DE102017218200A1

DE102017218200A1 - Elektrohydraulisches System mit einer Verstellvorrichtung für ein Ventil

Info

Publication number: DE102017218200A1
Application number: DE102017218200.8A
Authority: DE
Inventors: Alexandre Orth; Gottfried Hendrix
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2019-04-18
Also published as: WO2019072728A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrohydraulisches System mit einer Verstellvorrichtung (1) für ein Ventil (2), mit einer Antriebseinrichtung (3), mit einer Stelleinrichtung (4) und mit einer Vorspanneinrichtung (5), wobei die in der Vorspanneinrichtung (5) gespeicherte Energie im Störfall auf die Stelleinrichtung (4) übertragbar ist, so dass eine rotative Bewegung der Stelleinrichtung (4) einsetzt, die zur Verstellung des Ventils (2) führt.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrohydraulisches System mit einer Verstellvorrichtung für ein Ventil, mit einer Antriebseinrichtung, mit einer Stelleinrichtung und mit einer Vorspanneinrichtung, wobei die in der Vorspanneinrichtung gespeicherte Energie im Störfall auf die Stelleinrichtung übertragbar ist, so dass eine rotative Bewegung der Stelleinrichtung einsetzt.
Solche elektrohydraulischen Systeme mit Prozessventilen können bei einer Vielzahl industrieller Anwendungen zum Einsatz kommen, z. B. unter Wasser (off shore oil and gas) und auch über Wasser (on shore oil and gas).
Solche Art elektrohydraulischer Systeme werden vor allem dazu genutzt, 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.
Bei einer bekannten Vorrichtung ist die Stelleinrichtung mit einem Stellantrieb zur Betätigung eines Ventils mittels eines Stellglieds ausgeführt. Diesem Stellantrieb ist eine Notbetätigungseinrichtung zugeordnet, über die das Stellglied im Wesentlichen unabhängig von der Ansteuerung des Stellantriebs bei einer Störung zurückgestellt werden kann. Diese Notbetätigungseinrichtung hat einen Energiespeicher, dessen gespeicherte Energie zum Rückstellen freisetzbar ist. Hierbei hat die Notbetätigungseinrichtung einen Kolben, der einerseits vom Energiespeicher und andererseits von einem Druck in einem Druckraum beaufschlagt ist, der über ein Schaltventil mit einem Tank oder dergleichen verbindbar ist, um die im Energiespeicher gespeicherte Energie freizusetzen. Dabei ist der Kolben derart ausgebildet, dass er das Stellglied bei einer Entlastung des Druckraums in Rückstellrichtung verstellt. Die lineare Verschiebung des Kolbens im Notfall wird über einen linear verschiebbaren Mitnehmer in eine ebenfalls lineare Bewegung des Stellglieds (Konsole) verwandelt, über das das Ventil geschlossen wird. Zur Schließung eines rotativ betätigbaren Ventils ist die lineare Verschiebeeinrichtung weder vorgesehen noch geeignet. Insbesondere stört, dass mit der Linearbewegung eine unmittelbare Übertragung eines Drehmoments auf das Ventil nicht möglich ist.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrohydraulisches System mit einer Verstellvorrichtung zu schaffen, das die genannten Nachteile lindert oder sogar vermeidet. Insbesondere soll auf konstruktiv einfache Weise eine kompakte Bauweise, namentlich ein kleiner Bauraum und eine gesteigerte Lebensdauer, verwirklicht werden. Außerdem soll eine effektive Verstellung des Stellantriebs auf einfache Art ermöglicht werden.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Anordnung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1. 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.
Hierzu trägt ein elektrohydraulisches System mit einer Verstellvorrichtung für ein Ventil, mit einer Antriebseinrichtung, mit einer Stelleinrichtung und einer Vorspanneinrichtung bei, wobei die in der Vorspanneinrichtung gespeicherte Energie im Störfall auf die Stelleinrichtung übertragbar ist, so dass eine rotative Bewegung der Stelleinrichtung einsetzt, die zur Verstellung des Ventils führt.
Das hier vorgestellte elektrohydraulische System umfasst einen gekapselten Notantrieb mit einem hydraulischen Energiespeicher. Über eine mechanische Spindel oder über einen Hydromotor wird die in einer Feder gespeicherte Energie in eine Drehbewegung umgesetzt. In beiden Fällen wird die Feder durch einen hydraulischen Zylinder gespannt gehalten, der über ein Ventil abgesperrt ist. Beim Öffnen des Ventils wird der Zylinder von der Feder geschoben und die Energie freigesetzt. Die Drehbewegung führt im Störfall zur unmittelbaren Verstellung und damit zur schnellen Schließung eines rotativ betätigten Ventils. Das Auslösen der Stelleinrichtung erfolgt schnell und ausfallsicher.
Mit der vorliegenden Vorrichtung ist ein Notfall-Sicherheits-Modul für rotative Achsen, insbesondere Prozessventile, geschaffen, ohne elektrische Batterien zu verwenden. Das Modul ist unter Wasser austauschbar und ermöglicht eine Betätigung des Ventils durch einen externen Aktuator oder Roboter.
Für vielfache Anwendungen unter Wasser und auch über Wasser (on shore oil and gas) wird ein rotativ betätigbarer Aktuator bevorzugt, der mit einer Standardschnittstelle (z. B. durch ein ROV) ausgewechselt werden kann. Mit dem hier vorgestellten elektrohydraulischen System wird ein Störfallsicherungs- und Schließmechanismus für rotative Aktoren realisiert unter Verwendung eines Federsystems und einer hydraulischen Regelung (ohne elektrische Batterien), das durch einen externen Aktuator oder Unterwasser-Roboter oder Fahrzeug (z. B. ROVs und AUVs) ausgetauscht und betrieben werden kann.
Der Störfallsicherungsmechanismus für rotativ betätigbare Ventile verwendet keine Batterien, sondern gebraucht Federn mit einer zuverlässigen hydraulischen Regelung, die auch unter Wasser ausgetauscht werden können, die einen Spindelantrieb oder einen Hydromotor aufweisen und auch ein komplettes Antriebssystem enthalten kann (d. h. nicht nur Sicherungsfunktionen, sondern auch die normalen betrieblichen Arbeiten).
Die hier vorgestellte Verstellvorrichtung verwirklicht eine Störfallsicherung mit einem Federsystem, wobei das Sicherheitsregelsystem in eine hydraulische Regelung integriert ist, d. h. eine elektrische Antriebseinrichtung wird entkoppelt und ein erforderliches Drehmoment und eine Drehbewegung werden bereitgestellt, um ein Prozessventil in eine gesicherte (geschlossene) Position zu bringen und in dieser Position zu halten.
Das Notfall-Sicherheits-Modul für rotativ betriebene Prozessventile ermöglicht ein hohes Sicherheits- und Zuverlässigkeitsniveau für eine lange Betriebsdauer (z. B. 25 Jahre). Es kann als unabhängiges Modul verwendet werden, sowohl zur Ergänzung existierender elektrischer Aktoren oder als Einzelaktor. Das Modul kann auf einfache Art unter Wasser ausgetauscht werden; der Betrieb eines externen Werkzeugs oder Aktuators kann durch ein elektrohydraulisches Regelsystem deaktiviert werden (kein Block).
Die Antriebsvorrichtung für die Verstellvorrichtung kann ein Remote Operated Vehicle (ROV) oder ein Autonomous Underwater Vehicle (AUV) oder Roboter sein. Als Stelleinrichtung kommen vorzugsweise eine Gewindespindel oder ein Hydromotor mit rotativem Abtrieb in Betracht. Bevorzugt ist die Stelleinrichtung dazu eingerichtet, das Ventil rotativ anzutreiben, z. B. ein Prozessventil [?].
Die Ventile können vorzugsweise Absperrventile für das Sperren und Öffnen einer Leitung sein. Als Ventilelemente werden weiterhin vorzugsweise hydraulisch über Hydromotor oder mechanisch über Gewindespindel verstellbare Kegelsitzelemente verwendet. Die durch den Gegendruck erzeugte Schließkraft bewirkt eine elastische Verformung am Sitzelement. Bei ausreichender Schließkraft ist eine leckagefreie Dichtheit gewährleistet. Hierbei wird ein Ventilkegel durch eine Bewegungsspindel auf einen Gehäusesitz gepresst. Die Gewindemutter kann im Gehäuse liegen. Der Antrieb der Bewegungsspindel erfolgt vorzugsweise über einen Stellantrieb, der eine Drehbewegung ausführt. Die Bewegungsspindel mit dem Ventilkegel wird beim Öffnen und Schließen des Ventils linear verschoben, während die Gewindemutter ortsfest bleibt. Es können auch Kugelelemente mit durchgehender Bohrung verwendet werden, die in einer Dichtung gelagert sind und bei Drehung um 90° die Öffnung freigeben bzw. absperren. Das Kugelelement und der Stellantrieb sind hierbei ortsfest. Weiterhin bevorzugt kommen Drehschieberventile zur Anwendung.
Die Vorspanneinrichtung umfasst ein Federelement, z. B. Schraubendruckfeder, Tellerfeder, Spiralfeder oder ein anderes federndes Element. Die Vorspanneinrichtung wirkt mit einem Kolben zusammen, der einen flüssigkeitsgefüllten Druckraum begrenzt, der dazu eingerichtet ist, die Stelleinrichtung bei einer Entlastung des Druckraums in Rückstellrichtung (Schließrichtung) des Ventils zu verstellen.
Vorzugsweise sind die Stellachse der Stelleinrichtung und die Stellachse des Ventils koaxial zueinander angeordnet.
Bevorzugt umfasst die Stelleinrichtung mindestens eine mechanische Gewindespindel und eine Spindelmutter.
Mit Vorteil umfasst die Stelleinrichtung mindestens einen rotatorischen Hydromotor.
Zweckmäßig umfasst die Vorspanneinrichtung mindestens ein Federsystem mit mindestens einer Vorspannfeder, das durch mindestens einen Hydrozylinder mit mindestens einem Druckkolben und mindestens einem Druckraum vorgespannt ist.
Vorzugsweise ist der Druckraum an mindestens einen Kanal mit mindestens einem Schaltventil angeschlossen, bei dessen Öffnung der Hydrozylinder durch das Federsystem verschiebbar ist.
Bevorzugt umfasst die Antriebseinrichtung für die Stelleinrichtung eine Elektromaschine für einen Drehantrieb eines externen Aktors oder Roboters oder eines ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugs.
Mit Vorteil ist zwischen der Antriebseinrichtung für die Stelleinrichtung und der Stelleinrichtung eine Trennkupplung vorhanden.
Zweckmäßig ist die Antriebseinrichtung für die Stelleinrichtung mit einer Hydromaschine verbunden, die an den Hydrozylinder angeschlossen ist.
Vorzugsweise ist zwischen der Antriebseinrichtung für die Stelleinrichtung und der Stelleinrichtung ein Freilauf vorhanden.
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:

1a: eine Seitenansicht der Verstellvorrichtung mit geöffnetem Ventil und gespannter Vorspanneinrichtung,
1b: die Verstellvorrichtung gemäß 1 mit geschlossenem Ventil und entspannter Vorspanneinrichtung,
2: eine Ausführungsform mit Deckel am Zylindergehäuse und entspannter Vorspannfeder für ein geschlossenes Ventil,
3: die Ausführungsform gemäß 2 mit gespannten Vorspannfedern für ein geöffnetes Ventil,
4: eine Ausführungsform ohne Deckel und gespannten Vorspannfedern für ein geöffnetes Ventil,
5: die Ausführungsform gemäß 4 mit gespannten Vorspannfedern für eine Ventilposition zwischen geöffnet und geschlossen,
6: die Verstellvorrichtung mit entspannter Vorspannfeder und Spindelmutter in zwei Positionen sowie zusätzlich mit gestrichelt dargestellt verschobener Spindelmutter,
7: die Verstellvorrichtung gemäß 1b, jedoch zusätzlich mit einer Trennkupplung zwischen Antriebseinrichtung und Gewindespindel,
8: eine Ausführungsform der Verstellvorrichtung mit extern angetriebener Hydropumpe und Gewindespindel,
9: eine Ausführungsform der Verstellvorrichtung mit Hydropumpe und angetriebenem Hydromotor,
10: eine Ausführungsform der Verstellvorrichtung mit hydraulisch angetriebenem Hydromotor und extern angetriebener Hydropumpe,
11: eine Ausführungsform der Verstellvorrichtung mit Hydromotor und hydraulischem Freilauf und
12: eine Ausführungsform der Verstellvorrichtung mit einer Trennkupplung zwischen Antriebseinrichtung und Hydromotor.

Die 1a und 1b zeigen die Verstellvorrichtung 1 mit geöffnetem Ventil 2 und gespannter erster Vorspannfeder 16.1 (1a) und mit geschlossenem Ventil 2 und entspannter erster Vorspannfeder 16.1 (1b).
Dargestellt ist die Verstellvorrichtung 1 für ein Ventil 2 mit einer Antriebseinrichtung 3, mit einer Stelleinrichtung 4 und mit einer Vorspanneinrichtung 5.
Die Funktionsschaubilder nach den 1a und 1b zeigen die Stelleinrichtung 4 zur Betätigung eines Ventils 2, z. B. eines Prozessventils, über das ein Volumenstrom 6 einstellbar ist. Die Stelleinrichtung 4 hat einen Spindeltrieb mit einer Antriebseinrichtung 3, z. B. einer ersten Elektromaschine 7, die eine Gewindespindel 8 antreibt, die ihrerseits mit einer Spindelmutter 9 kämmt. Die Spindelmutter 9 ist drehfest, jedoch axial verstellbar in Richtung der Pfeile A und B auf der Gewindespindel 8 geführt, so dass bei einer Drehbewegung der Gewindespindel 8 um die Längsachse 10 in Richtung der Pfeile C oder D die Spindelmutter 9 einen Linearvorschub in Richtung der Pfeile A bzw. B durchführt. Die Drehbewegung der Gewindespindel 8 wird im dargestellten Beispiel auf ein Kugelelement 11 des Ventils 2 mit einer durchgehenden Bohrung 12 übertragen, das in einem Ventilgehäuse 13 abdichtend gelagert ist. Durch das Ventilgehäuse 13 fährt ein Ventilkanal 14 hindurch, der an seinen Mündungen durch Rohre 15 fortgeführt wird und in dem ein gasförmiges oder flüssiges Medium (Volumenstrom 6) fließt.
In dem Ventilgehäuse 13 ist ein Hohlraum ausgebildet, in dem das Kugelelement 11 mit der Bohrung 12 (Durchflussöffnung) drehbar gelagert ist. Das Kugelelement 11 ist koaxial am Abtriebsende 8.2 (siehe 2) der Gewindespindel 8 angebracht. In dem Zustand nach der 1a fluchten die Bohrung 12 und der Ventilkanal 14 miteinander; die volle Durchflussöffnung ist freigegeben, das Ventil 2 ist also geöffnet. Bei Drehung des Kugelelements 11 in Richtung des Pfeils C (siehe 1b) oder D um 90° überdecken das Kugelelement 11 und der Ventilkanal 14 einander, die Durchtrittsöffnung ist versperrt, das Ventil 2 ist geschlossen.
Die Elektromaschine 7 ist am Antriebsende 8.1 (siehe 2) der Gewindespindel 8 angeordnet. Durch Ansteuerung der Elektromaschine 7 im Normalbetrieb kann - über die Drehbewegung der Antriebswelle 42 (siehe 7) der Elektromaschine 7 in Richtung der Pfeile E und F, der Drehbewegung der Gewindespindel 8 in Richtung der Pfeile C und D und der Drehbewegung der Antriebsachse 56 (siehe 7) des Ventils 2 in Richtung der Pfeile R und S - das Kugelelement 11 des Ventils 2 in Abhängigkeit von der Drehbewegung der Gewindespindel 8 in Richtung der Pfeile C bzw. B verstellt werden.
In dem Fall, in dem das Ventil 2 aufgesteuert (geöffnet) ist und somit ein gewisser Volumenstrom 6 eingestellt ist, würde bei einem Stromausfall oder anlageseitigem Störfall das Ventil 2 offenbleiben, so dass die Funktion der Prozessarmatur nicht mehr kontrollierbar ist. Für einen derartigen Störfall ist eine Notbetätigungseinrichtung vorgesehen, durch die die Gewindespindel 8 in eine Grundposition zurückgestellt werden kann, in der das Ventil 2 geschlossen ist (1b). Bei der in den 1a und 1b dargestellten Lösung erfolgt diese Rückstellung mechanisch, wobei zur Notfallfunktion keinerlei Bauelemente elektrisch betätigt werden müssen. Die Notbetätigungseinrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Energiespeicher, im vorliegenden Fall aus der Vorspanneinrichtung 5 mit einer ersten Vorspannfeder 16.1 (Federspeicher), die über einen ersten Kolben 17.1 vorgespannt ist. Dieser erste Kolben 17.1 begrenzt mit seinem einen Endbereich einen ersten Druckraum 18.1 mit Druckfluid eines Hydrozylinders 19 (Betätigungszylinder). Der andere Endbereich des ersten Kolbens 17.1 ragt aus dem Hydrozylinder 19 heraus und steht mit der Spindelmutter 9 unmittelbar in Verbindung (Andruck).
Der erste Druckraum 18.1 ist über einen ersten Kanal 20 mit einem jeweils elektrisch betätigbaren ersten Schaltventil 21 und einem zweiten Schaltventil 22 verbunden, die als Sitzventil ausgeführt sind. Diese sind über eine erste bzw. eine zweite Feder 23 bzw. 24 in ihre Öffnungsposition vorgespannt und lassen sich durch Bestromen eines ersten bzw. zweiten Schaltmagneten 25 bzw. 26 in ihrer Schließstellung verstellen. Mit 28 ist ein erstes Rückschlagventil bezeichnet.
Im regulären Betrieb gemäß 1a erfolgt die Verstellung des Ventils 2 allein über den Spindeltrieb durch Ansteuerung der ersten Elektromaschine 7 (elektrischer Spindelmotor). Im Folgenden wird die Funktion der Schaltventile 21, 22 am Beispiel des ersten Schaltventils 21 erläutert. Dabei ist der erste Schaltmagnet 25 des Schaltventils 21 bestromt, so dass dieses in seine leckagefreie Schaltstellung verstellt ist. Der Federspeicher der Vorspanneinrichtung 5 ist aufgeladen, da im ersten Druckraum 18.1 ein Druck anliegt, der ausreicht, um den Federspeicher in seiner vorgespannten Position zu halten. Das Druckmittel ist dabei über das Schaltventil 21 eingespannt.
Bei einem Stromausfall oder Störfall entsprechend 1b nimmt der Spindeltrieb eine undefinierte Lage ein. Bei einem derartigen Notfall wird deshalb der erste Schaltmagnet 25 stromlos geschaltet, so dass das Schaltventil 21 über die Feder 23 in seine Öffnungsstellung verstellt wird. Dadurch kann Druckmittel aus dem ersten Druckraum 18.1 über das geöffnete Schaltventil 21 abströmen. Dadurch wird der Druck im ersten Druckraum 18.1 abgebaut. Dabei wird der erste Kolben 17.1 in Richtung H durch die Kraft des Federspeichers der Vorspanneinrichtung 5 sowie dessen Bewegung in Richtung I verstellt, so dass Druckmittel aus dem ersten Druckraum 18.1 über den ersten Kanal 20, die geöffneten Schaltventile 21, 22 und den zweiten Kanal 27 ausgeschoben wird. Der erste Druckkolben 17.1 ist mit der Spindelmutter 9 des Spindeltriebs verbunden, so dass entsprechend die mit keinem selbsthemmenden Getriebe ausgeführte Spindelmutter 9 in Axialrichtung E verstellt wird und dabei die Gewindespindel 8 in eine Drehbewegung in Richtung C versetzt wird. Durch Drehbewegung der Gewindespindel 8 wird das Ventil 2 geschlossen.
Wie in 1a gezeigt, dreht die erste Elektromaschine 7, z. B. Bestandteil eines ROV, die Gewindespindel 8 in beide Drehrichtungen C bzw. D. Der Hydrozylinder 19 saugt Öl an und das erste Schaltventil 21 und das zweite Schaltventil 22 (Sicherheitsventile) blockieren die Rückkehr der ersten Vorspannfeder 16.1 so lange, wie elektrischer Strom an den Spulen des ersten Schaltmagneten 25 und des zweiten Schaltmagneten 26 liegt.
Das Ventil 2, z. B. Prozessventil, schließt über die erste Vorspannfeder 16.1 (1b) oder über den Antrieb der Gewindespindel 8 durch die erste Elektromaschine 7 (1a) mit Sicherheitsventilen.
In allen Ausführungsformen können mehr als eine bzw. mehrere Gewindespindeln 8, Hydrozylinder 19 (Druckzylinder) und/oder Vorspannfedern 16 angewendet werden, insbesondere bis das erforderliche Drehmoment erreicht wird.
Die 2 bis 5 zeigen Ausführungsformen, bei denen die Längsachse 10 der Gewindespindel 8, der Spindelmutter 9 und das Zylindergehäuses 30 koaxial zueinander angeordnet sind. Ebenso sind bevorzugt die Längsachsen der Stelleinrichtung 4 (Antriebswelle 42) der Elektromaschine 7, der Gewindespindel 8, der Spindelmutter 9) und der Antriebsachse 56 des Ventils 2 koaxial zueinander angeordnet. Die zweite Vorspannfeder 16.2 und die dritte Vorspannfeder 16.3 stützen sich jeweils mit einem Ende am Zylindergehäuse 30 ab. Es sind jeweils ein erster Druckkolben 17.1 und ein zweiter Druckkolben 17.2 vorhanden.
Nach 2 weist die Gewindespindel 8 ein Antriebsende 8.1 und ein Abtriebsende 8.2 auf. An das Antriebsende 8.1 kann ein (nicht dargestelltes) ROV mit einer Elektromaschine 7 (siehe 1a, 1b) angeschlossen sein (Antrieb von außen). Die Gewindespindel 8 kann auch durch eine erste Hydromaschine 36 (Hydraulikpumpe) in Zusammenarbeit mit einem (nicht dargestellten) Hydromotor angetrieben werden. An das Abtriebsende 8.2 kann ein Ventil 2 (siehe 1a, 1b) angeschlossen sein. In der dargestellten Position nach 2 ist das Ventil 2, z. B. Prozessventil, geschlossen (vgl. 1b) und die zweite Vorspannfeder 16.2 und die dritte Vorspannfeder 16.3 sind entspannt (nicht gesperrt). Das erste Schaltventil 21 ist geöffnet. Es fließt ein Druckfluidstrom 38 aus dem ersten Druckraum 18.1 und dem zweiten Druckraum 18.2 ab. Das Zylindergehäuse 30 ist in Richtung K und dadurch ist ebenso die Spindelmutter 9 in Richtung L verschoben, so dass die Gewindespindel 8 um ihre Längsachse 10 in Richtung C (siehe 1b) gedreht ist. Das Zylindergehäuse 30 weist auf Seiten des Antriebsendes 8.1 einen ersten Deckel 34 und auf Seiten des Abtriebendes 8.2 einen zweiten Deckel 35 auf. Mit 29 ist ein Gehäuse, mit 31 eine Druckkompensation, mit 32 ein erstes Spindellager und mit 33 ein zweites Spindellager bezeichnet. Die erste Hydromaschine 36 (Hydraulikpumpe) ist durch einen Elektromotor 37 angetrieben. Der Hydroantrieb aus Hydromaschine 36 (Hydraulikpumpe) und Elektromotor 37 kann - außer zum Antrieb der Gewindespindel 8 und/oder des Ventils 2 - als Hilfs-Hydroantrieb eingebaut werden, um den ersten Druckkolben 17.1 und den zweiten Druckkolben 17.2 auf Druck zu halten (Leckölverlust).
Die in 3 dargestellte Ausführungsform entspricht der Ausführungsform nach 2. Jedoch ist in der dargestellten Position das Ventil 2 geöffnet (vgl. 1a) und die zweite Vorspannfeder 16.2 und die dritte Vorspannfeder 16.3 sind gespannt (gesperrt). Das erste Schaltventil 21 ist geschlossen. In einem (nicht dargestellten) Schritt wurde zuvor Druckfluid in den ersten Druckraum 18.1 und in den zweiten Druckraum 18.2 eingespeist, wodurch das Zylindergehäuse 30 in Richtung M und dadurch die Spindelmutter 9 in Richtung N verschoben wurden.
In der in 4 dargestellten Ausführungsform ist das Ventil 2 geöffnet (vgl. 1a) und die zweite Vorspannfeder 16.2 und die dritte Vorspannfeder 16.3 sind gespannt (gesperrt). Das erste Schaltventil 21 ist geschlossen. Das Zylindergehäuse 30 ist oben offen, d. h. es weist auf Seiten des Antriebsendes 8.1 keinen Deckel auf. Die Gewindespindel 8 kann gedreht werden, ohne die zweite Vorspannfeder 16.2 und die dritte Vorspannfeder 16.3 neu spannen zu müssen.
Die in 5 dargestellte Ausbildung entspricht der Ausführungsform nach 4. Jedoch ist in der dargestellten Position das Ventil 2 in einer Zwischenposition zwischen geöffnet (vgl. 1a) und geschlossen (vgl. 1b). Die zweite Vorspannfeder 16.2 und die dritte Vorspannfeder 16.3 sind gespannt (gesperrt). Das erste Schaltventil 21 ist geschlossen. Ein erster Druckzwischenraum 39.1 und ein zweiter Druckzwischenraum 39.2 sind mit Druckfluid gefüllt. Dadurch ist die Spindelmutter 9 in Richtung O verschoben, so dass die Gewindespindel 8 um ihre Längsachse 10 in Richtung C (siehe 1b) gedreht ist.
In 6 sind die Verstellvorrichtung 1 mit entspannter Vorspannfeder 16.4 und die Spindelmutter 9 in einer ersten Position 9' und gestrichelt die Spindelmutter 9 in einer zweiten Position 9" dargestellt. Ein Mitnahmeelement 40 ist mit einer Stirnfläche mit der Spindelmutter 9 und mit einer Stirnfläche des ersten Druckkolbens 17.1 verbunden. Die Vorspannfeder 16.4 steht mit dem Mitnahmeelement 40 in Andruckkontakt. Mit den Pfeilen A und B sind die Richtungen der Verschiebung der Spindelmutter 9 im Normalbetrieb bezeichnet. Hierbei erfolgen der Antrieb der Gewindespindel 8 z. B. durch die erste Elektromaschine 7 und die Drehbewegung in Richtungen C und D, wodurch das Ventil 2 geöffnet (1a) oder geschlossen (1b) wird. Mit dem Pfeil P ist die Richtung der Verschiebung der Spindelmutter 9 in Position 9" bezeichnet, wodurch die Vorspannfeder 16.4, z. B. Druckfeder, gespannt wird. Die Gewindespindel 8 wird vom ersten Druckkolben 17.1 in Richtung Öffnen des Ventils 2 entkoppelt. Der Druckkolben 17.1 und die Spindelmutter 9 sind frei bewegliche Teile. Das Ventil 2 kann durch die erste Elektromaschine 7, z. B. als Bestandteil des ROV, geöffnet werden oder das erste Schaltventil 21 und das zweite Schaltventil 22 (Sicherheitsventile) verriegelt werden.
7 zeigt die Verstellvorrichtung gemäß 1b, jedoch mit einer zusätzlichen Trennkupplung 41 zwischen der Antriebseinrichtung 3 und der Gewindespindel 8 (Stellspindel). Es ist eine Trennkupplung 41 für die Antriebswelle 42 der ersten Elektromaschine 7 vorhanden. Hierdurch besteht eine Sicherheitsfunktion (Schließen des Ventils 2) auch bei angekoppelter erster Elektromaschine 7 (ROV bzw. Antrieb). Ein Vorteil besteht darin, dass die erste Elektromaschine 7 (ROV bzw. Antrieb) die Sicherheitsfunktion nicht mehr blockieren/hindern kann. Mit 54 ist eine Leitung von der Trennkupplung 41 zum zweiten Kanal 27 bezeichnet. Mit 56 ist die Antriebsachse des Ventils 2 bezeichnet.
In 8 ist eine Ausführungsform der Verstellvorrichtung 1 mit einer extern durch eine zweite Elektromaschine 43 angetriebene Hydromaschine 36, z. B. Hydropumpe, dargestellt, die den Hydrozylinder 19 ansteuert. Die Gewindespindel 8 (siehe 1b) wird hierbei nur für die Übersetzung der linearen Bewegung (Pfeile E und I) in die rotative Bewegung (Pfeil C) verwendet. Ein Vorteil besteht darin, dass die Kraftübersetzung von der zweiten Elektromaschine 43 (ROV bzw. Antrieb) sehr einfach zu realisieren ist. Es kann eine flexible Lager-Antriebswelle eingesetzt werden.
Entsprechend 9 ist eine Ausführungsform der Verstellvorrichtung 1 mit einer Hydromaschine 36, z. B. Hydropumpe, und einem extern angetriebenen ersten Hydromotor 44 dargestellt. Die interne erste Hydromaschine 36, z. B. Hydropumpe, ist mit einem Elektromotor 37 angetrieben. Die erste Hydromaschine 36 kann sowohl als Vollantrieb oder als „Refresh“ (Mini-Antrieb, redundante Funktion - zum Öffnen) arbeiten. Die Gewindespindel 8 (1b) ist durch den ersten Hydromotor 44 ersetzt und kann somit auch direkt von der externen ersten Elektromaschine 7 (ROV bzw. Antrieb) angetrieben werden. Hierbei kann zwischen der ersten Elektromaschine 7 und dem ersten Hydromotor 44 eine Kupplung 41 (siehe 7) vorhanden sein. Die zweite Vorspannfeder 16.2 beaufschlagt den ersten Druckkolben 17.1.
Gemäß 10 ist eine Ausführungsform der Verstellvorrichtung 1 mit einem hydraulisch angetriebenen ersten Hydromotor 44 und extern angetriebenen zweiten Hydromaschine 45, z. B. Hydropumpe, gezeigt. Der erste Hydromotor 44 wird - über die zweite Hydromaschine 45 - extern durch die erste Elektromaschine 7 angetrieben. Der hydraulische Abtrieb der zweiten Hydromaschine 45 bildet den hydraulischen Antrieb für den ersten Hydromotor 44 (das Übersetzungsverhältnis ist damit sehr flexibel). Es ist ein hydraulischer Kreislauf aus der zweiten Hydromaschine 45 und dem ersten Hydromotor 44 vorhanden. Mit 46 ist ein drittes Schaltventil, mit 47 ist ein viertes Schaltventil, mit 48 ist ein zweites Rückschlagventil und mit 49 ist ein drittes Rückschlagventil bezeichnet. Die zweite Vorspannfeder 16.2 beaufschlagt den ersten Druckkolben 17.1.
Nach 11 ist eine Ausführungsform der Verstellvorrichtung 1 mit einem ersten Hydromotor 44 und einem hydraulischen Freilauf 50 gezeigt. Hierbei kann die externe erste Elektromaschine 7 (ROV bzw. Antrieb) durch den hydraulischen Freilauf 50 entkoppelt werden, d. h. bei einer Störfallsicherung ist die Elektromaschine 7 (ROV bzw. Antrieb) ausgeschaltet. Der hydraulische Freilauf 50 bildet einen hydraulischen Kreislauf aus der zweiten Hydromaschine 45 und einem zweiten Hydromotor 51. In den hydraulischen Kreislauf 50 sind ein fünftes Schaltventil 52 und ein sechstes Schaltventil 53 integriert. Die zweite Vorspannfeder 16.2 beaufschlagt den ersten Druckkolben 17.1.
Entsprechend 12 ist eine Ausführungsform der Verstellvorrichtung 1 mit einer Trennkupplung 41 zwischen der externen ersten Elektromaschine 7 (ROV bzw. Antrieb) und dem hydraulisch angetriebenen ersten Hydraulikmotor 44 vorhanden. Die erste Elektromaschine 7 (ROV bzw. Antrieb) kann durch die Trennkupplung 41 entkoppelt werden, d. h. bei einer Störung ist die erste Elektromaschine 7 (ROV bzw. Antrieb) ausgeschaltet. Zwischen der Trennkupplung 41 und dem ersten Hydraulikmotor 44 ist ein hydraulischer Kreislauf aus der zweiten Hydromaschine 45 und dem zweiten Hydromotor 51 vorhanden. Die Trennkupplung 41 ist über eine Leitung 54 mit dem zweiten Kanal 27 verbunden. Mit 55 ist ein Stromventil bezeichnet. Die zweite Vorspannfeder 16.2 beaufschlagt den ersten Druckzylinder 17.1.
Bezugszeichenliste

1: Verstellvorrichtung
2: Ventil
3: Antriebseinrichtung
4: Stelleinrichtung
5: Vorspanneinrichtung
6: Volumenstrom
7: erste Elektromaschine
8: Gewindespindel
8.1: Antriebsende
8.2: Abtriebsende
9: Spindelmutter
9': erste Position
9": zweite Position
10: Längsachse
11: Kugelelement
12: Bohrung
13: Ventilgehäuse
14: Ventilkanal
15: Rohr
16.1: erste Vorspannfeder
16.2: zweite Vorspannfeder
16.3: dritte Vorspannfeder
16.4: vierte Vorspannfeder
17.1: erster Druckkolben
17.2: zweiter Druckkolben
18.1: erster Druckraum
18.2: zweiter Druckraum
19: Hydrozylinder
20: erster Kanal
21: erstes Schaltventil
22: zweites Schaltventil
23: erste Feder
24: zweite Feder
25: erster Schaltmagnet
26: zweiter Schaltmagnet
27: zweiter Kanal
28: erstes Rückschlagventil
29: Gehäuse
30: Zylindergehäuse
31: Druckkompensation
32: erstes Spindellager
33: zweites Spindellager
34: erster Deckel
35: zweiter Deckel
36: erste Hydromaschine
37: Elektromotor
38: Druckfluidstrom
39.1: erster Druckzwischenraum
39.2: zweiter Druckzwischenraum
40: Mitnahmeelement
41: Trennkupplung
42: Antriebswelle
43: zweite Elektromaschine
44: erster Hydromotor
45: zweite Hydromaschine
46: drittes Schaltventil
47: viertes Schaltventil
48: zweites Rückschlagventil
49: drittes Rückschlagventil
50: hydraulischer Freilauf
51: zweiter Hydromotor
52: fünftes Schaltventil
53: sechstes Schaltventil
54: Leitung
55: Stromventil
56: Antriebsachse

Claims

Elektrohydraulisches System mit einer Verstellvorrichtung (1) für ein Ventil (2), mit einer Antriebseinrichtung (3), mit einer Stelleinrichtung (4) und mit einer Vorspanneinrichtung (5), wobei die in der Vorspanneinrichtung (5) gespeicherte Energie im Störfall auf die Stelleinrichtung (4) übertragbar ist, so dass eine rotative Bewegung der Stelleinrichtung (4) einsetzt, die zur Verstellung des Ventils (2) führt.
Elektrohydraulisches System nach Patentanspruch 1, wobei die Stellachse der Stelleinrichtung (4) und die Stellachse des Ventils (2) koaxial zueinander angeordnet sind.
Elektrohydraulisches System nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Stelleinrichtung (4) mindestens eine mechanische Gewindespindel (8) und mindestens eine Spindelmutter (9) umfasst.
Elektrohydraulisches System nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Stelleinrichtung (4) mindestens einen rotierbaren Hydromotor (44) umfasst.
Elektrohydraulisches System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Vorspanneinrichtung (5) mindestens ein Federsystem mit mindestens einer Vorspannfeder (16.1, 16.2) umfasst, das durch mindestens einen Hydrozylinder (19) mit mindestens einem Druckkolben (17.1, 17.2) mit mindestens einem Druckraum (18.1, 18.2) vorgespannt ist.
Elektrohydraulisches System nach Patentanspruch 5, wobei der Druckraum (18.1, 18.2) an mindestens einen Kanal (20, 27) mit mindestens einem Schaltventil (21, 22) angeschlossen ist, bei dessen Öffnung der Druckkolben (17.1, 17.2) des Hydrozylinders (19) durch das Federsystem verschiebbar ist.
Elektrohydraulisches System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Antriebseinrichtung (3) für die Stelleinrichtung (4) eine Elektromaschine (7) für einen Drehantrieb eines externen Aktors oder Roboters oder eines ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugs umfasst.
Elektrohydraulisches System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei zwischen der Antriebseinrichtung (3) für die Stelleinrichtung (4) und der Stelleinrichtung (4) eine Trennkupplung (41) vorgesehen ist.
Elektrohydraulisches System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Antriebseinrichtung (3) für die Stelleinrichtung (4) mit einer Hydromaschine (45) verbunden ist, die an einen Hydrozylinder (19) angeschlossen ist.
Elektrohydraulisches System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei zwischen der Antriebseinrichtung (3) für die Stelleinrichtung (4) und der Stelleinrichtung (4) ein Freilauf (50) vorgesehen ist.