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Ventil, insbesondere für Abgasturbinen
Ein besonderes Problem beim Bau von Gasturbinen ist die konstruktive Ausbildung ihrer Ventile.
Zunächst sind es die hohen Temperaturen, die es zu beherrschen gilt und die gewisse Vorkehrungen erforderlich machen. Bei den sogenannten Abgasturbinen kommt dann noch der Umstand hinzu, dass die Abgase häufig Staub u. a. Teilchen mit sich führen, die durch Erosion und Korrosion die Betriebssicherheit der Ventile gefährden. Eine solche Gefährdung weitgehend auszuschliessen, ist vor allem dann geboten, wenn die Abgasturbine mit einem Stromerzeuger gekoppelt ist und das Ventil die Leistungsregelung übernehmen muss und überdies in gewissen Fällen, z. B. bei Lastabwurf im zu speisenden Netz auch die Funktion des Schnellschlusses wahrzunehmen hat, wo dann das Ventil in wenigen Zehntelsekunden schliessen muss, um die Turbine abzufangen, d. h. ein Ansteigen der Drehzahl im Leerlauf über den zulässigen Wert hinaus zu verhindern.
Es gilt also vor allem, auch unter den erwähnten schwierigen Bedingungen eine gute Beweglichkeit der Ventilspindel zu sichern. Hiezu ist es bekannt (s. brit. Patentschrift Nr. 580, 259), die Ventilspindel durch ein den Ringspalt zwischen Spindel und Führungsbuchse durchströmendes Kühlmedium möglichst kühl zu halten, um das Auftreten gefährlicher thermischer Spannungen zu vermeiden. Die dort aufgezeigten Massnahmen genügen jedoch noch nicht, sondern es muss die Spindel zentriert werden, so dass der Kühlspalt stets ringförmig gehalten und eine über den Spindelumfang hin gesehen gleichmässige Kühlung erzielt wird, und es müssen bei staubhältigen Gasen weitere Vorkehrungen getroffen werden, um Staubablagerungen in der Spindelführung zu verhindern. Hiefür einen geeigneten Weg aufzuzeigen, ist das Ziel der gegenständlichen Erfindung.
Gegenstand der Erfindung ist ein über eine Spindel betätigtes Ventil, insbesondere für Abgasturbinen, mit Kühlluftbeaufschlagung der Ventilspindel über eine konzentrisch zur Ventilspindel liegende Ringnut im Führungsgehäuse, in welche ein Kühlluftanschluss mündet, wobei in erfindungsgemässer Weise das die Ventilführungsbuchsen tragende Führungsgehäuse vom Ventilgehäuse thermisch isoliert ist, die Ventilspindel in voll offener Lage durch einen konischen Rücksitz am Führungsgehäuse zentrisch zu den Ventilführungsbuchsen gehalten wird und der Kühlluftstrom nach Umspülung der Ventilspindel durch im Führungsgehäuse radial und umfangssymmetrisch vorgesehene Bohrungen einen Raum beaufschlagt, welcher die Ventilspindel ringförmig umgibt und von Teilen des Ventilgehäuses, der Rückseite des Ventilverschlusskörpers (Ventilkegel)
und dem Führungsgehäuse begrenzt wird.
An Hand der Zeichnungen, in denen Fig. 1 das erfindungsgemässe Ventil im Zusammenbau mit dem Turbinengehäuse darstellt und Fig. 2 in vergrösserter Darstellung die Lagerung der Ventilspindel erläutert, soll die erfindungsgemässe Ventilkonstruktion näher erläutert werden.
In den Zeichnungen bedeutet --1-- das Turbinengehäuse, also insbesondere das Gehäuse einer Abgasturbine, an dem das vorzugsweise ringförmige Ventilgehäuse --2-- angeflanscht ist. An der Verbindungsstelle zwischen Turbinengehäuse und Ventilgehäuse wird über einen Verbindungsflansch --3-- der Diffusor-25--des Ventils getragen. Mit den Pfeilen--4--ist die Richtung der
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Gasströmung durch das im voll geöffneten Zustand gezeichnete Ventil angedeutet.
Die Ventilspindel ist mit --5-- positioniert und der aus einem Stück mit der Ventilspindel bestehende Verschlusskörper in Form eines Kegels mit-6--. Die Ventilspindel wird in einem eigenen, vom übrigen Ventilgehäuse
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Ventilgehäuse-2-durch--9-- und einer inneren Führungsbüchse --10-- ausgestattet, die im Detail an Hand der Fig. 2 erläutert werden sollen, und enthält eine Ringnut--18--, in die ein Kühlluftanschluss--11-- mündet. Das Führungsgehäuse-7-besitzt ferner Bohrungen-12--, die in einen Raum-13münden, der bei voll geöffnetem Ventil nach oben vom Befestigungsflansch des Führungsgehäuses
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der Unterseite des Ventilkegels--6--angedeutet.
In Fig. 2 ist darüber hinaus eine im Aussenteil der Spindelführung zusätzlich angeordnete Labyrinthbüchse --19-- mit mehreren mit Schneiden versehenen Rippen --19a-- sowie ein
Verschlussdeckel --20-- angedeutet. Um die aufeinandergleitenden Teile der Spindel und ihrer Führung gegen Oxydation zu schützen und um gute Hochtemperaturgleiteigenschaften zu erhalten, werden die aufeinandergleitenden Flächen mit einem vorzugsweise durch Schweissen aufgebrachten Hartmetallüberzug, vorzugsweise ein Stellitüberzug, versehen. Mit-21-ist die Stellitauskleidung der Büchsen--9 und 10--angedeutet und mit--23--die Stellitierung der Spindeloberfläche.
In der Stellitauskleidung der Büchsen--9 und 10--sind Nuten vorgesehen, angedeutet durch die Strichlierung--22--, die ein dichtes Aneinanderliegen der Spindel und der Führungsbüchsenoberflächen verhindern und einen weitgehend gleichmässigen Kühlluftdurchtritt durch den Spalt sichern, auch wenn die Spindel einseitig anliegen sollte. Für den Rücksitz-15-sind beide Stellitierungen entlang der Oberflächen gegen den Ventilkegel hin gezogen und aufeinander eingeschliffen, so dass ein dichter ventilartiger Sitz entsteht.--24--bedeutet eine Ringnut in der Stellitierung der Büchse --10--, in die die schon erwähnten Bohrungen --12-- münden.
Durch die Anordnung eines eigenen Gehäuses zur Führung der Ventilspindel, welches mit dem Ventilgehäuse selbst nur über eine schmale Zentrierleiste verbunden ist, wobei die Verbindung überdies über eine relativ dünne Rippe erfolgt, wird eine weitgehende thermische Isolierung zwischen Ventilgehäuse und Ventilführung erreicht. Es wird dadurch der Wärmefluss vom heissen Ventilgehäuse in das Führungsgehäuse für die Spindel weitgehend unterbunden, anderseits ist dadurch für das Spindelführungsgehäuse die Freiheit der Wärmedehnung gewahrt, wie dies bei den zu erwartenden Temperaturunterschieden zwischen Ventilgehäuse und Spindelführungsgehäuse gegeben sein muss.
Durch eine weitgehende rotationssymmetrische Ausbildung des Ventilgehäuses, der Befestigungsflansche für das Gehäuse zur Führung der Ventilspindel und für den Diffusor, der seitlichen Begrenzung für den Raum --13-- und des Diffusors selbst, bleibt auch bei unterschiedlicher Wärmedehnung die zentrische Lage des Führungsgehäuses erhalten. Es ist daher die zentrische Lage von Ventilspindel und Diffusor gegeneinander und damit die Dichtwirkung gewährleistet. Infolge seiner Befestigung mittels Flansch - und der im übrigen freien Anordnung des Diffusors ist auch dieser in der Lage, unterschiedlichen Wärmedehnungen, wie sie insbesondere kurz nach dem öffnen des Ventils eintreten, ohne starken Innenspannungen zu folgen.
An den Stellen, die starker Erosion ausgesetzt sind, also am Einlauf in den Diffusor bei--16-- sowie an der Unterseite des Ventilkegels bei--17--ist die Oberfläche durch Auftragen von Hartmetall geschützt.
Um die Beweglichkeit der Spindel zu sichern, gilt es vor allem, sie möglichst kühl und ihre Führung frei von Staubablagerungen aus dem Gasstrom zu halten. Dazu dient die Kühlung der Spindel
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--11-- eintretende--18-- und durch Nuten in den Büchsen--9 und 10--verteilt. Ein Zweigstrom fliesst zwischen Spindel--5--und Büchse--10--und über eine weitere Ringnut --24-- durch Bohrungen
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Die Labyrinthbüchse--19--hat die Aufgabe, das nach aussen zu wesentlich grössere Druckgefälle der Kühlluft abzudrosseln, um die Luftverluste nach aussen auf ein Minimum zu beschränken.
Durch den erstgenannten Zweigstrom wird der Raum --13-- kühler gehalten als die gaserfüllten Räume ausserhalb und dient somit zur weiteren thermischen Isolierung des Spindelführungsgehäuses vom Ventilgehäuse. Da der Querschnitt des ringförmigen Spaltes--14--grösser ist als der gesamte Querschnitt der Bohrungen--12--, kann nicht verhindert werden, dass auch Gas in den Raum - eintritt, doch wird in voll geöffnetem Zustand des Ventils der Kühlluftanteil im Raum - überwiegen und daher die Temperatur im Raum --13-- entsprechend niedriger liegen. Ist das Ventil teilweise oder ganz geschlossen, so ist der Spalt --14-- weit geöffnet und der Raum - gaserfüllt. Aber auch in diesem Zustand kann es keineswegs zum Eintritt von Gas in die Spindelführung selbst kommen.
Es wird dann nämlich ein verstärkter Kühlluftstrom die Spindel entlang geführt, weil durch die Öffnung des Rücksitzes --15-- nun auch der volle Querschnitt des Ringraumes zwischen Spindel-5-und Führungsbüchse-10-für den Kühlluftdurchtritt zur
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sondern auch als Sperrluft gegen den Zutritt erosiver oder sonstiger aggresiver Teilchen in die Spindelführung.
Die axialen Nuten in den Büchsen--9 und 10--könnten natürlich auch durch Spiralnuten ersetzt werden und es könnten diese Nuten auch in der Spindel selbst vorgesehen sein.
In der erfindungsgemäss aufgezeigten Art und Weise wird also eine gute thermische Isolierung der Spindelführung sowie eine sichere Zentrierung der Spindel in ihrer Führung geschaffen, so dass ein gleichmässiger Ringspalt gewährleistet ist, welcher eine gleichmässige Verteilung des Kühlmittelstromes entlang des Umfanges der Spindel bewirkt. Über die axial bzw. spiralförmig verlaufenden Nuten in der Spindelführung wird eine sichere Beseitigung von eingedrungenen Staubteilchen erreicht, da sich solche Ablagerungen in den Nuten ansammeln können, von wo sie durch den dort vorhandenen starken Kühlluftstrom sicher wieder entfernt werden.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Über eine Spindel betätigtes Ventil, insbesondere für Abgasturbinen, mit Kühlluftbeaufschlagung der Ventilspindel über eine konzentrisch zur Ventilspindel liegende Ringnut im
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das die Ventilführungsbuchsen (9,10) tragende Führungsgehäuse (7) vom Ventilgehäuse (2) thermisch isoliert ist, die Ventilspindel (5) in voll offener Lage durch einen konischen Rücksitz (15) am Führungsgehäuse (7) zentrisch zu den Ventilführungsbuchsen (9,10) gehalten wird und der Kühlluftstrom nach Umspülung der Ventilspindel (5) durch im Führungsgehäuse (7) radial und umfangssymmetrisch vorgesehene Bohrungen (12) einen Raum (13) beaufschlagt, welcher die Ventilspindel (5) ringförmig umgibt und von Teilen des Ventilgehäuses (2), der Rückseite des Ventilverschlusskörpers (Ventilkegel 6)
und dem Führungsgehäuse (7) begrenzt wird.
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