DE2558959C2

DE2558959C2 - Hydraulischer Stellantrieb für Armaturen

Info

Publication number: DE2558959C2
Application number: DE19752558959
Authority: DE
Inventors: Heinrich 4230 Wesel Hagendorn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-12-29
Filing date: 1975-12-29
Publication date: 1977-12-22
Also published as: DE2558959B1; JPS5281716A; GB1530720A; US4103864A; CH600220A5; IT1065474B

Description

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Stellantrieb zum kraftschlüssigen Dichthalten und schlagartigen öffnen von Armaturen, insbesondere Schnellöffnungsventilen, der einen in einem Gehäuse angeordneten Kolben und eine auf ein Kupplungsglied zwischen Antrieb und Armatur einwirkende Schließfeder sowie eine sich am Gehäuse abstützende Öffnungsfeder aufweist, die durch einen auf den Kolben einwirkenden Öldruck einer hydraulischen Selbsthaltung gespannt ist und bei Abfall des Öldruckes den Kolben und das Ventilverschlußteil auffährt.

Ein derartiger Stellantrieb ist aus der DT-OS 37 198 bekannt. Bei diesem kombinierten Regel- und Sicherheitsventil stützen sich Schließ- und Öffnungsfeder gegensinnig jeweils am Ventilgehäuse ab. Der die Öffnungsfeder spannende Kolben wird dabei vom Öldruck einer gesonderten Ölquelle gespannt, wobei bei Abfall des Öldruckes das öl voll aus dem ölraum oberhalb des Kolbens abströmen muß. Dadurch ergibt sich eine relativ lange Öffnungszeit, so daß dieses Schneliöffnungsventil in Parallelanordnung zu einem Schnellschlußventil nur wenig geeignet ist.

Derartige Schnellöffnungsventile sind nämlich im allgemeinen in Dampfkraftanlagen mit der Turbine nachgeschalteten Dampfverbrauchern in einer Umführungsleitung zur Turbine angeordnet, um bei einem Turbinenschnellschluß eine Notversorgung der nachge

schalteten ^nlagenteile-sicherzustellen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde

einen Stellantrieb zu schaffen, der einerseits die ζ betätigenden Armaturen sicher geschlossen hält, an dererseits aber bei Vorliegen entsprechender Betriebs bedingungen die Armaturen unverzögert schnell um störungsfrei mit höchster Geschwindigkeit öffnet. Dabe soll dieser Stellantrieb in allen Betriebsfällen siehe arbeiten, ohne daß beispielsweise unterschiedlichi

ίο Wärmedehnungen einen Einfluß auf die Funktionsweisi ausüben können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist, ausgehend von einen Stellantrieb der eingangs genannten Art, erfindungsge maß vorgesehen, daß der Kolben mit einer stufenförmi gen Erweiterung versehen ist, die in einer entsprechenc erweiterten, mit einem Einlaß und einem von Stufenkolben in Spannstellung abgedeckten Auslaß füi das öl der hydraulischen Selbsthaltung versehener Stufenkammer des Antriebsgehäuses geführt ist, unc ίο daß die Öffnungsfeder ebenfalls unmittelbar auf da: Kupplungsglied einwirkt und beide Federn durch der vom Öldruck beaufschlagten Stufenkolben gegeneinander verspannt sind.

Durch diese Ausbildung als Stufenkolben und den in Spannstellung abgedeckten Auslaß für das öl der hydraulischen Selbsthaltung ergibt sich unmittelbar nach dem Abheben des Kolbens eine zusätzliche Entlastung der Stufenkammer, so daß dadurch der Öffnungsvorgang beschleunigt wird.
Das Wiederschließen der Armatur kann dabei mechanisch von Hand oder vollautomatisch hydraulisch erfolgen. Dabei kann auf die Oberseite des Differentialkolbens eine durch ein Handrad betätigte Gewindebuchse, die den Differentialkolben nach unten in die gespannte Stellung drückt, oder aber der Öldruck einer gesonderten Versorgungsölquelle einwirken.
. Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Stellantrieb in vollautomatischer Ausführung,

Fig.2 einen Längsschnitt durch den Stellantrieb in halbautomatischer Ausführung,

Fig.3 ein Kraft-Weg-Diagramm für die Federn sowie den Hub des Differentialkolbens und der Ventilspindel,

Fig.4 ein Prinzipschaitbild für die Steuerung des vollautomatischen Stellantriebs sowie

Fig.5 und 6 zwei Anwendungsbeispiele für das Schneliöffnungsventil.

Für das Ausführungsbeispiel ist ein auf ein Schneliöffnungsventil in einer Dampfturbinenanlage einwirkender Stellantrieb gewählt. Wie aus F i g. 1 zu ersehen ist, weist der Stellantrieb 1 ein nach unten stufenförmig erweitertes Gehäuse 2 auf, wobei im schmaleren Oberteil 3 ein ebenfalls stufenförmig erweiterter Differentialkolben 4 geführt ist. Dieser Differentialkolben 4 weist einen im unteren erweiterten Gehäuseteil 5 liegenden radialen Absatz 6 auf. Dieser Diferentialkolben 4 umschließt dabei konzentrisch beispielsweise die Ventilspindel 7 des im Ventilgehäuse 8 geführten Schnellöffnungsventils 9. Innerhalb des Differentialkolbens 4 ist zwischen einer auf der Ventilspindel 7 befestigten Anschlagplatte 10 und der oberen Stirnseite *>5 !! des Differentia!ko!bens 4 eine Schließfeder !2 in Form eines Tellerfederpaketes angeordnet. Auf die andere Seite der Anschlagplatte IO wirkt die Öffnungsfeder 13 ein, die sich mit ihrem anderen Ende am Boden

14 des Gehäuses 2 abstützt. Das erweiterte Gehäuseunterteil 5 weist ferner einen Einlaß 15 auf, der nach dem gewählten Ausführungsbeispiel mit der Schnellschlußölleitung der Turbine verbunden ist, sowie ;inen Rücklauf 16.

Wenn nun der Differentialkolben 4 unter Schließen des Schnellöffnungsventils 9 und Spannen der Federn 12 und 13 — wie noch später erläutert wild — seinen unteren Anschlag 17 erreicht hat, wird der Raum 1 im Gehäuseuruerteil 5 durch das über den Einlaß 15 zuströmende Schnellschlußöl unter Druck gesetzt und somit eine hydraulische Selbsthaltung erzielt. Wenn nun bei einem SchneUschluß der Turbine der Öldruck im Raum 1 absinkt und die hydraulische Selbsthaltung somit aufgehoben wird, kann der Federspeicher aus den Federn 12 und 13 seine Energie freisetzen. Zunächst enispannt sich dabei die Schließfeder 12 und katapultiert den Differentialkolben 4 nach oben. Nach einer gewissen Totzeit, die abhängig ist von der Kennlinie der Schließfeder 12 und der zu bewegenden Last, ist die Öffnungsfeder 1? dann imstande, die Ventilspindel 7 mit dem anhängenden Verschlußstück 9 fast schlagartig zu bewegen und somit das Ventil in Sekundenbruchteiien zu öffnen. Die Wucht beim oberen Anschlag des Differentialkolbens 4 wird entscheidend gemindert durch eine hydraulische Dämpfung 18 im Raum I, die das Abströmen des Schnellschlußöls aus dem Raum I kurz vor dem oberen Anschlag des radialen Absatzes 6 des Differentialkolbens 4 stark drosselt. Eine weitere Dämpfung wird durch die Schließfeder 12 bewirkt.

Der Hub, den die Ventilspindel 7 macht, ist dabei nicht identisch mit dem konstanten Hub des Differentialkolbens 4, sondern bestimmt durch die Kennlinien der beiden Federn und durch die äußere Last in Form des Gewichtes des Verschlußstückes 9 und der darauf einwirkenden Dampfkräfte. Die sich dabei ergebenden Verhältnisse sind in dem Diagramm nach Fig. 3 näher erläutert, in dem über dem relativen Ventilhub hv/hv₀ bzw. dem relativen Kolbenhub hk/hko die auftretenden Kräfte F aufgetragen sind. Das Diagramm zeigt dabei den Verlauf der von der Schließfeder 12 ausgeübten Kraft Fn sowie der Kraft F_u der Öffnungsfeder 13 und deren Zuordnung beim öffnen bzw. Schließen des Ventils. Da beide Federn 12 und 13 zunächst gegeneinander wirken, wirkt auf die Ventilspindel 7 bzw. das Verschlußstück 9 die maximale Schließkraft Ftmix aus der Differenz der Kräfte F12 und Fu- Bei Druckabsenkung in Raum I und Aufhebung der Selbsthaltung kann sich die Schließfeder 12 entsprechend der Kennlinie Fu entspannen und somit den Differentialkolben 4 nach oben drücken. Wenn nun auf das Ventil beispielsweise die Kraft F₁₀ in Schließrichtung wirkt, so beginnt die Öffnungsfeder 13 die Ventilspindel 7 in dem Augenblick anzuheben, wo die von der Schließfeder 12 ausgeübte Kraft Fn so weit abgesunken ist, daß die Differenz der Kräfte Fu und Fu größer als die auf das Ventil einwirkende Schließkraft Fto ist. Die Öffnungsfeder 13 entspannt sich dann entsprechend der Kennlinie Fu, wobei die maximale Öffnungskraft Ft ™« bei der vollen Entspannung der Schließfeder 12 liegt. Wenn sich nun die Öffnungsfeder 13 über einen bestimmten Bereich entspannt hat, so wird dann durch die Geometrie des Stellantriebs die Schließfeder entsprechend der rechten Kennlinie F₁₂ so weit zusammengepreßt, bis die volle Öffnung Vi des Ventils erreicht ist. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, kann das Ventil dabei praktisch weiter öffnen, als es dem Kräftegleichgewicht der beiden Federn entspricht, da nach dem Offnen auf das Ventil noch die Kraft F₁ , in Öffnungsrichtung wirkt. Generell gilt dazu als statische Kräftegleichung

F₁₂ - Fu+F, =0.

woraus sich ergibt, daß der Hub der Ventilspinde! allein bestimmt ist durch die Kennlinien beider Federn und durch die äußere Last.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß der Differentialkolben 4 und die Ventüspindel 7 mechanisch entkoppelt sind. Über die Schließfeder 12 und die Öffnungsfeder 13 wird lediglich ein Kraftschluß bewirkt. Dadurch ergeben sich zwei entscheidende Vorteile:

1. Der Stellantrieb kann auch in Schließstellung eine

Kraft auf die Ventilspindel 7 und damit auf das Verschlußstück 9 ausüben.

2. Sowohl der Stellantrieb wie auch das Verschlußstück können unabhängig voneinander ihren individuellen Anschlag sicher erreichen. Verlagerungen in der Zuordnung, wie z. B. durch Wärmedehnungen, sind dabei ohne Einfluß.

Um ein Schließen des Schnellöffnungsventils zu erreichei, sind die beiden folgenden Möglichkeiten vorgesehen: Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, kann das Schließen mechanisch von Hand erfolgen; hierbei wird über ein Handrad 20 eine Gewindebuchse 21 gegen die Stirnseite 11 des Differentialkolbens 4 geführt und der Kolben bis in seine Endstellung nach unten geführt Durch die Schließfeder 12 wird dann über die Ventilspindel 7 der Ventilkegel 9 auf seinen Sitz gepreßt Soll das Ventil in dieser Stellung verriegelt werden, se kann das durch Einführen eines Verriegelungsbolzens 22 geschehen. Soll jedoch der Stellantrieb de; Schnellöffnungsventils nach Wiederauffahren dei Schnellschlußventile betriebsbereit gehalten werden, se ist nach Aufbau des Öldruckes im Raum 1 dit Gewindebuchse 21 wieder aufzufahren und in aufgefah rener Stellung ebenfalls zu verriegeln, um ein unbeab sichtigtes Arretieren des Hubkolbens 4 zu vermeiden.

Bei dieser Ausführungsform arbeitet der Stellantrieb halbautomatisch, d. h. lediglich das öffnen des Schnell Öffnungsventils erfolgt vollautomatisch.

Um auch ein vollautomatisches Schließen de; Schnellöffnungsventils zu ermöglichen, ist entsprechenc dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 der Raum Il in Gehäuseoberteil 3 oberhalb des Differentialkolbens t über einen Einlaß 23 an eine VersorgungsölquelU angeschlossen, durch die zum Schließen des Ventils dei Öldruck Pv aufgebracht werden kann. Nach Erreicher der Schließstellung kann auch hier der Antriel mechanisch verriegelt werden. Dazu weist der Differen tialkolben 4 einen von der oberen Stirnseite Il ausgehenden Ansatz 24 mit einer Querbohrung 25 an oberen Ende auf, in die ein von einer Feder 2) angetriebener Bolzen 27 einrasten kann. Der Antrieb 2< des Verriegelungsbolzens 27 ist dabei in eine gesonderten, seitlich angeflanschten Kammer 28 ge fuhrt, deren Raum III über einen Anschluß 29 ebenfall an die Versorgungsölquelle angeschlossen sein kanr Um nach Aufbau des Schnellschlußöldruckes P₅, in Raum I den Stellantrieb wieder betriebsbereit zi machen, wird das öl aus dem Raum Il abgelassen und in Raum III ein Druck aufgebaut, durch den de Verriegelungsboizen 27 zurückgefahren und der Diffc rentialkolben 4 entriegelt wird.

Dazu ist in F i g. 4 die Steuerung der Verriegelung un< des Druckes in den einzelnen Räumen anhand eine

Prinzipschaltbildes näher erläutert. Die Figur zeigt dabei den Normalzustand bei geschlossenem Ventil. Durch volles Anstehen des Schnellschlußöldruckes P« steht der Raum 1 unter vollem Druck, während Raum 11 drucklos ist, da das Steuerventil Vi durch den Schnellschlußöldruck in Schaltstellung "1" steht. Das Steuerventil V₂, das mit dem Differentialkolben mechanisch gekoppelt ist, befindet sich ebenfalls in Schaltstellung "1", da sich, wie angezeigt, der Differentialkolben in Schließstellung AC, befindet; dadurch wirkt auf das Ventil V₃, das über das Schaltventil V₂ an den Raum Il angeschlossen ist, kein Druck ein, so daß dieses sich in Schaltstellung "0" befindet, und somit der Raum III an den vollen Öldruck P_v des Versorgungsöls angeschlossen und somit der Differentialkolben 4 entriegelt ist.

Im Schnellschlußfall, d. h. wenn der gleichzeitig das Schnellschlußventil offen haltende und das Schnellöffnungsventil geschlossen haltende Öldruck P_ss abfällt, wird der Raum I drucklos. Dadurch schaltet das Ventil Vi von 1 nach 0. Durch die entsprechende Einstellung der Drossel D bleibt der Raum Il zunächst drucklos. Da der Differentialkolben 4 jetzt auffährt und kein Signal Ks mehr auf das Steuerventil Vi einwirkt, schaltet dieses von 1 nach 0, so daß das Ventil V₃ in Schaltstellung 0 bleibt; somit bleibt auch der Raum III unter dem Druck Pv, und der Antrieb ist weiterhin entriegelt.

Das Schließen des Ventils und die Verriegelung des Stellantriebes ist abhängig von den Betriebsbedingungen der Anlage und deren Dampfschaltung, wie noch später erläutert wird. Die Stellgeschwindigkeit selbst wird mit Hilfe des Drosselventils D eingestellt. Dadurch wird der Raum Il unter den Druck P_v gesetzt, und nach Erreichen der Schließstellung des Differentialkolbens 4 schaltet das Ventil V₂ wieder von 0 nach 1. Da jetzt unter dem Ventil V₃ ein Druck ansteht, schaltet dieses Ventil von 0 nach 1, so daß der Raum 111 drucklos und der Kolben 4 verriegelt wird. Anschließend kann dann der Versorgungsöldruck P_v abgeschaltet werden.

Soll der Stellantrieb wieder entriegelt und die Armatur betriebsbereit gemacht werden, so wird der Raum Il wieder unter den Druck P₁. gesetzt. Nach Wiederöffnen des Schnellschlußventils an der Turbine baut sich auch der Druck P« auf, so daß der Raum I wieder unter Druck steht. Nachdem die hydraulische Selbsthaltung des Differentialkolbens erfolgt ist, schaltet das Ventil Vi von 0 nach 1, so daß der Raum II wieder drucklos wird, und das Ventil V₃ von 1 nach 0 schaltet. Dadurch wird der Raum III wieder unter den Druck P_y gesetzt, so daß der Stellantrieb entriegelt und der Normalzustand wieder erreicht ist.

Abschließend sind in den F i g. 5 und 6 zwei Anwendungsbeispiele für das anhand der F i g. 1 bis 4 erläuterten Schnellschlußventils gezeigt. Dabei soll die von einer Leitung 30 gespeiste Turbine 31 zur Dampfversorgung nachgeschalteter Verbraucher 32 dienen. Der Turbine 31 sind dabei in herkömmlicher Weise ein Schnellschlußventil 33 und ein Regelventil 34 vorgeschaltet. Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 liegt in der Bypaßleitung 35 zur Turbine ein Dampfumformventil 36, das in Abhängigkeit vom Regelventil 34 und dem Druckregler 37 für den Dampfverbraucher 32

ίο gesteuert wird. Da das Umformventil 36 eine relativ große Zeit braucht, um bei einem plötzlichen Schließen des Schnellschlußventils 33 voll aufzufahren und den gesamten Dampf für den Verbraucher 32 durchzulassen, ist in einem weiteren Bypaß 38 zur Turbine 31 ein

ι« Schnellöffnungsvcntil 9 mit einem vollautomatischen Antrieb 2 entsprechend F i g. 1 vorgesehen. In einem Schnellschlußfali öffnet nunmehr das Schnellöffnungsventil 9 schlagartig und stellt somit eine unterbrechungslose Dampfeinspeisung in die Verbraucherleiao tung 32 sicher. Wenn dann nach einer gewissen Zeit das Dampfumformventil 36 voll einsatzbereit ist, schließt das Schnellöffnungsventil 9 wieder, und zwar so langsam, wie das Umformventil 36 synchron öffnet und dann allein die Umleitung übernimmt.

2j Der Einsatz eines halbautomatischen Stellantriebs nach F i g. 2 ist in dem Anwendungsbeispiel nach F i g. 6 dargestellt. Hierbei ist zur Turbine 31 eine einzige Bypaßleitung 40 vorgesehen, in der das Schnellöffnungsventil 9 und das Dampfumformventil 36 hintereinander geschaltet sind. Über einen Durchflußmesser 41, einen Druckregler 42 und einen Temperaturmesser 43 wird dabei in einem Rechner 44 das Umformventil stets so ausgeregelt, daß es entsprechend dem jeweils geforderten Dampfdurchsatz für den Verbraucher 32 eingestellt ist Wenn nun in einem Schnellschlußfall das Schnellöffnungsventil 9 schlagartig auffährt, hat das Umformventil 36 bereits seine erforderliche Betriebsstellung erreicht, so daß eine stetige Dampfversorgung der Verbraucher 32 sichergestellt ist. Das Schneüöffnungsventil 9 fährt dann nicht wieder automatisch zu, sondern kann allein von Hand entsprechend dem

Ausführungsbeispiel nach Fig.2 wieder geschlossen

werden.

In der Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise

eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stellantriebs für ein Schnellöffnungsventil in Dampfturbinenanlagen erläutert. Grundsätzlicher Aufbau und Funktionsweise des Stellantriebs gelten jedoch auch prinzipiell beim Einsatz für andere Armaturen oder Elemente, die einerseits in einer anliegenden Stellung sicher festgehalten, andererseits aber auch ohne Verzögerung schnell bewegt bzw. geöffnet werden müssen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

25 58 S59 Patentansprüche:

1. Hydraulischer Stellantrieb zum kraftschlüssigen Dichthalten und schlagartigen öffnen von Armaturen, insbesondere Schnellöffnungsventilen, der einen in einem Gehäuse angeordneten Kolben und eine auf ein Kupplungsglied zwischen Antrieb und Armatur einwirkende Schließfeder sowie eine sich am Gehäuse abstützende Öffnungsfeder aufweist, die durch einen auf den Kolben einwirkenden Öldruck einer hydraulischen Selbstheilung gespannt ist und bei Abfall des Öldruckes den Kolben und das Venlilverschlußteil auffährt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (4) mit einer stufenförmigen Erweiterung (6) versehen ist. die in einer entsprechend erweiterten, mit einem Einlaß (15) und einem vom Stufenkolben (4) in Spannstellung abgedeckten Auslaß (16) für das öl der hydraulischen Selbstheilung versehenen Stufenkammer (5) des Antriebsgehäuses (2) geführt ist, und daß die Öffnungsfeder (13) ebenfalls unmittelbar auf das Kupplungsglied (7) einwirkt und beide Federn (12, 13) durch den vom Öldruck beaufschlagten Stufenkolben (4) gegeneinander verspannt sind.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schließen der Armatur (9) und Spannen der Federn (12, 13) eine auf die Oberseite (11) des Stufenkolbens (4) drückende, durch ein Handrad (20) betätigte Gewindebuchse einwirkt.

3. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schließen der Armatur (9) und Spannen der Federn (12, 13) auf die Oberseite des .Stufenkolbens (4) der Öldruck (P,) einer gesonderten Versorgungsölquelle einwirkt.