[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Betätigung einer Schnellschlußklappe
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. In einer Dampfzuleitung zu einer Arbeitsmaschine,
insbesondere einer Dampfturbine, sind im allgemeinen Schnellschlußarmaturen angeordnet,
die im Falle einer Störung in kürzester Zeit die Dampfströmung unterbrechen sollen.
Stellzeiten für solche Schnellschlußarmaturen liegen in Schließrichtung in der Größenordnung
von 100 Millisekunden, während in Öffnungsrichtung beispielsweise etwa 10 Sekunden
Stellzeit gefordert werden. Eine Schnellschlußarmatur kann als Kegelsitzventil oder
als etwa mittig gelagerte Klappe ausgeführt sein.
[0002] In einem Prospekt "Klinger-Information" mit der Nr. AIC-10.84-2 B-Nr. 168, der Rich.
Klinger GmbH, D-6270 Idstein/Taunus, wird eine Hochleistungsklappe beschrieben, deren
prinzipieller Aufbau sich auch für die Verwendung als Schnellschlußklappe eignet.
Diese Klappe ist doppelexzentrisch gelagert, was zur Folge hat, daß sich in geschlossener
Stellung durch den anstehenden Differenzdruck ein großes Drehmoment in Schließrichtung
ergibt, welches beim Öffnen überwunden werden muß. Andererseits ist zum Schließen
kein großes Stellmoment erforderlich, da im Falle des Vorhandenseins einer Dampfströmung
in der Dampfleitung das Schließmoment von dieser verstärkt wird.
[0003] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung zur Betätigung
einer Schnellschlußklappe, welche die geforderten kurzen Schließzeiten bei minimalem
Verschleiß und hoher Betriebssicherheit ermöglicht.
[0004] Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine gattungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Wesentlich hierbei ist, daß zwei getrennte
mechanische Mittel für die beiden Bewegungsrichtungen der Schnellschlußklappe vorgesehen
sind, welche immer beide gleichzeitig in Eingriff sind. Wie bei sicherheitstechnisch
relevanten Armaturen üblich, werden dabei federbelastete mechanische Mittel in Schließrichtung
verwendet und hydraulische für die Bewegung in Öffnungsrichtung. Dadurch, daß beide
Mittel in entgegengesetzten Richtungen gleichzeitig in Eingriff sind, wird jedes
Spiel in der Mechanik vermieden, wodurch selbst bei einer Momentenumkehr und hohen
Betätigungsgeschwindigkeiten im Falle des Schließens kein großer Verschleiß auftreten
kann.
[0005] Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Bevorzugt werden Zahnstangen im Zusammenwirken mit einem auf dem Ende der Drehwelle
befestigten Ritzel verwendet. Dabei ist es aus Gründen der symmetrischen Belastung
des Ritzels besonders günstig, Paare von auf gegenüberliegenden Seiten des Ritzels
angreifenden Zahnstangen für jede der beiden mechanischen Bewegungsrichtungen zu verwenden.
[0006] Dabei können die Zahnstangen bis auf den gezähnten Bereich im Querschnitt etwa zylindrisch
geformt sein und in zum Ritzel hin offenen Buchsen geführt werden. Dabei kann es besonders
vorteilhaft sein, wenn zwischen den Zahnstangen und den diese bewegenden Federn bzw.
Hydraulikzylindern nur ein Kraftkontakt besteht, nicht aber eine feste Verbindung.
Auf diese Weise bleibt die Mittenführung von Federn bzw. Hydraulikzylinder unbeeinflußt
von einem eventuellen Führungsverschleiß der Zahnstangen in den Buchsen.
[0007] Weitere erfindungsgemäße Einzelheiten der mechanischen Teile der Einrichtung werden
anhand der Zeichnung näher erläutert.
[0008] Gemäß dem Anspruch 6 können die Kräfte, die zum öffnen einer Schnellschlußklappe,
an der ein großer Differenzdruck ansteht, notwendig sind, durch eine Zusatzeinrichtung
erheblich verringert werden, was eine deutliche Verkleinerung der hydraulischen
Teile der Öffnungsmechanik zur Folge hat. Eine solche Zusatzeinrichtung eignet sich
dann, wenn hinter einer Schnellschlußklappe noch ein Steuerventil angeordnet ist,
was bei Dampfturbinen im allgemeinen der Fall ist. Bei geschlossener Schnellschlußklappe
wird normalerweise auch das nachgeordnete Steuerventil geschlossen. Dieses Steuerventil
hat jedoch einen Leckagedurchfluß, so daß an der Schnellschlußklappe ein großer Differenzdruck
ansteht. Durch eine Umgehungsleitung, welche die Schnellschlußklappe überbrückt,
kann dieser Differenzdruck ausgeglichen werden. Die Umgehungsleitung muß dabei mindestens
ein Absperrorgan aufweisen, damit diese im Schnellschlußfalle ebenfalls abgesperrt
werden kann. Aus Sicherheits- bzw. Redundanzgründen werden meist mindestens zwei
Absperrorgane hintereinander angeordnet. Durch Öffnen der Absperrorgane in der Umgehungsleitung
vor dem Öffnen der Schnellschlußklappe kann ein Druckausgleich vor und hinter der
Schnellschlußklappe hergestellt werden. Dadurch läßt sich diese mit wesentlich geringeren
Momenten öffnen. Hierzu sollten die Umgehungsleitung und deren Absperrorgane mindestens
für einen Dampfdurchfluß ausgelegt sein, der etwas größer als der Leckagedurchfluß
des nachgeschalteten Stellventils in geschlossenem Zustand ist.
[0009] Um einen Verschleiß der Schnellschlußklappe selbst und von deren Dichtung zu vermindern,
betrifft eine weitere Ausgestaltung der Erfindung den gedämpften Einlauf des Klappentellers
in die Schließendstellung. Durch die vorhandenen zwei getrennten Mittel zum Öffnen
bzw. Schließen der Schnellschlußklappe bietet sich die Möglichkeit, die zunächst zum
Öffnen vorhandenen hydraulischen Mittel auch dazu einzusetzen, einen gedämpften Einlauf
des Klappentellers in die Schließendstellung zu bewirken. Der Schließvorgang wird
zunächst dadurch ausgelöst, daß für das in den Hydraulikzylindern vorhandene Hydraulikfluid
über Ventile ein Auslaß geöffnet wird. In der ersten Phase des Schließvorganges ist
es dabei erwünscht, daß das Hydraulikfluid möglichst schnell aus den Hydraulikzylindern
austreten kann. Zur Reduzierung der Schließgeschwindigkeit kurz vor der Schließendstellung
kann jedoch im Antrieb ein Gegenmoment dadurch bewirkt werden, daß der aus den Hydraulikzylindern
ausgeschobene Hydraulikfluidstrom verringert wird. Diese Verringerung kann vorzugsweise
drehwinkelabhängig erfolgen ab einem bestimmten, einstellbaren Dreh winkel der Drehwelle,
beispielsweise 79°. Ein Teil des drehwinkelabhängigen Schließmomentes, dem das Dämpfungsmoment
entgegenwirken muß, ist das vom Differenzdruck an der Klappe abhängige Strömungsmoment.
Je nach Lastzustand der Gesamtanlage, bei dem der Schnellschluß der Klappe erfolgt,
ist daher das Schließmoment und damit der Öldruck im Hydraulikzylinder während des
Dämpfungsvorganges ein anderer. Deshalb wird in der erfindungsgemäßen Ausführung
der Dämpfungseinrichtung vorzugsweise eine Abströmdrossel durch das Vorschalten mindestens
einer hydraulischen Druckwaage auf konstantem bzw. drehwinkelabhängigem Differenzdruck
gehalten. Wie anhand der Zeichnung näher erläutert wird, kann durch das Zusammenwirken
von einer oder zwei Druckwaagen mit einer Abströmdrossel eine belastungsunabhängige
Dämpfung der Schnellschlußklappe erreicht werden. Dabei können zur Erzielung einer
ganz bestimmten Dämpfungscharakteristik die Federvorspannungen der Druckwaagen beispielsweise
über eine auf der Drehwelle des Antriebes befestigte Nockenscheibe drehwinkelabhängig
verändert werden. Alternativ kann auch die Abfangdrossel drehwinkelabhängig verstellt
werden, wobei die Druckwaagen auf einen fest vorgegebenen Differenzdruck an der Drossel
eingestellt werden. So wird ein Schließgeschwindigkeitsverlauf herbeigeführt, der
von der maximalen Schließgeschwindigkeit stetig übergeht in eine geringere, für die
elastische Dichtung der Schnellschlußklappe noch zulässige Auftreffgeschwindigkeit,
und zwar unabhängig vom Schließmoment der Klappe.
[0010] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar
zeigen
Fig. 1 eine schematisierte Gesamtanordnung von Schnellschlußklappe und zugehöriger
hydraulischer Steuerung und
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Schnellschlußklappen-Schaltantrieb.
[0011] Fig. 1 zeigt eine aus drei Abschnitten 3a, 3b, 3c bestehende Dampfleitung, deren
Abschnitte durch eine Schnellschlußklappe 1 und ein nachgeschaltetes Stellventil 2
voneinander getrennt werden können. Eine Umgehungsleitung 4 umgeht die Schnellschlußkappe
1 und verbindet den Leitungsabschnitt 3a mit dem Abschnitt 3b. Die Umgehungsleitung
4 ist aus Redundanzgründen mit zwei Absperrventilen 5a, 5b versehen, welche gleichzeitig
mit der Schnellschlußklappe 1 geschlossen werden können. Die Umgehungsleitung 4 und
deren Absperrorgane 5a, 5b sind für einen Dampfdurchfluß dimensioniert, der mindestens
etwas größer als der Leckagedurchfluß des geschlossenen Stellventils 2 ist. Schnellschlußklappe
1 und die Absperrventile 5a, 5b sind sicherheitsgerichtet federbelastet, so daß sie
sich automatisch schließen, wenn es zu Störungen in der Elektronik oder Hydraulik
kommt. Die Schnellschlußklappe 1 weist eine Drehwelle 11 auf, welche mindestens an
einer Seite durch die Dampfleitung nach außen geführt und mit einem Ritzel 12 an ihrem
Ende versehen ist. Mit dem Ritzel 12 stehen zwei Paare von Zahnstangen 13, 14 in Eingriff.
Ein Zahnstangenpaar 13 kann dabei von Hydraulik-Öffnungskolben 6, die in Hydraulikzylindern
8 gleiten, betätigt werden und dient zum Öffnen der Schnellschlußklappe 11. Ein weiteres
Zahnstangenpaar 14, welches völlig unabhängig von dem ersten ist, steht mit Schließfedern
7 in Verbindung und wirkt in Schließrichtung der Schnellschlußklappe 1. Zwischen
den Zahnstangenpaaren 13, 14 und den Hydrauliköffnungskolben 6 bzw. den Schließfedern
7 besteht nur ein Kraftkontakt, so daß die Mittenführung der Hydraulik-Öffnungs kolben
6 bzw. Schließfedern 7 nicht durch einen etwaigen Verschleiß in der Führung der Zahnstangen
13, 14 beeinträchtigt wird.
[0012] Die bisher beschriebenen Teile sind in der Fig. 1 nur schematisch dargestellt, da
diese Figur der Veranschaulichung des zugehörigen hydraulischen Schaltschemas dient.
Das zugehörige Hydrauliksystem besteht aus einem Behälter 18 mit Hydraulikflüssigkeit,
einer Pumpe 19, welche bei Bedarf über nicht näher beschriebene Rückschlagventile
Hydraulikfluid in einen Speicher 20 bzw. über eine Hydraulikfluid-Zuleitung 21 in
die Hydraulikzylinder 8 fördert. Auf diese Weise kann die Schnellschlußklappe 1
geöffnet werden und bleibt solange offen, bis dem Hydraulikfluid in den Hydraulikzylindern
8 ein Abflußweg geöffnet wird, was zur Auslösung des Schnellschlusses führt. Ein solcher
Abflußweg ist durch die Ablaufleitungen 22, 25, 28 gegeben, wenn die sicherheitsgerichteten
Ablaßventile 24a, 24b durch ihre Steuerung 23a, 23b geöffnet werden. Diese Ventile
und Steuerungen sind aus Redundanzgründen doppelt vorhanden. Gleichzeitig mit den
Ventilen 24a, 24b öffnen auch die Ventile 34a, 34b, welche die Absperrventile 5a,
5b in der Umgehungsleitung 4 schließen. Ein Schnellschluß soll die Dampfleitung
3a, 3b, 3c innerhalb von etwa 100 Millisekunden absperren. Die hierzu notwendige
große Geschwindigkeit der Schnellschlußklappe macht es erforderlich, daß das Hydraulikfluid
in den Hydraulikzylindern 8 zunächst sehr schnell ausströmen kann. Um jedoch zu vermeiden,
daß der Klappenteller der Schnellschlußklappe 1 mit großer Geschwindigkeit in die
Schließendstellung fährt und dabei Verschleiß oder ein Schaden entsteht, wird gegen
Ende des Schließvorganges der aus den Hydraulikzylindern 8 ausgeschobene Hydraulikfluidstrom
verringert. Ein Mindeststrom kann zwar immer durch eine Drosselstelle 30 zur Ablaufleitung
28 fließen, jedoch werden anfangs vorhandene Teilströme durch eine Abfangdrossel 27
und eine Drosselstelle 29 sowie durch Druckwaagen 26a, 26b und damit verbundene regelbare
Drosselstellen in Abhängigkeit von der Stellung der Drehwelle 11 verändert. Hierzu
können nicht dargestellte Nockenscheiben auf der Drehwelle 11 befestigt werden, welche
über mechanische Stößel die Federvorspannungen von Abfangdrossel 27 bzw. Druckwaagen
26a, 26b drehwinkelabhängig verändern. Bei konstanten Bedinungen würde eine verstellbare
Abfangdrossel 27, welche beispielsweise ab einem Drehwinkel von 79°, d. h. 11° vor
der Schließendstellung, im Querschnitt stark verkleinert würde, zur Dämpfung des
Klappentellers ausreichen. Da jedoch je nach der Dampfströmung in der Dampfleitung
3a, 3b, 3c ganz unterschiedliche Schließkräfte auf den Klappenteller wirken können,
was unterschiedliche Öldrücke im Hydraulikzylinder während des Dämpfungsvorganges
bewirkt, ist es vorteilhaft, wenn der Abströmdrossel 27 eine hydraulische Druckwaage
26a vorgeschaltet wird, welche den Differenzdruck über der Abströmdrossel 27 auf einem
konstanten bzw. vorgebbar drehwinkelabhängigen Wert hält. Da die Arbeitsbereiche bei
hydraulischen Druckwaagen begrenzt sind, werden vorzugsweise zwei derartige Einrichtungen
26a, 26b parallel geschaltet. So können die beiden Druckwaagen beispielsweise ab
einem Drehwinkel von 80° bzw. 85° mit einer anderen Federvorspannung durch eine Nockenscheibe
eingestellt werden, um eine gewünschte Dämpfungscharakteristik unabhängig vom Vordruck
zu erreichen. Das ausströmende Druckfluid gelangt über die Ablaufleitung 28 wieder
in den Behälter 18. Die wesentlich kleineren Absperrventile 5a, 5b mit ihren federbelasteten
Antrieben 32a, 32b benötigen im allgemeinen keine gesonderte Dämpfungseinrichtung,
so daß diese sich beim Öffnen der Ventil 34a, 34b sofort schließen. Soll die Schnellschlußklappe
1 wieder geöffnet werden, so wird der Schalter 35 geschlossen und die Pumpe 19 beginnt
Hydraulikfluid zu fördern. Dadurch werden die Ventile 24a, 24b, 34a, 34b geschlossen
und über die Ventilsteuerung 31 zunächst die Absperrventilantriebe 32a, 32b mit Druckfluid
beaufschlagt, so daß die Ventile 5a, 5b öffnen. Dadurch entsteht ein Druckausgleich
in den Leitungsabschnitten 3a, 3b, so daß die Schnellschlußklappe 1 nunmehr leicht
durch Betätigung der Hydraulik-Öffnungskolben 6, die ebenfalls mit Druckfuid beaufschlagt
werden, geöffnet werden kann. Dabei werden die Federn 7 wieder gespannt, so daß ein
Schnellschluß durch Öffnen des Schalters 35 oder einen Ausfall im Hydrauliksystem
ausgelöst werden kann.
[0013] Der Aufbau des in Fig. 1 nur schematisch dargestellten Schaltantriebes der Schnellschlußklappe
1 ist in Fig. 2 im Längsschnitt zur Veranschaulichung der Platzverhältnisse detaillierter
dargestellt. Auf der Drehwelle 11 ist ein Ritzel 12 angeordnet, mit welchem sich
die Zahnstangenpaare 13, 14 in Eingriff befinden. Die Zahnstangen 13, 14 werden jeweils
in Führungsbuchsen 15 geführt, welche seitlich nur im Bereich des Ritzels 12 offen
sind. Die Führungsbuchsen 15 sind in einen Gehäuseblock 16 eingearbeitet. Oberhalb
des Gehäuseblocks 16 befindet sich ein Steuerungsraum 17, in welchem die Hydrauliksteuerungen
und die übrigen Elemente der hydraulischen Schaltung angeordnet sind. Die Drehwelle
11 ragt in diesen Steuerungsraum 17 hinein und kann ggf. dort Nockenscheiben tragen,
die sich im Eingriff mit einzelnen Elementen der hydraulischen Schaltung befinden,
sofern diese drehwinkelabhängig verändert werden sollen. Seitlich an dem Gehäuseblock
16 befindet sich ein Behälter 18 mit Hydraulikfluid, in welchem eine Pumpe 19 angeordnet
ist. Auf der gegenüberliegenden Seite des Gehäuseblockes 16 sind Druckspeicher 20
angeordnet. Der gesamte Schaltantrieb 10 ist außerhalb der Dampfleitung 3a, 3b, 3c
um die aus dieser herausragende Drehwelle 11 angeordnet.
[0014] Die vorliegende Erfindung eignet sich als Antrieb für Schnellschlußklappen in Dampfleitungen
von Dampfturbinenanlagen, insbesondere auch für hohe Drücke und große Nennweiten der
Dampfleitungen.
1. Einrichtung zur Betätigung einer Schnellschlußklappe (1) in einer Dampfleitung
(3a, 3b, 3c), wobei die Schnellschlußklappe (1) in der Dampfleitung (3a, 3b, 3c) auf
einer Drehwelle (11), vorzugsweise doppelexzentrisch, angeordnet ist, die einen Drehwinkel
von etwa 90° hat, und wobei die Drehwelle (11) mindestens an einem Ende durch die
Wand der Dampfleitung (3a, 3b, 3c) nach außen geführt ist und mindestens an diesem
Ende mechanische Mittel (12, 13, 14) zum Drehen der Drehwelle (11) angreifen,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) An dem Ende (12) der Drehwelle (11) greifen mindestens zwei voneinander getrennte,
einander entgegenwirkende mechanische Mittel (13, 14) zum Umwandeln einer Linearbewegung
in eine Drehbewegung an;
b) die ersten (13) dieser Mittel sind hydraulisch (6) in Öffnungsrichtung wirkende
Mittel;
c) die zweiten (14) dieser Mittel sind durch latente Federkräfte (7) in Schließrichtung
wirkende Mittel.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Mittel (13, 14) zum Umwandeln einer linearen Bewegung in eine
Drehbewegung mindestens ein auf der Drehwelle (11) befestigtes Ritzel (12) und damit
zusammenwirkende Zahnstangen (13, 14) sind, insbesondere Paare von auf gegenüberliegenden
Seiten des Ritzels (12) angreifenden Zahnstangen (13, 14).
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnstangen (13, 14) im Querschnitt etwa zylindrisch sind und in zum Ritzel
(12) hin offenen Buchsen (15) geführt sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Öffnungsrichtung wirkenden hydraulischen Mittel (13) Hydraulikzylinder
(8) mit Hydraulik-Öffnungskolben (6) sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in Schließrichtung wirkenden mechanischen Mittel durch Federpakete (7),
insbesondere bestehend aus Tellerfedern, belastete Zahnstangenpaare (14) sind.
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schnellschlußklappe
(1) in Reihe mit einem Steuerventil (2) geschaltet ist, welches auf der Seite niedrigeren
Dampfdruckes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnellschlußklappe (1) durch eine Umgehungsleitung (4) überbrückt ist,
welche vor der Schnellschlußklappe (1) aus der Dampfleitung (3a) abzweigt, zwischen
der Schnellschlußklappe (1) und dem Steuerventil (2) wieder in die Dampfleitung
(3b) mündet und mindestens ein Absperrorgan (5a, 5b), vorzugsweise ein Schnellschlußventil
aufweist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgehungsleitung (4) mindestens zwei hintereinandergeschaltete, durch Federkraft
schließbare Absperrorgane (5a, 5b) aufweist.
8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgehungsleitung (4) und die Absperrorgane (5a, 5b) für einen Dampfdurchfluß
ausgelegt sind, der mindestens etwas größer als der Leckagedurchfluß des geschlossenen
Stellventils (2) ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 4, 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikzylinder (8) der Hydraulik-Öffnungskolben (6) über Ablaufleitungen
(22, 25, 28), Ablaßventile (24a, 24b) und Drosseleinrichtungen (26a, 26b, 27, 29,
30) entleerbar sind.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtungen mindestens eine Abfangdrossel (27) und mindestens eine
Druckwaage (26a, 26b) beinhalten, von welchen mindestens eine abhängig von der Stellung
der Drehwelle (11) verstellbar ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwei parallel geschaltete Druckwaagen (26a, 26b) vorhanden sind, welche unterschiedliche
Arbeitsbereiche haben.
12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Drehwelle (11) eine oder mehrere Nockenscheiben befestigt ist (bzw.
sind), die zur Verstellung der Abfangdrossel (27) und/oder der Druckwaage(n) (26a,
26b) im Eingriff mit dieser (bzw. diesen) ist (bzw. sind).