ventilens åpne/lukke-karakteristikk hindrer hydrauliske trykkstøt. - Systemfleksibiliteten økes gjennom mulighet for omprogrammering av ventilens feilposisjon.

- Aktiv overvåking av ventilens posisjon.

- Den hydrauliske holdefunksjonen erstattes.

- Piloten kan brukes til å få en patronventil til å møte krav til kontrollventiler som brukes i oljeindustrien, så som feilfunksjon åpen/lukket eller "as-is"-funksjon mens ventilen er i bruk. - Ved hjelp av motordata utføres diagnostikk av piloten ved at det gis tilbakemelding av spindelens 5 posisjon. - Økt fleksibilitet med programmering av ventilens funksjon vil gi gevinst ved standardisert innkjøp av ventiler og ved reservedelsinnkjøp.

- Man har full kontroll av operasjonstiden.

- Man har tilgang på tilstrekkelig moment for å oppnå en sikker funksjon, og ventilens posisjon er sikret uten de ulemper man har med en hydraulisk holdefunksjon ("latch"). - Piloten trekker bare noen få milliampére strøm når den er aktivert. - Man har tilbakemelding på posisjon og kan via motordata etablere en diagnostikk av piloten. I noen tilfeller kan dette åpne mulighet for å utelate trykktransmittere på ventilens utgang for tilbakemelding, noe som kan være ønskelig av plass- og kostnadshensyn. - Batteriet 2 sørger for at servomotoren 1 går til ønsket posisjon om man mister signalet. Batteriet 2 lades av batteriladeren 13 under normal drift. - Omprogrammering av ventilens feil åpen/lukket eller "as-is"-funksjon er mulig mens ventilen er i drift, og man kan ha forskjellig funksjon når kontrollsystemet opererer i en ny operasjonsmodus, om dette er ønskelig. - Mikroprosessoren 3 i piloten styrer servomotoren 1 med po-sisjonsgiver. Det er en pulsteller i servomotoren 1 som kan gi høy oppløsning av pulser per omdreining og stor nøyaktig-het ved operasjon av piloten. Dette gir mulighet for å konfi-gurere og endre åpne- og stengekarakteristikken for ventilen.

Dagens ventiler som blir brukt til disse applikasjonene, bru-ker spoler og har en ren av/på-funksjon. Ved høyt operasjonstrykk kan kritiske pulsstøt i hydraulikksysternet dempes gjennom kontroll av åpningskarakteristikken for piloten ifølge

oppfinnelsen.

- Funksjonen åpner for elektrisk holdefunksjon som et supple-

ment til hydraulisk holdefunksjon. Med elektrisk holdefunksjon i dag er strømforbruket høyt, siden spole ligger med full strøm. Dette unngås med omsøkte oppfinnelse, og både temperatur og strømforbruk reduseres. - Mikroprosessoren 3 gjør det mulig å omprogrammere funksjo-nene via kommunikasjon fra overflaten. Typisk endring er fra normalt stengt til normalt åpen eller "fail as is". - Kontrollsystemet skal ha tilbakemelding/kontinuerlig moni-torering fra overflaten, noe som er viktig, men ikke oppnås med kjent teknikk. Dette trekker noen få milliampére for å holde kretsen aktiv. - Med batteriet 2 og batteriladeren 13 i piloten kan ventiler nødopereres flere ganger dersom strømtilførsel fra overflaten brytes. - Dersom hovedkommunikasjon brytes, skal ventilene automatisk kunne gå til en forutbestemt posisjon. - Oppfinnelsen åpner for bruk av patronventiler i en undervanns kontrollmodulapplikasjon. Patronventiler har gunstig størrelse i forhold til montering i manifold, men dagens pi-loter for patronventiler tilfredsstiller ikke "fail safe"-krav. Man kan redusere fysisk størrelse av en ventilmanifold til omkring en tredel av dagens dimensjon. Fordeler med dette er redusert vekt, og at man oppnår mer kompakt design for forskjellige undervannsapplikasjoner.

Claims (4)

1. Aktuator for en pilot for en hydraulisk kontrollventil omfattende en likestrøms servomotor (1) forsynt med et gear (4) med stor utveksling og innrettet til å kunne bli drevet av et batteri (2) tilknyttet en batterilader (13), samt en oljereturport (10), en pilotport (11) og en hydraulikktilførsel (12), karakterisert ved at servomotoren (1) via gearet (4) er innrettet til å kunne bevege en ventilspindel (5) som via en første ventilkule (7) ligger an mot en fjærbelastet pilotnål (8) som motstående den første ventilkulen (7) ligger an mot en andre, fjærbelastet ventilkule (7), idet en fjær og en returfjær (9) er innrettet til å skyve ven-tilkulene (7) mot pilotnålen (8), og en mikroprosessor tilknyttet en kontroller (3) er innrettet til å kunne bestemme ventilspindelens (5) posisjon ved registrering av servomotorens dreieposisjon; og kontrolleren (3), dersom et styresignal blir brutt, er innrettet til å kunne drive ventilspindelen (5) til en forutbestemt posisjon ved hjelp av strøm fra batteriet (2).

2. Aktuator ifølge krav 1, karakterisert ved at servomotorens (1) roterende bevegelse drei-er en gjengespindel (14)relativt en gjengespindelmutter (15), hvis dreining bevirker en lineær bevegelse av pilotnålen (8).

3. Aktuator ifølge krav 1, karakterisert ved at det med motordata gis diagnostikk av piloten basert på registrering av posisjonen til ventilspindelen (5) .

4. Aktuator ifølge krav 1, karakterisert ved at servomotorens rotasjonshastighet er juster-bar.