本发明涉及一种用于调节阀、尤其用于蒸汽透平调节阀的、按照权利要求1前序部分的伺服驱动装置以及用于运行该伺服驱动装置的方法。
在蒸汽发电厂中，借助蒸汽发生器产生的蒸汽通过至少一个、通常两个至四个蒸汽透平调节阀输送给蒸汽透平，在蒸汽透平中蒸汽在产生机械功的情况下膨胀并且接着输送至用于冷凝的冷凝器。蒸汽透平调节阀定位在蒸汽透平的平行的蒸汽输送管路中，以便能够把强大的蒸汽体积流分配给不同的蒸汽透平调节阀。虽然经过分配，但是每个阀门上的蒸汽体积流还是较大，使得阀门通常有几吨重并且与阀体相应具有较大的重量，该较大的重量必须由相应强大的伺服驱动装置驱动。
因此，为了驱动调节阀通常主要使用液压的或者必要时也使用气动式的伺服驱动装置，该伺服驱动装置具有工作缸，工作缸带有连接在活塞上的、作为用于相应调节阀的阀体的执行器的活塞杆，以便通过活塞杆向工作缸中缩入和活塞杆从工作缸伸出来操纵阀体，以此使得阀体例如在所述蒸汽发电厂中更多地或者更少地封闭蒸汽透平调节阀的流动横截面。
为了在工作缸中移动带有活塞杆的活塞，活塞限定至少一个压力腔，在压力腔中能导入施加压力的工作介质、或者是液压式工作介质、例如油，或者是气动式工作介质、例如空气，以便使活塞克服弹簧的力移动。工作介质的压力通过工作介质泵在外部工作介质回路中形成，工作缸以压力腔的至少一个相应的压力接口连接在工作介质回路上。因为外部工作介质回路像本发明的一个实施方式中的一样通常设计为闭合的回路，所以该外部工作介质回路通常除了压力管路之外还具有送料管路(tankleitung)，施加压力的工作介质通过该压力管路从工作介质泵导入第一压力腔，工作介质通过第二压力腔的第二压力接口从第二压力腔导出并且例如输送给工作压力泵的抽吸侧，第二压力腔定位在活塞的背离第一压力腔的侧面上并且通过活塞与第一压力腔分隔。以此可以实现用于活塞的缩入和伸出的双向作用的工作缸。
专利文献ep0055351a1描述了一种相应的电液式伺服驱动装置，其具有连接在外部工作介质回路上的双向作用的工作缸，其中，在外部工作介质回路中，工作介质泵把工作介质从工作介质储备器通过止回阀或者向工作缸的第一压力腔或者向第二压力腔中供给，以便使其活塞杆等效地以压力弹簧的力伸出或者克服压力弹簧的力地缩入。通过活塞或者说活塞杆的位置确定透平调节阀的打开程度。为了在工作缸中大致定位活塞，配设有二元流量开关作为具有三个开关位置的四通控制阀，其两个控制管路与工作缸中的活塞两侧的压力腔连接，并且还通过压力管路与泵的压力侧连接，通过送料管路与工作介质储备器连接。为了活塞的精细定位，配设有形式为预控制的伺服阀的电液式转换器。
按照专利文献ep0055351a1的伺服驱动装置的缺点在于，通过节流的方向阀的控制边上的节流损失限制了效率，该方向阀设计为连续阀。此外，为了能够精确调节工作缸中的活塞的位置，对稳定的供给压力有较高要求。
专利文献de4030107a1描述了一种相应的伺服驱动装置，其中尽可能地避免了连续阀引起的节流损失。该伺服驱动装置同样具有带两个连接在具有工作介质泵的外部工作介质回路上的压力腔的工作缸，按照此伺服驱动装置，用设计为定量泵并且通过转速调节马达驱动的工作介质泵使工作介质通过沿输送方向打开的止回阀向工作缸的第一压力腔中泵送，使得具有活塞杆的活塞克服压力弹簧的力地缩入。缺点是，单单通过压力弹簧的力使活塞杆伸出，因此动态的调节性能是不对称的，并且沿弹簧力的方向仅通过流动阻力的液压机械式的设计确定，并且不被电控制信号影响。此外，工作介质泵必须能够在所有转速范围上都可以克服在工作缸的压力腔中存在的压力而运转。
在按照专利文献ep2620655a1的伺服驱动装置中也尽可能避免了连续阀中的节流损失，并且还设有一种在外部工作介质回路中的由伺服马达驱动的工作介质泵，该工作介质泵是转速可变的并且可以把工作介质从工作缸的第一压力腔向工作缸的第二压力腔中和反向地泵送，以便由此快速地设置活塞的并因此活塞杆的预期位置。但在此其缺点同样在于，工作介质泵必须能够在所有转速范围上都可以克服在工作缸的两个压力腔中的工作介质压力工作，并且必需比较昂贵的同步伺服马达用于动态的和精确的控制。此外，工作介质泵必须能够在活塞的静止状态中施加一个克服弹簧作用的保持压力，通过该弹簧给活塞施加压力。为此保持压力所需的在低转速时的扭矩对于工作介质泵的马达是在热学方面不利的运行情况。在压力较高和为精确定位活塞所需的体积流较少的情况下工作介质泵也易于过热。
专利文献ep0127027b1公开了一种用于调节阀的伺服驱动装置，该伺服驱动装置具有构成用于调节阀的执行器的工作缸，其中，工作缸的两个压力腔通过连接管路与布置在其中的节流阀连接。
本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于调节阀、尤其蒸汽透平调节阀的开始所述类型的伺服驱动装置，以及一种用于运行这种伺服驱动装置的方法，以此有利地避免在外部工作介质回路中的节流损失，其中，伺服驱动装置具有低制造成本，并且有利地在避免工作介质泵的和驱动该工作介质泵的马达的热学方面不利的运行状态的情况下工作。
上述技术问题通过按照独立权利要求的伺服驱动装置和用于运行该伺服驱动装置的方法解决。各从属权利要求中给出了本发明有利的和特别适宜的设计方案。
按照本发明的、用于调节阀、尤其蒸汽透平调节阀的伺服驱动装置具有工作缸。工作缸包括活塞，活塞带有连接在活塞上的活塞杆，活塞杆构成用于调节阀的执行器。活塞杆相应地从工作缸伸出和缩入工作缸，以便由此确定调节阀的打开横截面，例如通过活塞杆在调节阀的阀体上的直接或者间接的连接，使得阀体根据活塞杆的位置更多地或者更少地打开调节阀的流动横截面。
工作缸的活塞限定工作缸的至少一个第一压力腔，第一压力腔具有第一压力接管，第一压力接管用于把施加压力的工作介质导入第一压力腔，以便通过施加压力克服配属于工作缸的弹簧、尤其压力弹簧的力地移动具有活塞杆的活塞。例如，活塞杆随着第一压力腔中施加压力的升高越来越多地继续缩入工作缸中，并且随着第一压力腔中施加压力的减少从工作缸伸出。有利的是，在第一压力腔中施加压力减少的同时，越来越多地将工作介质压力施加给设置在活塞的背离第一压力腔的侧向上的第二压力腔，下文中还会进一步阐述。
按照本发明，工作缸具有第二压力腔，第二压力腔具有第二压力接管，其中，术语“压力接管”并不一定意味着在此必须存在过压下或者用工作介质对第二压力腔施加压力。确切地讲，当第二压力腔的体积由于活塞的移动而减小时，通过按照一种实施方式的第二压力接管也可以从第二压力腔导出工作介质，而不会当第二压力腔的体积在相反的活塞行程中变大时使工作介质施加压力地进入第二压力腔中。然而备选的实施方式规定，施加压力的工作介质交替式地进入第一压力腔和第二压力腔，以便活塞通过此压力施加而不仅仅通过弹簧的力在工作缸中沿第一和第二方向移动。
按照本发明的伺服驱动装置具有外部工作介质回路，工作缸以其第一和第二压力接管连接在外部工作介质回路上，以便向第一和第二压力腔导入工作介质和从其中导出工作介质。在外部工作介质回路中设有通过马达驱动的工作介质泵，工作介质泵具有抽吸侧和压力侧，并且以压力侧经压力管路导引工作介质地连接在第一压力接管上，以抽吸侧经送料管路连接在第二压力接管上。
按照本发明，第一压力腔经短路管道持续性地导引工作介质地与第二压力腔连接。
通过按照本发明的设计方案，即使活塞在工作缸中保持静止时也能够实现从工作介质泵的压力侧到抽吸侧的连续的工作介质流。因而工作介质泵持续地输送一体积流，在此称为空载体积流，所述空载体积流大到，使得通过空载体积流能够导出工作介质泵和尤其驱动工作介质泵的马达的热损耗，所述空载体积流小到，使得附加地由工作介质泵在调节活塞时有待施加的工作介质体积流不妨碍正常伺服运行。
有利的是，工作介质泵、例如通过转速可变的马达、尤其电动马达(电机)驱动的工作介质泵直接地、无节流阀门、例如方向阀地并且尤其无止回阀地连接在工作缸的第一压力腔上或者说第一压力接管上。
工作介质泵有利地按如下所述地连接在外部工作介质回路中，通过该工作介质泵既能够向第一压力腔中输送工作介质，也能够从第一压力腔输送出工作介质。按照第一实施方式，这通过工作介质泵的转动方向的倒转实现。按照备选的实施方式可以保留工作介质泵的转动方向，但工作介质泵的压力侧和抽吸侧交替式地与压力管路连接，例如方式是，从压力管路分支出抽吸管路，抽吸管路通入送料管路或者在工作介质泵的抽吸侧上通入，并且配设有外部控制的截止阀或者转向阀，以便将压力管路与工作介质泵的抽吸侧连接。然后同时，送料管路应能与工作介质泵的压力侧连接，必要时同样通过具有截止阀的管路连接，或者送料管路也连接在转向阀上。
若工作介质泵能沿两个转动方向驱动并且以此使得工作介质泵的压力侧和抽吸侧能互换，就不需要相应的线路导向装置，这些线路导向装置也可以配设在泵内部。当然可以考虑其他措施，以便实现在活塞运动时预期的方向变化。
在本发明的具有沿转动方向可反转的工作介质泵的设计方案中和在压力侧和抽吸侧交替地连接在压力管路上的设计方案中都可以规定，工作介质泵设计为液压马达并且工作介质泵的马达设计成能被发电机式地驱动，因此当工作介质从第一压力腔向第二压力腔中导入时，工作介质泵作为液压马达驱动，并且发电机式地驱动马达。因而可以部分地再回收之前为克服工作缸的弹簧的力而施加的用于调节行程的能量并且以电储存。动能向电能的转换可以在马达的整流器中进行。
按照本发明的一种实施方式短路管道平行于压力管路和供料管路的接管或者说平行于外部工作介质回路连接在工作缸上，或者集成在工作缸中，在该短路管道中可以配设具有不变的流动横截面的节流阀，该节流阀确定在活塞的静止状态中从工作介质泵的压力侧至抽吸侧的工作介质的体积流，并且以此确定在空载中工作介质泵的输送体积。备选地，在短路管道中可以配设具有能可变地设置的流动横截面的节流阀或者调节阀，以便控制或者调节空载体积流，例如控制或调节空载体积流使得工作介质通过短路管道的体积流或者质量流是恒定的。
短路管道可以配设在与第一和第二压力接管导引工作介质地连接的外部工作介质回路之外或者在工作介质回路内，例如从压力管路分支并且通入供料管路。也可以把短路管道集成在工作缸中，例如通过在工作缸的壳体中的通道和/或管路。
有利的是，从压力管路分支出快关管路，快关管路通入供料管路。在快关管路中可以配设快关阀，以便开启或者关闭快关管路。通过开启快关管路，工作缸的活塞可以快速地被置入故障保护位置。尤其当快关阀设计为无调节的开关阀时，有利的是，在快关管路中附加地配设与快关阀串联的不变的或者可调节的节流阀，以便在快关阀打开时确定地或者说可变地设置活塞的行程速度。
工作介质储备器可以连接在供料管路上，工作介质从工作介质储备器输出和/或工作介质储备器用于平衡外部工作介质回路中的体积波动。
为了限定在压力管路中的最大压力，有利的是从压力管路分支出具有过压阀的过压管路，过压管路通入供料管路。
按照本发明的实施例，从供料管路分支出反向管路，在反向管路中配设有止回阀或者截止阀。止回阀尤其沿压力管路的方向打开和沿供料管路的方向关闭。以此在供料管路中的压力大于压力管路中的压力时，工作介质可以从工作介质泵旁边经过地从供料管路导入压力管路并且因而从第二压力腔导入第一压力腔。
按照根据本发明的方法，伺服驱动装置的工作介质泵持续性运行，并且通过短路管道使工作介质从工作介质泵的压力侧向工作介质泵的抽吸侧输送，因此，在工作介质泵中产生的热量能随被输送的工作介质体积流从工作介质泵中导出。当活塞在工作缸中保持静止时，所述输送也会进行。
虽然所述伺服驱动的优选应用领域是蒸汽透平调节阀的驱动，但是所述伺服驱动装置也能用于驱动其他调节阀，例如气轮机的调节阀或者其他机组。
下面根据实施例和附图示例性说明本发明。
在附图1中示出用于按照本发明的伺服驱动装置的实施例，该伺服驱动装置包括工作缸1，活塞2在工作缸中将第一压力腔5与第二压力腔7分隔，并且连接在活塞杆3上，以便根据导入第一压力腔5和/或第二压力腔7的工作介质使活塞杆3交替式地缩入工作缸1中或者从工作缸伸出。活塞2通过弹簧4预紧，在此用于活塞杆3的伸出。
在所示实施例中，活塞杆3用作用于蒸汽透平调节阀102的执行器，蒸汽透平调节阀布置在蒸汽透平104的供汽管103中。用活塞杆3使阀体100能相对于阀座101移位，以便或多或少地打开或者关闭蒸汽透平调节阀102。在所示实施例中，弹簧4或者说活塞杆3从工作缸1中伸出导致蒸汽透平调节阀102的关闭。然而也可以选择其他逻辑，或者通过伺服驱动装置操纵不同于蒸汽透平调节阀102的阀门。
工作缸1连接在外部工作介质回路10上，工作介质回路具有压力管路16和供料管路9，压力管路连接在第一压力腔5的第一压力接管6上，供料管路连接在第二压力腔7的第二压力接管8上。
在外部工作介质回路10中配设有工作介质泵13，工作介质泵13通过马达12、尤其电动马达驱动。工作介质泵13具有抽吸侧14和压力侧15。在抽吸侧14的一侧，在供料管路9上连接有工作介质储备器11，以便平衡在外部工作介质回路10中的体积波动。
用工作介质泵13可以把工作介质从抽吸侧14向压力侧15输送并且经压力管路16向第一压力腔5中输送，以使活塞杆3克服弹簧4的压力地缩入工作缸1中。为了使活塞杆从工作缸1中伸出，一方面可以使用弹簧4的力并且有利地把工作介质泵13作为液压马达驱动，使得工作介质通过工作介质泵13从压力侧15流向抽吸侧14，以此液压式驱动工作介质泵13和发电机式地驱动马达12。然后，驱动能就可以在马达12或者连接的转换器中转换并储存，尤其以电能的形式存储。
作为补充或者备选也可以规定，工作介质泵13可以通过马达12沿与上述对活塞杆3缩入工作缸1所述的转动方向相反的转动方向驱动，并且因而从压力侧15变成抽吸侧14'，从抽吸侧14变成压力侧15'。然后工作介质就主动地借助工作介质泵13从第一压力腔5向第二压力腔7中泵送，并且附加地在活塞2上施加力，该力与弹簧4的力方向相同。
当活塞2并因此活塞杆3在工作缸1中保持静止时，工作介质泵13就必须在非常小的体积流通过工作介质泵13的情况下施加用于平衡弹簧4的压力。这会导致工作介质泵13被加热，因为小的体积流不能把热量从工作介质泵13中导出。按照本发明因此设置短路管道18，短路管道使第一压力腔5持续地、导引工作介质地与第二压力腔7连接。由于所述持续的工作介质管路，通过工作介质泵13输送的工作介质流变大，因此在活塞2的静止状态中也实现预期的热量导出。
在所示实施例中，在短路管道18中设有短路阀19，例如形式为具有不变的或者具有可变的流动横截面的节流阀或者形式为调节阀。由此或者根据压力设置或者主动地改变流动通过短路管道18的工作介质流，例如根据压力保持流动通过短路管道18的工作介质流不变。
在所示实施例中，从供料管路9分支出反向管路21，在反向管路中配设有止回阀17。止回阀17沿压力管路16的方向打开并且沿供料管路9的方向关闭。因而当在供料管路9中存在的工作介质压力大于在压力管路16中的时，工作介质总是从供料管路9流入压力管路16并因此从第二压力腔7流向第一压力腔5中，即通过绕过工作介质泵13流向第一压力腔5中，其中，所需的相对的过压通过止回阀17的弹簧力确定。以此在可能的故障运行中避免在反向运行中的工作介质泵13落入负压区域中。这会发生在活塞2不能继续运动而同时工作介质泵13继续在反向运行中运行的情况。
从压力管路16分支出具有快关阀24的快关管路23，以便通过打开快关阀24使活塞2通过弹簧4的力最大化地快速运动，用于实现故障保护位置。在此，行程速度通过同样在快关管路23中与快关阀24串联地配设的节流阀25确定。
此外，从压力管路16分支出过压管路26，过压管路同样通入供料管路9。在过压管路26中配设有过压阀27，过压阀在预定的压力之上打开，以避免过压管路16中不允许的压力状态。