Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stellantrieb mit drehzahlvariabler Pumpe, wie er beispielsweise in Dampfturbinen, Gasturbinen, Druckgussmaschinen eingesetzt wird. Stellantriebe sind im Stand der Technik bekannt So offenbart die EP 0 604 805 A1 eine Betätigungsvorrichtung für einen hydraulischen Stellantrieb mit druckproportionalem Stellsignal, bei der zwischen Stellantrieb und einem hydraulischen Abflussverstärker eine als Wandler wirkende Kolben-Zylinder-Anordnung zwischengeschaltet ist.

Diese Vorrichtung weist unter anderem folgende Nachteile auf: Der Ölkreislauf ist nicht abgeschlossen und benötigt ein recht großes Ölvolumen. Außerdem ist für die Funktion eine externe Druckversorgung erforderlich.

EP 2 711 560 A1 betrifft einen Hydraulikantrieb, sowie ein hydraulisch betätigbares Werkzeug. Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik wenigstens teilweise zu überwinden bzw. zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst Bevorzugte Ausführungsformen und Abwandlungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der Zylinder kann beispielsweise zur Steuerung der Hydraulik einer Gasturbine oder Druckgussmaschine verwendet werden. Dabei wird der hydraulische Zu- oder Abfluss durch einen Verschluss, der an der Kolbenstange des Zylinders angeordnet ist, gesteuert. Bei derartigen Maschinen tritt die Situation ein, dass der der hydraulische Zu- oder Abfluss sehr schnell gesperrt werden muss. Für diesen sehr schnellen Abfluss der Hydraulikflüssigkeit aus dem Zylinder schaltet der Stellantrieb einen hydraulischen Pfad frei, der einen hohen Durchfluss der Hydraulikflüssigkeit aus dem Zylinder zu einer Senke gewährleistet. Die Senke ist Teil eines geschlossenen Hydrauliksystems. Sie kann beispielsweise als ein zur Umgebung abgeschlossenes Reservoir realisiert sein. Durch die Realisierung des Stellantriebs als geschlossenes Hydrauliksystem kann das benötigte Ölvolumen gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert werden. Dadurch wird auch die Gefahr für die Umgebung - z.B. bei einer Leckage des Systems - vermindert, weil die geringere Ölmenge z.B. die Brandgefahr reduziert oder auch die Maßnahmen zur Vermeidung einer Verschmutzung vereinfacht, weil ein geringerer Raum zu umschließen ist

Die erste Kolbenkammer des Zylinders wird durch die Hydromaschine oder Pumpe über die Hauptleitung gefüllt. Die Hydraulikflüssigkeit wird dabei aus der Senke entnommen. Um die erste Kolbenkammer schnell zu entleeren, weist der Stellantrieb ein Nebenleitung auf, welche einen höheren, insbesondere einen deutlich höheren, Querschnitt aufweist als die Hauptleitung. Diese Nebenleitung verbindet die erste Kolbenkammer mit der Senke.

In der Nebenleitung ist ein hydraulisches Ventil angeordnet. Das Ventil kann in recht unterschiedlichen Ausführungsformen realisiert sein. Bei allen Ausführungsformen weist das Ventil eine erste Stellung und eine zweite Stellung auf, wobei die zweite Stellung einen größeren Volumenstrom des Hydraulikfluids steuert als die erste Stellung. So kann das Ventil in einer Ausführungsform eine erste Stellung "gesperrt" und eine zweite Stellung "Durchfluss" aufweisen. Das hydraulische Ventil wird durch hydraulische Aktuatoren gesteuert. Es kann von einem ersten hydraulischen Aktuator in die erste Stellung und von einem zweiten hydraulischen Aktuator in die zweite Stellung bewegbar sein. Dabei führt eine erste Steuerleitung zu dem ersten hydraulischen Aktuator und eine zweite Steuerleitung zu dem zweiten hydraulischen Aktuator.

In der Hauptleitung ist in Reihe zu der Hydromaschine ein hydraulischer Widerstand angeordnet Die Reihenfolge der Anordnung spielt eine untergeordnete Rolle; so kann entweder die Hydromaschine oder der hydraulische Widerstand näher an der Senke angeordnet sein. Die erste Steuerleitung ist an der Hauptleitung, beispielsweise zwischen dem hydraulischen Widerstand und der Senke, angeschlossen, und die zweite Steuerleitung ist zwischen dem hydraulischen Widerstand und der ersten Kolbenkammer angeschlossen. Wenn die erste Kolbenkammer schnell entleert werden soll, dann saugt die Hydromaschine zunächst das Hydraulikfluid über die Hauptleitung aus der ersten Kolbenkammer. Zur Verdeutlichung sei angenommen, dass der Volumenstrom in der Hauptleitung allmählich erhöht wird. Bei einem vordefinierten Volumenstrom entsteht, abhängig von dem Volumenstrom, ein erhöhter Druck in der zweiten Steuerleitung, die zwischen dem hydraulischen Widerstand und der ersten Kolbenkammer angeschlossen ist Durch diesen erhöhten Druck bewegt der zweite hydraulische Aktuator das Ventil in die zweite Stellung. In einer Ausführungsform kann das Ventil dadurch von einer ersten Stellung "gesperrt" in eine zweite Stellung "Durchfluss" bewegt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die erste Stellung "gesperrt" die Ruhestellung des Ventils sein, in welcher das Ventil, z.B. mittels einer Ventilfeder, anfangs festgehalten wird. In diesem Fall muss durch den Druck am zweiten hydraulischen Aktuator mindestens die Gegenkraft der Feder überwunden werden.

Dadurch, dass das Ventil - mittels des zweiten hydraulischen Aktuators - in die zweite Stellung bewegt wurde, erhöht sich der Volumenstrom in der Nebenleitung. In einer Ausführungsform, bei der das Ventil von einer ersten Stellung "gesperrt" in eine zweite Stellung "Durchfluss" bewegt wird, wird der Volumenstrom aus der ersten Kolbenkammer geradezu sprunghaft gesteigert. Durch diesen sehr schnellen Abfluss der Hydraulikflüssigkeit aus dem Zylinder schaltet der Stellantrieb einen hydraulischen Pfad frei, der den Zu- oder Abfluss, beispielsweise der Hydraulik einer Gasturbine oder Druckgussmaschine, sehr schnell sperrt. Dieser Effekt kann bei einigen Ausführungsformen noch dadurch verstärkt werden, dass in oder an dem Zylinder ein Energiespeicher angeordnet ist, z.B. in Form einer Feder. Diese beschleunigt sowohl den gesteuerten Zu- oder Abfluss als auch die Entleerung der ersten Kolbenkammer.

Es ist im Sinne der vorliegenden Erfindung, wenn eine entsprechend abgeänderte Anordnung nicht zum schnellen Entleeren, sondern zur schnellen Befüllung der ersten Kolbenkammer verwendet wird. Ebenso ist es im Sinne der vorliegenden Erfindung, wenn eine entsprechend abgeänderte Anordnung nicht zum schnellen Öffnen des Ventils, sondern zu schnellen Schließen des Ventils verwendet wird.

In einer Ausführungsform ist die erste Steuerleitung zwischen dem hydraulischen Widerstand und der Hydromaschine angeschlossen. Dabei ist hydraulische Widerstand also zwischen der Hydromaschine und der ersten Kolbenkammer angeordnet. Diese Ausführungsform wird bevorzugt für Stellantriebe gewählt, bei denen die Hydromaschine nur über einen druckfesten Anschluss verfügt. Der hydraulische Widerstand fungiert dabei also auch als Instrument zur Druckminderung.

In einer Ausführungsform ist die erste Steuerleitung zwischen der Hydromaschine und der ersten Kolbenkammer angeschlossen. Diese Ausführungsform wird bevorzugt für Stellantriebe gewählt, bei denen die Hydromaschine über zwei druckfeste Anschlüsse verfügt.

In einer Ausführungsform ist der hydraulische Widerstand ein Blendenventil. Ein Blendenventil ist ein in der Hydraulik gut eingeführtes, robustes und einfach zu handhabendes Bauteil. Es ist in verschiedenen Ausführungsformen lieferbar und kann so gut an die Erfordernisse angepasst werden, insbesondere kann damit der vordefinierte Volumenstrom, der das Schalten des Ventils auslöst recht genau bestimmt werden. In manchen Ausführungsformen kann das Blendenventil auch variabel ausgestaltet sein.

In einer Ausführungsform ist der hydraulische Widerstand in die Hydromaschine integriert Dies ermöglich insbesondere eine besonders kompakte Bauweise des Stellantriebs. Bei manchen Ausführungsformen kann der hydraulische Widerstand bereits durch die Bauweise der Hydromaschine realisiert sein - z.B. wenn ein Innenwiderstand realisiert ist -, so dass kein zusätzliches Bauteil erforderlich ist

In einer Ausführungsform weist die Senke zusätzlich zu der zweiten Kolbenkammer des Gleichgangzylinders ein Reservoir auf.

In einer Ausführungsform ist das Reservoir vorgespannt und insbesondere als Druckspeicher ausgeführt Dies sorgt für eine besonders kompakte Ausführung des Stellantriebs und spart Energie bei der Auffüllung der ersten Kolbenkammer.

In einer Ausführungsform ist das Ventil ein Wegeventil, wobei die erste Stellung "gesperrt" und die zweite Stellung "Durchfluss" ist. Beispielsweise kann das Ventil als 2/2-Wegeventil realisiert sein.

In einer Ausführungsform weist das Ventil mehrere Stellungen mit jeweils unterschiedlichen Querschnitten auf. Dies ist vorteilhaft, wenn der Stellantrieb eine komplexere Steuerung realisieren soll, die z.B. eine schnelle, aber dennoch weiche Steuerung des hydraulischen Zu- oder Abflusses des gesteuerten Gerätes.

In einer Ausführungsform kann das Ventil stufenlos zwischen mehreren Stellungen mit jeweils unterschiedlichem Volumenstrom des Hydraulikfluids schalten. Dabei kann "stufenlos" auch "sehr kleine Stufen" bedeuten. Auch dies ist eine vorteilhafte Möglichkeit, komplexere Steuerungen zu realisieren.

In einer Ausführungsform hat das Ventil die Stellung "gesperrt" als Ruhestellung, in der es, insbesondere durch eine Feder, gehalten wird. Damit wird zum einen die versehentliche Ansteuerung, z.B. die versehentliche Öffnung, des Ventils weitgehend verhindert Außerdem kann durch Wahl der Feder - insbesondere in Kombination mit einem definierten Blendenventil - der Schaltdruck des Ventils genau einstellt werden.

In einer Ausführungsform weist der Zylinder weiterhin einen Energiespeicher auf und/oder ist mit einem Energiespeicher verbunden. Der Energiespeicher kann beispielsweise eine Feder sein. Diese kann in der zweiten Kolbenkammer oder vor der ersten Kolbenkammer angeordnet sein. Mit einem derartigen Energiespeicher wird die Reaktionsgeschwindigkeit des Stellantriebs deutlich erhöht

In einer Ausführungsform ist in der Nebenleitung ein weiterer hydraulischer Widerstand, insbesondere ein Blendenventil, angeordnet. Dies sorgt für einen definierten maximalen Volumenstrom, wenn aus der ersten Kolbenkammer die Hydraulikflüssigkeit schnell abgelassen wird, d.h. insbesondere wenn sich das Ventil - zumindest für einige Ausführungsformen - in der zweiten Stellung "Durchfluss" befindet.

In einer Ausführungsform ist ein Rückschlagventil parallel zu dem hydraulischen Widerstand angeordnet Dadurch kann die erste Kolbenkammer schneller befüllt werden, weil die Füllmenge nicht mehr ausschließlich durch den hydraulischen Widerstand begrenzt wird.

Ein erfindungsgemäßes elektro-hydrostatischer Antrieb wird für Dampfturbinen, Gasturbinen, Druckgussmaschinen oder Kunststoff-Spritzgussmaschinen verwendet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines verschiedener Ausführungsformen erläutert, wobei daraufhingewiesen wird, dass durch dieses Beispiel Abwandlungen beziehungsweise Ergänzungen, wie sie sich für den Fachmann unmittelbar ergeben, mit umfasst sind. Darüber hinaus stellt dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel keine Beschränkung der Erfindung, welche durch die Ansprüche definiert wird.

Dabei zeigen:

• Fig. 1: Ein Schaltbild eines nicht erfindungsgemäßen Stellantriebs;
• Fig. 2: Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stellantriebs;
• Fig. 3: Eine Variante eines nicht erfindungsgemäßen Stellantriebs.

Fig. 1 zeigt einen Zylinder 200, dessen Kolbenstange 230 an einem Ende einen Aktuator, nämlich einen Verschluss 290, aufweist, wie er insbesondere für Dampfturbinen, Gasturbinen, Druckgussmaschinen oder Kunststoff-Spritzgussmaschinen verwendet wird. Der Verschluss 290 steuert die Öffnung einer Leitung oder Passage 420 in einem der genannten Geräte, die von einer weiteren Leitung oder Passage 410 abzweigt. In manchen Betriebsmodi soll die Öffnung zur Passage 420 sehr schnell geschlossen werden. In der gezeigten Ausführungsform geschieht das dadurch, dass die erste Kolbenkammer 220 sehr schnell geleert und die Feder 250 sehr schnell entspannt wird. Die Feder 250 ist in dieser Ausführungsform innerhalb der zweite Kolbenkammer 240 angeordnet. Die Feder 250 fungiert als Energiespeicher. Die zweite Kolbenkammer 240 kann offen sein. Wenn die erste Kolbenkammer 220 sehr schnell geleert werden soll, dann pumpt die Hydromaschine oder Pumpe 50 zunächst über die Druckleitungen 130 (die einen Teil der Druckleitung 110 mitverwendet) und 160 Hydraulikfluid aus der ersten Kolbenkammer 220. Das 2/2-Wegeventil 100 ist dabei zunächst in der Stellung "gesperrt". Dies ist die Ruhestellung des Ventils 100 und wird in dieser Ausführungsform durch eine Ventilfeder 108 gewährleistet. Der Volumenstrom, der dadurch in der Druckleitung 130 entsteht, bewirkt eine Druckdifferenz zwischen einer ersten und einer zweiten Seite des Blendenventils 180, d.h. es entsteht ein höherer Druck auf der Seite des Blendenventils 180, die in Richtung der ersten Kolbenkammer 220 weist. Es entsteht folglich auch ein höherer Druck in der Druckleitung 140, die den Aktuator 102 steuert Der Druck ist dabei proportional zu dem Volumenstrom, den die Pumpe 50 erzeugt Wenn die Pumpe 50 einen vordefinierten Volumenstrom überschreitet, dann ist der Druck in der Leitung 140 so hoch, dass die Kraft der Ventilfeder 108 überwunden wird und der Aktuator 102 das Ventil 100 in die Stellung "Durchfluss" schaltet. Dies öffnet die Nebenleitungen 110 und 120, welche einen deutlich größeren Innendurchmesser aufweisen als die Druckleitungen 130 und 160. Dadurch kann das Hydraulikfluid sehr schnell aus der ersten Kolbenkammer 220 abfließen. In dieser Ausführungsform fließt das Hydraulikfluid in das Reservoir 190, das als Druckkammer ausgelegt sein kann. Das geschlossene System ermöglich vorteilhafterweise eine sehr kompakte Bauform und benötigt ein signifikant geringeres Volumen des Hydraulikfluids als im Stand der Technik.

Das Ventil 100 wird entweder durch die Ventilfeder 108 geschlossen, wenn der Volumenstrom ein vordefiniertes Maß unterschreitet. Oder das Ventil 100 wird mittels der Hydromaschine 50 geschlossen, wenn die Hydromaschine 50 das Hydraulikfluid von dem Reservoir 190, über die Leitungen 160 und 130, in erste Kolbenkammer 220 pumpt Dadurch entsteht ein höherer Druck am Aktuator 104, der das Ventil 100 in die Stellung "gesperrt" schaltet. Die Pumpe 50 ist vorzugsweise als eine von einem Elektromotor 60 angetriebene volumen- und/oder drehzahlvariable Hydromaschine 50 realisiert.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stellantriebs. Die Grundfunktion ist dabei dieselbe wie für Fig. 1 erläutert. Auch bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben Elemente wie bei Fig. 1. Fig. 2 weist aber weitere Elemente auf, die für bestimmte Einsatzszenarien vorteilhaft sind. So zeigt Fig. 2 eine Druckleitung 330, welche das Reservoir 190 und den zweiten Pumpenanschluss 52 mit der zweiten Kolbenkammer 240 verbindet. In einigen Ausführungsformen kann dabei auf die Feder 250 verzichtet werden. Diese Variante hat den Vorteil, dass das Reservoir 190 kleiner gestaltet werden kann, weil die zweite Kolbenkammer 240 einen Teil des aus der ersten Kolbenkammer 220 abfließenden Hydraulikfluids aufnehmen kann.

Weiterhin zeigt Fig. 2 ein Rückschlagventil 360 in der Druckleitung 310, das sich öffnet, wenn die erste Kolbenkammer 220 mit dem Hydraulikfluid befüllt wird. Das Rückschlagventil 360 ist parallel zu dem Blendenventil 180 angeordnet. Mit dem Rückschlagventil 360 wird also das Blendenventil 180 umgangen, so dass eine schnellere Befüllung der ersten Kolbenkammer 220 möglich wird.

Fig. 2 zeigt außerdem ein Rückschlagventil 370, das parallel zu der Hydromaschine 50 angeordnet ist Das Rückschlagventil 370 öffnet sich, wenn die erste Kolbenkammer 220 entleert wird. Weil dabei der größte Teil des Hydraulikfluids über die Leitungen 110 und 120 fließt, kann die Pumpe 50 eine Unterversorgung mit Hydraulikfluid aufweisen. Bei manchen Typen von Pumpen kann dies zu einer Beschädigung der Pumpe führen. Um dies zu vermeiden, wird über das Rückschlagventil 370 Hydraulikfluid von der Leitung 120 in die Pumpe 50 geleitet

Bei Fig. 2 ist in der Leitung 120 ein Blendenventil 170 angeordnet Es ist auch möglich, das Blendenventil 170 in Leitung 110 anzuordnen, vorzugsweise hydraulisch in der Nähe des Ventils 100. Dadurch ist das maximale Volumenstrom durch die Leitungen 110 und 120 nicht durch den Querschnitt dieser Leitungen bestimmt, sondern kann wesentlich präziser durch die Dimensionierung des Blendenventils 170 bestimmt werden.

In dem Zylinder 200 ist in der ersten Kolbenkammer 220 - im Bereich des Endes, das der Feder 250 gegenüberliegt - eine Endlagendämpfung 270 angeordnet. Wenn der Energiespeicher, wie in dieser Ausführungsform, als Feder 250 ausgeführt ist, kann der Kolben des Zylinders sehr hart auf die Innenwand des Zylinders auftreffen und so, zumindest mittelfristig, eine Schädigung des Zylinders verursachen. Dies wird mit der gezeigten Endlagendämpfung 270 vermieden.

Fig. 3 zeigt eine Variante eines nicht erfindungsgemäßen Stellantriebs. Wie bei Fig. 1 weist das Ventil 100 die Ruhestellung "gesperrt" auf. Wird die erste Kolbenkammer 220 entleert, dann baut sich, ab einem vordefinierten Volumenstrom, vor dem Blendenventil 180 in der Leitung 150 ein Druck auf, der so hoch ist, dass die Kraft der Ventilfeder 108 überwunden wird und der Aktuator 104 das Ventil 100 in die Stellung "Durchfluss" schaltet

10

hydraulisches System

50

Hydromaschine, Pumpe

51

erster Pumpenanschluss

52

zweiter Pumpenanschluss

60

Motor

100

Ventil, 2/2-Wegeventil

102

erster Ventilaktuator

104

zweiter Ventilaktuator

108

Ventilfeder

110, 120

Druckleitung, Nebenleitung

130, 160

Druckleitung, Hauptleitung

140, 150

Druckleitung, Steuerleitung

170

weiteres Blendenventil

180

Blendenventil

190

Reservoir

200

Zylinder

210

Kolben des Zylinders

220

erste Kolbenkammer

230

Kolbenstange

240

zweite Kolbenkammer

250

Feder

270

Endlagendämpfung

290

Verschluss

310

Druckleitung

320

Druckleitung

330

Druckleitung

360

Rückschlagventil

370

Rückschlagventil

410, 420

Leitung, Passage des gesteuerten Gerätes