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Die Erfindung betrifft ein elektrohydraulisches System für den Einsatz unter Wasser, insbesondere in großen Wassertiefen, mit einem elektrohydraulischen Stellantrieb. Der elektrohydraulische Stellantrieb dient insbesondere zur Betätigung von Unterwasser-Armaturen. Das System umfasst einen Behälter, der einen Innenraum, der zur Bildung eines zur Umgebung abgeschlossenen und zur Aufnahme eines hydraulischen Druckfluids vorgesehenen Volumens vorgesehen ist. Das System umfasst des Weiteren einen Hydrozylinder und eine Hydromaschine, die im Inneren des Behälters angeordnet sind.
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Solche Art elektrohydraulischer Systeme werden vor allem dazu benutzt, um unter Wasser in Wassertiefen bis zu mehreren tausend Metern im Zusammenhang mit der Förderung von Erdöl und Erdgas, mit Bergbau, naturwissenschaftlichen Erkundigungen oder Infrastrukturprojekten ein Element zu bewegen. So befinden sich z. B. bei Erdöl- oder Erdgasförderanlagen auf See in großen Tiefen Prozessventile, mit denen der Volumenstrom des zu fördernden Mediums geregelt oder abgesperrt werden kann.
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Ein elektrohydraulisches System kann mit einem elektrohydraulischen Stellantrieb ausgeführt sein, das einen Behälter umfasst, in dessen Innenraum eine zumindest als Pumpe betreibbare hydrostatische Maschine und eine mit der hydrostatischen Maschine mechanisch gekoppelte Elektromaschine angeordnet sind. Der Hauptantrieb des Stellantriebs erfolgt dabei über einen elektrischen Motor, der die Pumpe antreibt und so einen hydraulischen Zylinder mit einer geradlinigen Bewegung verstellt. Der Elektromotor verbraucht erhebliche elektrische Energie, die z. B. über Seekabel herangeführt werden muss. Der Stellantrieb verstellt z. B. große Produktionsarmaturen von Öl- oder Gasbohrlöchern, die die Fördermenge regeln. Damit ein Prozessventil auch manuell durch einen Roboter, wie z. B. durch ein Remote Operated Vehicle (ROV) oder ein Autonomous Underwater Vehicle (AUV) betätigt werden kann, z. B. in einem Notfall, ist an dem Behälter eine manuelle Schnittstelle vorhanden, von der ausgehend eine Stange mit einem Kolben in dem Zylinder gekoppelt ist. In der Schnittstelle kann die Stange ein Bewegungsgewinde aufweisen und mit einer mit einem Innengewinde versehenen und axial fixierten Schraubenmutter zusammenwirken, die zum Betätigen des Prozessventils gedreht wird. Nachteilig bei dieser Anordnung ist der anlagemäßige Aufwand. Erforderlich hierbei ist ein großer Bauraum. Außerdem stört die begrenzte Lebensdauer. Weiterhin steht die manuelle Betätigung einer häufigen Verstellung eines Prozessventils im Betrieb im Wege. Darüber hinaus ist die mechanische Anordnung empfindlich gegenüber Stößen und Vibrationen, die durch das Unterwasserfahrzeug erfolgen können.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrohydraulisches System und eine Vorrichtung zu schaffen, die die genannten Nachteile lindern oder sogar vermeiden. Insbesondere sollen auf konstruktiv einfache Weise eine kompakte Bauweise, namentlich ein kleiner Bauraum und eine gesteigerte Lebensdauer verwirklicht werden. Außerdem soll eine häufige Verstellung des Stellantriebs auf einfache Art ermöglicht werden.
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Diese Aufgaben werden gelöst mit einem elektrohydraulischen System und mit einer Vorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, weitere Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung anführen, die mit den Merkmalen aus den Patentansprüchen kombinierbar sind.
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Hierzu trägt ein elektrohydraulisches System für den Einsatz unter Wasser mit einem elektrohydraulischen Stellantrieb und mit einem Behälter bei, wobei in einem Innenraum des Behälters ein Hydrozylinder oder ein Hydromotor und eine Hydromaschine vorhanden sind. Eine Drehantriebseinrichtung ist mit der Hydromaschine für eine gemeinsame drehende Bewegung mechanisch gekoppelt. Die Hydromaschine kann den Hydrozylinder und/oder Hydromotor verstellen. Die Drehantriebseinrichtung ist außerhalb des Behälters angeordnet und für eine Ankopplung an die Hydromaschine und für eine Abkopplung von der Hydromaschine eingerichtet.
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Das hier vorgestellte elektrohydraulische System mit dem elektrohydraulischen Stellantrieb hat den Vorteil, dass auf konstruktiv einfache Art ein kleinerer Bauraum mit einer gesteigerten Lebensdauer kombiniert sind. Insbesondere ist eine häufige Verstellung durch das Unterwasserfahrzeug, bspw. einen Roboter, ermöglicht. Schließlich werden unerwünschte Stöße und Vibrationen auf den Hydrozylinder vermieden, die durch das Unterwasserfahrzeug auftreten können.
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Bevorzugt wird die Drehantriebseinrichtung zur mechanischen Notverstellung des Hydrozylinders herangezogen. Zweckmäßig dient die Drehantriebseinrichtung zur ständigen Verstellung des Hydrozylinders.
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Mit Vorteil ist der Hydrozylinder ein Differentialzylinder. Vorzugsweise ist der Hydrozylinder ein Gleichgangzylinder.
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Zweckmäßig ist der Hydrozylinder mit einem längs verschiebbaren Kolben zur Verstellung eines Prozessventils ausgebildet.
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Vorzugsweise umfasst der Hydrozylinder eine Schraubendruckfeder zur Rückstellung des Hydrozylinders.
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Bevorzugt ist mindestens ein Magnetventil derart angeordnet, dass bei einem Ausfall des elektrischen Stroms die zweite Zylinderkammer des Hydrozylinders hydraulisch entlastet wird.
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Es kann zweckmäßig sein, dass eine elektrische Schnittstelle vorgesehen und für den Not-Halt so eingerichtet ist, dass diese (nur) die Sicherheitsventile betätigt und eine Zustandsüberwachung über die (vorgesehenen) Sensoren (Weggeber, Positionsmelder, Drucksensoren, Temperatursensoren, etc.)
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Es können Sitzventile bzw. Rückschlagventile und/oder hydraulisch sperrbare Ventile derart angeordnet sein, dass bei Abkoppelung der Drehantriebseinrichtung die Position des Hydrozylinders (im Wesentlichen) unverändert bleibt bzw. aufrecht erhalten wird.
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Es kann mindestens ein Druckbegrenzungsventil vorgesehen sein, das derart angeordnet und eingerichtet ist, dass der maximale hydraulische Systemdruck effektiv begrenzbar ist.
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Vorzugsweise ist die Hydromaschine als hydrostatisches Getriebe ausgebildet. Bevorzugt ist die Hydromaschine als hydraulische Pumpe betreibbar.
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Zweckmäßig umfasst die Drehantriebseinrichtung einen Elektromotor. Der Elektromotor kann außerhalb des Behälters (im Seewasser-Bereich) vorgesehen sein. Es ist möglich, einen separaten Elektromotor innerhalb des Behälters als zusätzlichen Antrieb vorzusehen.
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Mit Vorteil umfasst ein ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug die Drehantriebseinrichtung. Die Drehantriebseinrichtung ist bevorzugt ein Drehmoment-Werkzeug eines Unterwasser-Roboters.
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Vorzugsweise ist zwischen der Drehantriebseinrichtung und der Hydromaschine eine Kopplungseinrichtung vorhanden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zur Anordnung unter Wasser und zur Steuerung eines förderbaren Volumenstroms eines gasförmigen oder flüssigen Mediums vorgeschlagen, welche mit einem Prozessventil ausgeführt ist. Das Prozessventil hat ein Prozessventilgehäuse, einen Prozessventilschieber, mit dem das Volumen steuerbar ist. Weiter ist ein Hydrozylinder vorgesehen, der dem Prozessventilgehäuse zugeordnet und mit dem Prozessventilschieber bewegbar ist. Die Vorrichtung hat zudem ein elektrohydraulisches System mit einem elektrohydraulischen Stellantrieb, wobei eine Drehantriebseinrichtung an einem ferngesteuerten Unterwasserfahrzeug angeordnet ist, die eine hydraulische Pumpe antreibt, die den Hydrozylinder verstellt. Mit Vorteil wird anstelle des Hydrozylinders ein rotatorischer Hydromotor verwendet. Hinsichtlich der Beschreibung des Aufbaus bzw. der Funktion des elektrohydraulischen Systems kann auf die weiteren Beschreibungen Bezug genommen werden.
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Die Erfindung und das technische Umfeld werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Dabei sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Darstellungen sind schematisch und nicht zur Veranschaulichung von Größenverhältnissen vorgesehen. Die mit Bezug auf einzelne Details einer Figur angeführten Erläuterungen sind extrahierbar und mit Sachverhalten aus anderen Figuren oder der vorstehenden Beschreibung frei kombinierbar, es sei denn, dass sich für einen Fachmann zwingend etwas anderes ergibt bzw. eine solche Kombination hier explizit untersagt wird. Es zeigen schematisch:
- 1: eine Seitenansicht der Vorrichtung bei geschlossenem Prozessventil;
- 2: ein Blockschaltbild mit Drehantriebseinrichtung, Drehmomentübertragung und Hydromaschine,
- 3: ein Blockschaltbild wie 2, jedoch mit einer Kopplungseinrichtung,
- 4: eine erste Ausführungsform mit innen angeordnetem Hauptantrieb für einen Hydrozylinder ohne Druckfeder,
- 5: eine zweite Ausführungsform mit innen angeordnetem Hauptantrieb für einen Hydrozylinder mit Druckfeder und
- 6: eine dritte Ausführungsform ohne innen angeordneten Hauptantrieb für einen Hydrozylinder.
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Die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele eines elektrohydraulischen Systems weisen gemäß 1 ein Prozessventil 1 mit einem Prozessventilgehäuse 2 auf, durch das ein Prozessventilkanal 3 hindurch fährt, der an seinen Mündungen durch nicht dargestellte Rohre fortgeführt wird und in dem ein gasförmiges oder flüssiges Medium vom Meeresboden zu einem aus dem Meer herausragenden Teil eines Bohrturms oder zu einem Bohrschiff fließt. Die Flussrichtung sei durch den Pfeil 4 angegeben.
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In dem Prozessventilgehäuse 2 ist ein Hohlraum ausgebildet, der den Prozessventilkanal 3 quert und in dem ein Prozessventilschieber 5 mit einer Durchflussöffnung 6 quer zur Längsrichtung des Prozessventilkanals 3 bewegbar ist. In dem Zustand nach der 1 überdecken sich der Prozessventilkanal 3 und die Durchflussöffnung 6 im Prozessventilschieber 5 nicht. Das Prozessventil ist also geschlossen. In einem (nicht dargestellten) Zustand überdecken sich die Durchflussöffnung 6 und der Prozessventilkanal 3 weitgehend. Das Prozessventil 1 ist fast ganz offen.
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Ein Prozessventil der gezeigten Art und der beschriebenen Verwendung soll einerseits kontrolliert betätigt werden können und andererseits auch zur Sicherheit beitragen, indem es bei einer Störung schnell und zuverlässig eine Stellung einnimmt, die einem sicheren Zustand entspricht. Vorliegend ist dieser sichere Zustand ein geschlossenes Prozessventil.
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Das Prozessventil 1 wird durch ein kompaktes elektrohydraulisches System 7 betätigt, das unter Wasser direkt am Prozessventil 1 angeordnet ist. Es genügt, dass von dem elektrohydraulischen System 7 aus nur ein elektrisches Kabel 8 an die Meeresoberfläche oder eine andere unter Wasser befindliche übergeordnete elektrische Steuerung führt.
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Das als Ausführungsbeispiel gezeigte elektrohydraulische System 7 weist einen Behälter 9 auf, der an einer offenen Seite am Prozessventilgehäuse 2 befestigt ist, so dass ein zur Umgebung abgeschlossener Innenraum 10 vorhanden ist, der mit einem hydraulischen Druckfluid als Arbeitsmittel gefüllt ist. Zur Befestigung an dem Prozessventilgehäuse 2 besitzt der Behälter 9 an seiner offenen Seite einen Innenflansch, mit dem er am Prozessventilgehäuse 2 verschraubt ist. Radial außerhalb der Schraubverbindungen ist zwischen dem Innenflansch des Behälters 9 und dem Prozessventilgehäuse 2 eine umlaufende Dichtung 11 angeordnet, die in eine umlaufende Nut des Prozessventilgehäuses 2 eingelegt ist.
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Der Behälter 9 ist gegenüber dem unter Wasser herrschenden Umgebungsdruck (Seewasserbereich 12) druckkompensiert. Dazu ist bei einem Druckkompensator 13 in einer Öffnung in der Behälterwand eine Membran 14 dicht eingeklemmt. Im Deckel befinden sich Löcher, so dass der Raum zwischen Membran 14 und Deckel Teil der Umgebung ist und mit Seewasser gefüllt ist. Durch die Membran 14 ist also der Innenraum 10 gegen die Umgebung abgeschottet. Die Membran 14 wird an ihrer dem Innenraum 10 zugekehrten ersten Fläche von dem Druck im Innenraum 10 und an ihrer dem Deckel zugekehrten zweiten Fläche, die etwa genauso groß wie die erste Fläche ist, von dem Druck, der in der Umgebung herrscht, beaufschlagt und sucht immer eine Lage und Form einzunehmen, in der die Summe aller an ihr eingreifenden Kräfte Null ist.
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Im Innenraum 10 des Behälters 9 ist ein Hydrozylinder 15 mit einem Zylindergehäuse 16 vorhanden, das stirnseitig durch einen Zylinderboden 17 und einen Zylinderkopf 18 verschlossen ist, mit einem im Inneren des Zylindergehäuses 16 in Längsrichtung des Zylindergehäuses 16 verschiebbaren Kolben 19 und mit einer mit dem Kolben 19 fest verbundenen und einseitig von dem Kolben 19 wegragenden ersten Kolbenstange 20, die abgedichtet und in nicht näher dargestellter Weise geführt durch den Zylinderkopf 18 hindurchtritt. Abgedichtet ist der Spalt zwischen der Kolbenstange 20 und dem Zylinderkopf 18 durch zwei (nicht dargestellte) im Zylinderkopf 18 in einem axialen Abstand zueinander angeordnete Dichtungen. Am freien Ende der Kolbenstange 20 ist der Prozessventilschieber 5 befestigt. Weiterhin ist eine mit dem Kolben 19 fest verbundene und zur anderen Seite von dem Kolben 19 wegragende zweite Kolbenstange 21 vorhanden, die abgedichtet geführt und durch den Zylinderboden 17 hindurchtritt. Durch den Kolben 19 ist das Innere des Zylindergehäuses 16 in eine zylinderkopfseitige erste Zylinderkammer 22 und in eine bodenseitige zweite Zylinderkammer 23 unterteilt, deren Volumen von der Position des Kolbens 19 abhängen.
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In der Zylinderkammer 22 ist eine Schraubendruckfeder 24 untergebracht, die die Kolbenstange 20 umgibt und zwischen dem Zylinderkopf 18 und dem Kolben 19 eingespannt ist, den Kolben 19 also in eine Richtung beaufschlagt, in die die Kolbenstange 20 eingefahren und der Prozessventilschieber 5 zum Schließen des Prozessventils 1 bewegt wird.
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Im Innenraum 10 des Behälters 9 befindet sich auch eine Hydromaschine 25, die als Pumpe mit zwei Förderrichtungen betreibbar ist. Die Hydromaschine 25 hat einen Druckanschluss 26 und einen Sauganschluss 27, der zum Innenraum 10 offen ist. Von der Hydromaschine 25 kann im Betrieb als Pumpe aus dem Innenraum 10 angesaugtes Druckfluid über den Druckanschluss 26 zu der Zylinderkammer 23 gefördert werden. Umgekehrt kann Druckfluid aus der Zylinderkammer 23 über die Hydromaschine 25 in den Innenraum 10 des Behälters 9 verdrängt werden. In diesem Sinne ist beim Ausführungsbeispiel die Zylinderkammer 23 die zweite Zylinderkammer. In entsprechender Weise kann von der Hydromaschine 25 im Betrieb als Pumpe aus dem Innenraum 10 angesaugtes Druckfluid über den Druckanschluss 26 zu der Zylinderkammer 22 gefördert werden; umgekehrt kann Druckfluid aus der Zylinderkammer 22 über die Hydromaschine 25 in den Innenraum 10 des Behälters 9 verdrängt werden. Dazu sind entsprechende Ventile vorgesehen, siehe 4 bis 6.
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Mit der Hydromaschine 25 ist eine Drehantriebseinrichtung 28 für eine gemeinsame drehende Bewegung mechanisch gekoppelt, z. B. über eine Welle 29. Die Welle 29 überträgt ein Drehmoment von der Drehantriebseinrichtung 28 zu der Hydromaschine 25. Die Drehantriebseinrichtung 28 befindet sich außerhalb des Behälters 9. Sie ist z. B. von einem ferngesteuerten Unterwasserfahrzeug 31 (ROV) bzw. einem Roboter umfasst und weist als Drehantriebseinrichtung 28 bevorzugt einen Elektromotor auf.
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Damit das Prozessventil 1 durch einen Roboter, wie z. B. durch ein ROV, betätigt werden kann, ist an dem Behälter 9 eine Schnittstelle 32 vorhanden, von der ausgehend im Innenraum 10 die Welle 29 mit der Hydromaschine 25 gekoppelt ist.
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2 verdeutlicht schematisch die Drehmomentübertragung 30 zwischen der Drehantriebseinrichtung 28 und der Hydromaschine 25. Mit 31 ist ein ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug bezeichnet, das die Drehantriebseinrichtung 28 umfasst.
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3 veranschaulicht schematisch, dass die Drehantriebseinrichtung 28 für eine An- und Abkopplung an die bzw. von der Hydromaschine 25 eingerichtet ist. Hierzu ist zwischen der Drehantriebseinrichtung 28 und der Hydromaschine 25 eine Kopplungseinrichtung 33, z. B. eine Kupplung, vorgesehen. Die Mittel zum Drehantrieb der Hydromaschine 25 sind so gestaltet, dass die Dichtheit des Innenraums 10 zum äußeren Seewasserbereich 12 gewährleistet ist.
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4 zeigt eine erste Ausführungsform mit (optional) innen angeordnetem Hauptantrieb 34 (automatisierter Zylinderantrieb) für einen Hydrozylinder 15 ohne Druckfeder. Der Hydrozylinder 15 (Aktuator) arbeitet ohne federbelastete Öffnungs- und Schließfunktion. Es ist ein hydrostatisches Getriebe für den gradlinig arbeitenden Hydrozylinder 15 vorhanden. Die Drehantriebseinrichtung 28 am Unterwasserfahrzeug 31 (siehe 2 und 3) erzeugt ein Drehmoment, das die Hydromaschine 25 (hydraulische Pumpe) antreibt. Mit 33 ist die Kopplungseinrichtung (Anschlusskupplung) bezeichnet. Die Hydromaschine 25 verstellt den Hydrozylinder 15. Für eine Notbetätigung zum Ein- und Ausfahren des Prozessventilschiebers 5 (siehe 1) schießt oder öffnet die erste Zylinderkammer 22 das externe Prozessventil 1 (siehe 1). Weiterhin sind im Innenraum 10 des Behälters 9 vorhanden: Saugventile 37.1, 37.2, Rückschlagventile 38.1, 38.2, hydraulisch sperrbare Ventile 39.1, 39.2 und ein Druckbegrenzungsventil 41.
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Die Ausführungsform nach 4 ist konstruktiv einfach, platzsparend, robust und bietet geringes Risiko gegen eindringendes Seewasser. Alternativ kann auch eine andere Pumpe mit einem Elektromotor angewandt werden, die durch elektrische Energie betrieben wird.
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5 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform mit einem innen angeordneten Hauptantrieb 34 für einen Hydrozylinder 15, jedoch mit einer Schraubendruckfeder 24 in der ersten Zylinderkammer 22. In 5 sind - im Vergleich zu 4 - außer der Schraubendruckfeder 24 noch zusätzlich vorhanden: Hydraulisch sperrbares Ventil 39.3 und Magnetventil 40 (stromlos offen). Diese Ausbildung beinhaltet einen Sicherheitsverschluss für das Prozessventil 1, wenn die Funktion der Schraubendruckfeder 24 beeinträchtigt ist oder ausfällt, z. B. bei einem Bruch oder dergleichen.
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6 veranschaulicht eine dritte (gegenüber 5 etwas vereinfachte) Ausführungsform ohne innen angeordneten Hauptantrieb (siehe Position 34 in 4 und 5) für einen Hydrozylinder 15. Die Antriebsfunktion für den Hydrozylinder 15 erfolgt nur über die externe Drehantriebseinrichtung 28 in Verbindung mit der Hydromaschine 25. Diese Ausbildung eignet sich sowohl zur Notverstellung als auch - bei Bedarf - zur ständigen Verstellung im Betrieb des Hydrozylinders 15. Durch den Wegfall des Hauptantriebs 34 ist diese Ausführungsform extrem kompakt und erfordert nur geringen elektrischen Energieverbrauch. Elektrische Energie innerhalb des elektrohydraulischen Systems wird nur für Sicherheitssignale und Sensoren benötigt. Die elektrische Energie für die außerhalb des Behälters 9 befindliche Drehantriebseinrichtung 28 ist unabhängig von dem Energieverbrauch der Komponenten innerhalb des Behälters 9. Die oben dargestellte elektrische Schnittstelle umfasst nur den Not-Halt zur Betätigung der Sicherheitsventile und die Sensor-Signale (Positionsencoder, Drücke, ....).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Prozessventil
- 2
- Prozessventilgehäuse
- 3
- Prozessventilkanal
- 4
- Pfeil
- 5
- Prozessventilschieber
- 6
- Durchflussöffnung
- 7
- elektrohydraulisches System
- 8
- Kabel
- 9
- Behälter
- 10
- Innenraum von 9
- 11
- Dichtung
- 12
- Seewasserbereich
- 13
- Druckkompensator
- 14
- Membran
- 15
- Hydrozylinder
- 16
- Zylindergehäuse
- 17
- Zylinderboden
- 18
- Zylinderkopf
- 19
- Kolben
- 20
- erste Kolbenstange
- 21
- zweite Kolbenstange
- 22
- erste Zylinderkammer
- 23
- zweite Zylinderkammer
- 24
- Schraubendruckfeder
- 25
- Hydromaschine
- 26
- Druckanschluss
- 27
- Sauganschluss
- 28
- Drehantriebseinrichtung
- 29
- Welle
- 30
- Drehmomentübertragung
- 31
- ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug
- 32
- Schnittstelle
- 33
- Kopplungseinrichtung
- 34
- Hauptantrieb von 15
- 35
- Hydropumpe
- 36
- Elektromotor
- 37.1
- Saugventil
- 37.2
- Saugventil
- 38.1
- Rückschlagventil
- 38.2
- Rückschlagventil
- 39.1
- hydraulisch sperrbares Ventil
- 39.2
- hydraulisch sperrbares Ventil
- 39.3
- hydraulisch sperrbares Ventil
- 40
- Magnetventil
- 41
- Druckbegrenzungsventil
