Nadelventil, insbesondere Regeldüse für Freistrahlturbinen Die Erfindung betrifft ein Nadelventil, insbeson dere Regeldüse für Freistrahlturbinen, mit einer ko axial zum Ventilgehäuse angeordneten Führungs hülse, in der eine hohle Regulier- bzw. Abschluss- nadel axial verschiebbar gelagert ist, und mit einem in der hohlen Nadel ausgebildeten hydraulischen Re gelservomotor sowie mit einem hydraulischen Aus gleichservomotor und einer mechanischen Einrich tung zum Ausgleich der vom Wasserdruck her im Öffnungssinn auf die hohle Nadel wirkenden Kräfte.
Bei solchen Nadelventilen wechselt bekanntlich die zum Steuern der Ventilnadel aufzuwendende Kraft, die entweder mechanisch oder hydraulisch auf die Nadel übertragen wird, in Abhängigkeit von der jeweiligen Nadelstellung. Beim öffnen der Nadel ist diese Kraft zunächst nahe der Schliesstellung am kleinsten, wird dann umso grösser, je weiter die Na del zurückgezogen, also geöffnet wird. Denn mit zu nehmender Öffnung gelangt jeweils eine immer grös- sere Fläche des Nadelkopfes in den Wirkungsbereich der durch die Nadel gesteuerten Betriebsflüssigkeit.
Zum Ausgleich derartiger Kräfte wurden schon Federn eingebaut, deren Verwendung aber nur in be schränktem Masse möglich ist, denn bei grossen zu steuernden Strahlquerschnitten und insbesondere bei der Steuerung unter hohem Druck stehender Flüssig keiten wachsen die auf die Nadel wirkenden hydrau lischen Kräfte derartig an, dass solche Ausgleichs federn untragbare Ausmasse erhalten müssten. Ins besondere wäre die Unterbringung derartig grosser Federn in der hierfür hohl ausgebildeten Ventilnadel sehr schwierig.
Man hat deshalb schon versucht, den Ausgleich statt durch Druckfedern auf hydraulischem Wege durchzuführen, und zwar mittels eines besonderen hydraulischen Servomotors, der auf der aus dem Ventilgehäuse herausgeführten Ventilnadel angeord- net wurde. Diese Lösung ist jedoch nur bei Nadel ventilen, die als Regeldüsen für Freistrahlturbinen Verwendung finden, bzw. bei Nadelventilen mit ge krümmtem Ventilgehäuse, anwendbar und erfordert ausserdem eine relativ grosse Baulänge.
Ausserdem wurde auch schon vorgeschlagen, eine Verminderung der auf die Ventilnadel im öff nenden Sinne wirkenden hydraulischen Kräfte da durch zu erzielen, dass die Ventilnadel hinter dem Nadelkopf so weit wie möglich verjüngt wurde. Da bei ist es auch bekannt, die Verjüngungen am Nadel kopf innerhalb der Führungshülse am äusseren Um fang der Hohlnadel anzuordnen. Dies hat jedoch zur Folge, dass bei einer ausreichenden Verjüngung die ausserdem meistens verwendete und in der hohlen Ventilnadel angeordnete Ausgleichsfeder nur einen geringen Windungsdurchmesser erhalten kann und daher relativ lang ausgeführt werden muss.
Bei dieser Ausführung ist auch der für die Steue rung der Nadel vorgesehene hydraulische Regelservo- motor in dem zur Führung der Nadel dienenden Na benkörper untergebracht. Da mit Rücksicht auf den kleinen Durchmesser dieses nabenförmigen Gehäuses nur für kleine Kolbenflächen Platz vorhanden ist, wurde zur Erhöhung der von dem Servomotor aus zuübenden Steuerkräfte eine Doppelanordnung von zwei hintereinanderliegenden Servomotoren gewählt.
Die Erfindung gibt nun eine neue Lösung an, die sich bei einer Regulierdüse für Freistrahlturbinen be sonders gut eignet.
Gemäss der Erfindung ist auch der hydraulische Ausgleichservomotor innerhalb des hohlen Nadel schaftes ausgebildet.
Bei einer beispielsweisen Ausführungsform ist der hydraulische Ausgleichservomotor aus einem durch den hohlen Nadelschaft gebildeten Zylinder und einem in den Zylinder angeordneten, mit der feststehenden Führungshülse verbundenen Kolben gebildet, wobei der Zylinderraum an einen wenig stens angenähert konstanten Druck (etwa den Be triebswasserdruck) angeschlossen ist.
Bei einer Ausführungsform sind der Ausgleich servomotor und der Regelservomotor in der Weise räumlich in Achsrichtung gesehen hintereinander an geordnet, dass der mit der Führungsbüchse verbun dene feststehende Kolben auf der einen Seite den Zylinderraum des Ausgleichservomotors und auf der anderen Seite den Zylinderraum des Regelservo- motors abschliesst. Der Kolben ist dabei mittels einer durch den Nadelhohlraum hindurchgeführten Stange an der rückwärtigen Abschlusskappe der Nadelfüh- rungshülse befestigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des er- findungsgemässen Nadelventils wird zur Unterbrin gung des vorzugsweise von einem Regler gesteuerten Regelservomotors und etwa auch zur Unterbringung der zweckmässig als eine konzentrisch zur Kolben stange angeordnete Feder ausgebildeten mecha nischen Entlastungseinrichtung im Nadelhohlraum der als Zylinder des Ausgleichservomotors dienende,
entgegen der Strömungsrichtung gesehen vordere Teil des Nadelhohlraums durch einen Zwischenboden be- grenzt, durch welchen die Kolbenstange hindurchge führt wird und welcher zusammen mit dem freien Nadelende sowie mit dem durch eine Kappe abge schlossenen hinteren Ende der Nadelführungshülse den Regelservomotor bildet.
Für Nadelventile, bei denen infolge der beson deren Ausbildung der Ventilnadel und je nach der Grösse des Ausgleichservomotors und des weiteren je nach der Charakteristik der mechanischen Ent lastungseinrichtung sehr grosse Schliesskräfte erfor derlich sind, wird zur Erzeugung dieser grossen Kräfte der Regelservomotor doppeltwirkend ausge bildet.
Zu diesem Zweck bildet der Zwischenboden zusammen mit der hinteren Kolbenfläche des Aus gleichservomotors und der die beiden Kolbenflächen umschliessenden Nadelwand einen zweiten Regel Servomotorteil, der zweckmässigerweise ebenfalls vom Drucköl des Reglers beaufschlagt wird.
Eine weitere günstige Ausbildung des Nadelven tils wird durch die Anordnung des hydraulischen Ausgleichservomotors, entgegen der Strömungsrich tung gesehen, im hinteren Teil des hohlen Nadel schaftes und des Regelservomotors im vorderen Na delraum erzielt.
Hierdurch wird unter anderem der Vorteil er reicht, dass eine besondere AbdichtungdesFührungs- spaltes zwischen dem Nadelschaft und der Führungs- hülse wegfällt. Der Arbeitsraum des Ausgleichservo- motors ist bei dieser Ausführung mit dem Betriebs wasser verbunden und steht unter Betriebswasser druck.
Somit verbindet der Führungsspalt zwischen dem Nadelschaft und der Führungshülse zwei die gleiche Flüssigkeit und den gleichen Druck enthal tende Räume, nämlich den Arbeitsraum des Aus gleichservomotors mit dem eigentlichen Strömungs- raum im Ventilgehäuse. Eine Abnützung der Nadel führung bringt daher keine nachteiligen Wirkungen mit sich.
Da bei dieser Ausführung das hintere Ende des Nadelschaftes den unter Betriebswasserdruck stehen den Arbeitsraum des Ausgleichservomotors bildet, ist es nicht mehr unbedingt notwendig, das hintere Ende der Führungshülse durch eine mit Durchtrittsöffnun- gen versehene Kappe abzuschliessen. Das Hülsen ende kann in diesem Fall, soweit das strömungstech nisch zulässig ist, offen gelassen und die Kolben stange des Ausgleichservomotors an irgendeinem Tragteil der Führungshülse befestigt sein.
Beiliegende Zeichnung stellt drei Ausführungs beispiele des Erfindungsgegenstandes dar. Es zeigen im Längsschnitt Fig. 1 ein Beispiel mit einem im Ventilhohlraum angeordneten Ausgleichservomotor, einer Entla stungseinrichtung sowie dem vom Regler gesteuerten Öldruckservomotor ;
Fig. 2 ein Nadelventil, das im wesentlichen der Ausführung nach Fig. 1 entspricht, bei der jedoch der vom Regler beeinflusste Druck-Servomotor dop peltwirkend ausgebildet ist, und Fig. 3 ein Nadelventil, bei dem der Regelservo- motor, entgegen der Strömungsrichtung gesehen, vorn und der Ausgleichservomotor hinten angeordnet sind.
In Fig. 1 ist mit 1 die Abschluss- und Regulier nadel für die Zulaufleitung einer Freistrahlturbine bezeichnet, durch die der Austrittsquerschnitt 2 des geradlinig ausgebildeten Ventilgehäuses 3 gesteuert werden soll. Die Reguliernadel 1 ist zusammen mit ihrem Schaft 4 in einer koaxial zum Ventilgehäuse 3 beispielsweise mittels Streben 25 befestigten Füh rungshülse 5 axial verschiebbar gelagert. Die ko axial zum Ventilgehäuse angeordnete Führungshülse 5 ist an ihrem rückwärtigen Ende durch eine Kappe 50 flüssigkeitsdicht abgeschlossen.
Die Reguliernadel 1 und ihr Schaft 4 sind hohl ausgebildet, und zwar bildet ein Teil ihres Hohl raumes, nämlich der Teilraum 6, zusammen mit einem Kolben 60, einen Druck-Servomotor-Aus- gleich-Servomotor A, welcher also im hohlen Nadel schaft angeordnet ist. Hierbei ist der Kolben 60 mit tels einer Stange 7 an der Hülsenkappe 50 befestigt, also feststehend, während der Servomotorzylinder als ein Teil der Ventilnadel (1, 4) axial hin- und her gleiten kann.
Das durch das Gehäuse strömende Be triebswasser wird durch Öffnungen 8 der Führungs- hülse 5 sowie durch Öffnungen 9 des Nadelschaftes 4 in den Nadelhohlraum 6, d. h. in den Zylinder des Ausgleichservomotors A geführt. Das Druckwasser kann anstelle dessen aber auch durch eine Bohrung 22 der Kolbenstange 7 und des Kolbens 60 zuge- führt werden.
Sofern eine Zuführung der Druckflüs sigkeit an dieser Stelle jedoch vermieden werden soll, wenn etwa das Wasser stark sandhaltig ist, kann das Betriebsdruckwasser für diesen Servomotor an einer anderen geeigneten Stelle der Rohrleitung ab- gezweigt und durch eine besondere Leitung 10 so wie Öffnungen 11 in den Nadelhohlraum 6 einge leitet werden.
Der Nadelschaft 4 weist einen Zwischenboden 15 auf, der flüssigkeitsdicht auf der Kolbenstange 7 ge lagert ist. Dieser mit der Nadel axial bewegliche Zwi schenboden bildet zusammen mit dem rechten Teil des Nadelschaftes 4 den Kolben des vom Regler ge steuerten Regel-Servomotor B, dessen feststehender Zylinder durch die Führungshülse 5 und ihre Kappe 50 gebildet wird. Durch die Leitung 16 sei dieser also auch in der Nadel angeordnete Regel-Servo- motor B an einem nicht gezeigten Steuerregler an geschlossen. In dem vom Regler gesteuerten Servo motor B ist auch eine Entlastungsfeder 12 mit Feder tellern 13 und 14 konzentrisch zur Kolbenstange 7 angeordnet.
Die axialen Bewegungen dieser Feder teller werden, wie später noch näher erläutert ist, durch Anschläge 70 bzw. 170 auf der Kolbenstange begrenzt. Sofern vom Druckraum 6 des Ausgleich servomotors A Druckwasser bei der Lauffläche des Kolbens 60 hindurchtritt, ist zum Abführen des Sik- kerwassers eine Ableitung 18 vorgesehen.
In der Ableitung 18 ist auch noch eine Drossel 23 vorge sehen, welche die Aufgabe hat, die bei etwaigem zu schnellen Schliessen bzw. Öffnen der Nadel bei spielsweise infolge Federbruch der Ausgleichsfeder 12, in den Zylinderraum 210 vom Zwischenboden angesaugte bzw. herausgedrückte Flüssigkeit zu dros seln, so dass dadurch die Bewegungen der Ventil nadel gedämpft werden. In der Führungshülse 5 sind Dichtungen 26 für die Nadelführung vorgesehen.
Für die Rückführung der durch die Ventilnadel ausgeführten Bewegungen ist in an sich bekannter Weise ein Rückführhebel 19 vorgesehen, der bei spielsweise mittels Federkraft ständig am Stirnflansch 20 des Nadelschaftes anliegt und so dessen Stellung abtastet und auf den Regler überträgt. Der Stirn flansch 20 ist mit Bohrungen 17 versehen, die mit Bohrungen 14a im Federteller 14 in Verbindung ste hen und durch die das aus der Leitung 16 dem Re gelservomotor B zugeführte Drucköl in den Zylin derraum desselben gelangt.
Das in Fig. 1 dargestellte Nadelventil arbeitet folgendermassen: Die vom Betriebswasser beauf- schlagte Fläche des Kolbens 60 des Ausgleichservo- motors A ist so bemessen, dass in der in Fig. 1 dar gestellten Schliesstellung der innen auf die Nadel auf Schliessen wirkende Wasserdruck des Ausgleich servomotors etwas kleiner ist,
als der auf die äussere Fläche F des Nadelkopfes auf Öffnen wirkende Was serdruck zusammen mit der in dieser Stellung auf Öffnen wirkenden Kraft der in dieser Lage gespann ten Ausgleichsfeder 12. Der vordere Federteller 13 liegt dabei am Bund 70 der Kolbenstange 7 und der hintere Federteller 14 stüzt sich gegen den mit dem Nadelschaft 4 verbundenen Flansch 20 ab.
Von der Schliesstellung der Ventilnadel 1 an verbleibt somit eine im Öffnungssinn auf sie wirkende, beliebig klein wählbare Kraft übrig, welcher die durch den Druck des über die Leitung 16 zugeführten Druckmittels auf den Nadelschaft 4 mit Zwischenboden 15 im Sinne eines Schliessens auf die Ventilnadel 1 ausge übte, beispielsweise mittels eines steuerbaren Ventils in der Druckmittelzufuhrleistung 16, veränderbare Kraft des Regelservomotors B entgegenwirkt. Die Kraft des Regelservomotors B wird dabei so gewählt, dass die Ventilnadel 1 im Gleichgewicht gehalten ist bzw. dass auf sie eine Schliesskraft wirkt.
Zum Bewegen der Ventilnadel 1 aus der darge stellten Schliesstellung in eine gewünschte öffnungs- stellung wird der Öldruck im Regelservomotor B so weit vermindert, bis die auf die Ventilnadel im Öff nungssinne wirkende, vom Druck des Betriebswas sers auf die äussere Fläche F des Nadelkopfes her rührende Kraft und die in Öffnungsrichtung wir kende Kraft der Feder 12 die Kraft des Ausgleich servomotors A überwinden und die Ventilnadel in die gewünschte Stellung bewegen.
Durch diese öff- nungsbewegungen der Nadel wird der unter der Druckwirkung der Ausgleichsfeder 12 stehende und so nachfolgende Federteller 14 nach rechts gegen den Bund 170 der Kolbenstange 7 bewegt. Beim An schlag des Federtellers 14 am Bund<B>170</B> ist die Aus gleichsfeder 12 nahezu entspannt und hinsichtlich ihrer Öffnungstendenz nunmehr wirkungslos.
In die ser Anschlagsstellung des Federtellers 14 ist auch der Zwischenboden 15 gerade am anderen Federteller 13 zum Anschlag gekommen. -Die vom Betriebswasser beaufschlagte äussere Fläche F des Nadelkopfes ist jetzt so gross, dass der Ausgleichservomotor A allein nicht mehr zum Ausgleich genügt. Wenn die Ventil nadel noch weiter geöffnet wird, dann wird der Fe derteller 13 vom Zwischenboden 15 mitgenommen, die Ausgfeichsfeder 12 also in zunehmendem Masse zusammengedrückt.
Durch die zunehmend zusam mengedrückte Feder 12 erhält die Ventilnadel zu sätzlich zu der vom Ausgleichsstellmotor A ausge übten Schliesskraft eine weitere in Richtung Schhes- sen wirkende Kraft, welche umso mehr anwächst, je mehr die Feder unter der Wirkung des Wasserdruk- kes, der auf die äussere Nadelkopffläche einwirkt, zusammengedrückt wird. Dies bedeutet gleichsam eine Entlastung des Regel-Servomotors B, der daher entsprechend kleiner bemessen werden kann.
Die Ausgleichsfeder 12 wirkt also im ersten Teil des öff- nungshubes der Nadel auf Öffnen und im zweiten Teil des Öffnungshubes auf Schliessen.
Soll die Nadel. wieder geschlossen werden, dann erhält der Regelservomotor B durch die Leitung 16 Drucköl und die Nadel wird wieder in Schliessrich- tung gedrückt. Dabei wirkt zunächst die Ausgleichs feder 12 bis zum Anschlag des Federtellers 13 am Bund 70 der Kolbenstange 7 als zusätzliches Schliess- organ. Wird danach die Nadel weiter geschlossen, dann wird der Federteller 14 durch den Stirnflansch 20 des Nadelschaftes 4 mitgenommen, die Feder wie der zusammengedrückt un so eine Öffnungskraft erzeugt.
Die Ausführung nach Fig. 2 entspricht im we sentlichen der Ausführung nach Fig. 1. Es sind hier für die gleichen Teile des Nadelventils die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet worden. Der Unterschied der Ausführung besteht gegenüber Fig.1 darin, dass der Regelservomotor B doppeltwirkend ausgebildet ist.
Es bilden hier die beiden einander gegenüberliegenden Flächen des Kolbens 60 und des Zwischenbodens 15 zusammen mit dem von ihnen vorne und hinten umschlossenen Nadelhohlraum 210 einen zweiten Servomotorteil, der durch die Leitung 21 mit einem Druckmittel vorzugsweise mit Drucköl versorgt wird. Um das Hindurchtreten von Sicker wasser entlang derGleitflächen desKolbens 60 in den Hohlraum 210 zu verhindern, ist der Kolben 60 mit einer Nut 40 am Umfang versehen, wobei das sich in der Nut 40 ansammelnde Sickerwasser durch die Bohrungen 18, 18a, 18b abgezogen wird.
Für die Rückführung der durch die Ventilnadel ausgeführten Bewegungen ist hier die an sich be kannte, aus einem Konus und einer Verstellstange bestehende Rückführung 19' vorgesehen.
Gemäss der in Fig. 3 dargestellten Ausführung kann durch die hohle Regulier- und Abschlussnadel 1 der Austrittsquerschnitt 2 des Ventilgehäuses 3 ge steuert werden. Die Nadel 1 ist zusammen mit ihrem Schaft 4 in einer koaxial zum Ventilgehäuse 3, bei spielsweise mittels Streben befestigten Führungshülse 5 axial verschiebbar gelagert. Am rückwärtigen Ende der Führungshülse ist eine Kappe 50 angeordnet, die Durchtrittsöffnungen 28 für den Zutritt des Betriebs wassers zum Arbeitsraum 60 des Ausgleichservo- motors A aufweist.
Der vordere Hohlraum 15 der Ventilnadel 1 bil det den Arbeitsraum des Regelservomotors B, dessen Kolben 150 feststeht. Er ist mit seiner durch den übrigen Nadelhohlraum hindurchgeführten Kolben stange 7 an der Abschlusskappe 50 befestigt. Der Regelservomotor B ist hier doppeltwirkend ausge bildet. Das Betriebsöl wird von aussen her mittels der durch die Strebe 25 und durch die Kolbenstange 7 gebohrten Leitung 26, 27 den beiden Arbeitsräu men 15, 15' zugeführt.
Der hintere Arbeitsraum 15' des Regelservomotors ist durch einen am rückwär tigen Ende des Nadelschaftes befestigten, auf der Kolbenstange 7 gelagerten Deckel 600 abgeschlos sen. Dieser Deckel ist rückwärtig hülsenartig ver längert. Er ist an seinem Umfang in der Führungs hülse 5 und an seiner Innenfläche auf der Kolben stange 7 geführt.
Der Deckel 600 bildet den Kolben des durch die Öffnungen 28 mit dem Betriebswasser verbundenen Ausgleichservomotors A. Die durch den Durchmes ser des Arbeitsraums (Führungshülse) des Ausgleich servomotors A und den Durchmesser des diesen Ar beitsraum durchdringenden Kappenbundes 7a be stimmte wirksame Kolbenringfläche 600a ist so ge wählt,
dass der Ausgleichservomotor bei halber öff- nungsstellung der Ventilnadel der auf die äussere Nadelkopffläche f wirkenden hydraulischen Öffnungs- kraft ungefähr das Gleichgewicht hält. In dem Raum zwischen dem Deckel 600 und dem Kolben 150 ist als mechanische Entlastungsvorrichtung eine Feder 12 mit Federtellern 13, 14 untergebracht. Für den Federteller 13 bildet der Ansatz 70 an der Kolben stange und für den Federteller 14 die Büchse 700 den Endanschlag.
Für die Ableitung der in dem Raum 29 etwa aus dem Druckraum 15' des Regelservomotors B oder aus dem Druckraum 60 des Ausgleichservomotors A übertretenden Sickerflüssigkeit ist eine Leitung 180 angeordnet.
Zur Rückführung der durch die Ventilnadel ausgeführten Bewegungen ist in an sich bekannter Weise ein Rückführhebel 19 vorgesehen, der bei spielsweise mit seinem zylindrischen Ende in eine Ringnut 190 des Deckels 600 eingreift und so des sen Stellung abtastet und weitermeldet.
Das hier dargestellte Nadelventil arbeitet folgen- dermassen Zum Öffnen der Ventilnadel 1 wird durch die Leitung 26 die Steuerflüssigkeit dem hinteren Ar beitsraum 15' des Regelservomotors B zugeführt und dabei der vordere Arbeitsraum 15 des Regelservo- motors durch die Leitung 27 entleert. Die Druck kraft der Ausgleichsfeder 12, deren einer Federtel ler 13 am Ansatz 70 der Kolbenstange 7 anliegt und deren anderer Federteller 14 gegen den Deckel 600 drückt, erzeugt von der Schliesstellung der Nadel an bis etwa zur halben Öffnungsstellung eine zusätz liche Öffnungskraft.
Ist beim Öffnen der Ventilnadel der Federteller 14 am Anschlag 700 der Kolben stange aufgetroffen, dann ist die Feder 12 nahezu entspannt. In dieser Anschlagstellung des Federtel lers 14 ist auch der an der Nadel befestigte Zwi schenring 30 am anderen Federteller 13 aufgetroffen. Die vom Betriebswasser in dieser Stellung auf die vordere Fläche des Nadelkopfes ausgeübte Kraft ist dabei so gross, dass die Schliesskraft des Ausgleich servomotors zum Ausgleich allein genügt. Beim wei teren Öffnen der Ventilnadel über diese Mittelstel lung hinaus wird dann der Federteller 13 mitgenom men, die Ausgleichsfeder 12 also in zunehmendem Masse zusammengedrückt.
Dadurch erhält die Ven tilnadel zu der konstanten Schliesskraft des Aus gleichservomotors A von der Feder 12 her eine zu sätzliche, und zwar mit dem Öffnen der Nadel zu nehmende Schliesskraft, die der zunehmenden öff- nungskraft des immer mehr dem Betriebsdruckwas- ser ausgesetzten Nadelkopfes ausgleichend entgegen wirkt. Soll die Nadel wieder geschlossen werden, dann erhält der Arbeitsraum 15 des Regelservomotors B durch die Leitung 27 Drucköl, und die Nadel wird wieder in die Schliessrichtung bewegt. Dabei wirkt zunächst die Ausgleichsfeder 12 bis zum Anschlag des Federtellers 13 am Bund 70 der Kolbenstange als zusätzliches Schliessorgan.
Wird danach die Na del weiter geschlossen, dann wird der Federteller 14
Needle valve, in particular control nozzle for free jet turbines The invention relates to a needle valve, in particular control nozzle for free jet turbines, with a guide sleeve arranged coaxially to the valve housing, in which a hollow regulating or closing needle is mounted axially displaceably, and with a hollow one Needle trained hydraulic Re gelservomotor and with a hydraulic compensating servomotor and a mechanical Einrich device to compensate for the forces acting on the hollow needle from the water pressure in the opening direction.
In such needle valves, as is known, the force to be used to control the valve needle, which force is transmitted either mechanically or hydraulically to the needle, changes depending on the respective needle position. When the needle is opened, this force is initially smallest near the closed position, then becomes greater the further the needle is withdrawn, i.e. opened. Because as the opening increases, an ever larger area of the needle head comes into the effective area of the operating fluid controlled by the needle.
Springs have already been installed to compensate for such forces, but their use is only possible to a limited extent, because with large jet cross-sections to be controlled and especially when controlling liquids under high pressure, the hydraulic forces acting on the needle grow to such an extent that such balancing springs would have to receive intolerable dimensions. In particular, it would be very difficult to accommodate such large springs in the valve needle, which is hollow for this purpose.
Attempts have therefore already been made to carry out the compensation hydraulically instead of by means of compression springs, to be precise by means of a special hydraulic servo motor that was arranged on the valve needle that is led out of the valve housing. However, this solution is only for needle valves that are used as control nozzles for free-jet turbines, or needle valves with GE curved valve housing, and also requires a relatively large overall length.
In addition, it has also already been proposed to reduce the hydraulic forces acting on the valve needle in the opening sense by tapering the valve needle as much as possible behind the needle head. Since it is also known to arrange the tapers on the needle head within the guide sleeve on the outer order of the hollow needle. However, this has the consequence that, given a sufficient taper, the compensating spring which is also mostly used and is arranged in the hollow valve needle can only have a small coil diameter and therefore has to be made relatively long.
In this design, the hydraulic servomotor provided for controlling the needle is also accommodated in the hub body used to guide the needle. Given the small diameter of this hub-shaped housing, there is only space for small piston surfaces, so a double arrangement of two servomotors one behind the other was chosen to increase the control forces to be exerted by the servomotor.
The invention now provides a new solution that is particularly well suited to a regulating nozzle for free jet turbines.
According to the invention, the hydraulic compensating servomotor is also formed within the hollow needle shaft.
In an exemplary embodiment, the hydraulic compensating servomotor is formed from a cylinder formed by the hollow needle shaft and a piston arranged in the cylinder and connected to the stationary guide sleeve, the cylinder space being connected to a pressure that is at least approximately constant (e.g. the operating water pressure).
In one embodiment, the compensation servomotor and the control servomotor are spatially arranged one behind the other in the axial direction in such a way that the fixed piston connected to the guide bush closes off the cylinder space of the compensation servomotor on one side and the cylinder space of the control servomotor on the other . The piston is attached to the rear end cap of the needle guide sleeve by means of a rod passed through the needle cavity.
In a preferred embodiment of the needle valve according to the invention, in order to accommodate the control servomotor, which is preferably controlled by a regulator, and for example also to accommodate the mechanical relief device, which is expediently designed as a spring arranged concentrically to the piston rod, in the needle cavity of the servomotor serving as a cylinder,
Seen against the direction of flow, the front part of the needle cavity is bounded by an intermediate base through which the piston rod is passed and which, together with the free needle end and with the rear end of the needle guide sleeve closed by a cap, forms the control servomotor.
For needle valves, where very large closing forces are required due to the special design of the valve needle and depending on the size of the compensating servomotor and furthermore depending on the characteristics of the mechanical Ent load, the control servomotor is double-acting to generate these large forces.
For this purpose, the intermediate floor, together with the rear piston surface of the equalizing servomotor and the needle wall surrounding the two piston surfaces, forms a second servomotor part that is also expediently acted upon by the pressure oil of the controller.
Another favorable design of the Nadelven valve is achieved by arranging the hydraulic compensating servomotor, seen against the flow direction, in the rear part of the hollow needle shaft and the control servomotor in the front Na delraum.
Among other things, this has the advantage that there is no need for a special seal for the guide gap between the needle shaft and the guide sleeve. In this version, the working space of the balancing servomotor is connected to the service water and is under service water pressure.
Thus, the guide gap between the needle shaft and the guide sleeve connects two spaces containing the same fluid and the same pressure, namely the working space of the equalizing servomotor with the actual flow space in the valve housing. Wear and tear of the needle guide therefore has no adverse effects.
Since in this embodiment the rear end of the needle shaft, which is under process water pressure, forms the working space of the compensating servomotor, it is no longer absolutely necessary to close the rear end of the guide sleeve with a cap provided with passage openings. The sleeve end can in this case, as far as the flow is technically permissible, left open and the piston rod of the compensating servomotor attached to any support part of the guide sleeve.
The accompanying drawing shows three execution examples of the subject matter of the invention. It shows in longitudinal section Figure 1 an example with a compensating servomotor arranged in the valve cavity, a relief device and the oil pressure servomotor controlled by the regulator;
2 shows a needle valve which essentially corresponds to the embodiment according to FIG. 1, but in which the pressure servomotor influenced by the controller is designed to be double-acting, and FIG. 3 shows a needle valve in which the control servomotor is viewed against the direction of flow , in front and the balancing servo motor in the rear.
In Fig. 1, 1 denotes the closing and regulating needle for the inlet line of a free jet turbine, through which the outlet cross section 2 of the rectilinear valve housing 3 is to be controlled. The regulating needle 1 is supported together with its shaft 4 in a coaxially to the valve housing 3, for example by means of struts 25 attached Füh approximately sleeve 5 axially displaceable. The guide sleeve 5, which is arranged axially to the valve housing, is closed off at its rear end by a cap 50 in a liquid-tight manner.
The regulating needle 1 and its shaft 4 are hollow, namely a part of their hollow space, namely the subspace 6, together with a piston 60, a pressure servomotor compensation servomotor A, which is thus arranged in the hollow needle shaft is. Here, the piston 60 is fastened to the sleeve cap 50 by means of a rod 7, that is to say stationary, while the servomotor cylinder as part of the valve needle (1, 4) can slide axially back and forth.
The process water flowing through the housing is fed through openings 8 in the guide sleeve 5 and through openings 9 in the needle shaft 4 into the needle cavity 6, i. H. led into the cylinder of the balancing servomotor A. Instead of this, however, the pressurized water can also be fed through a bore 22 of the piston rod 7 and the piston 60.
However, if the supply of Druckflüs fluid is to be avoided at this point, for example if the water contains a lot of sand, the operating pressure water for this servomotor can be branched off at another suitable point in the pipeline and through a special line 10 and openings 11 into the Needle cavity 6 is introduced.
The needle shaft 4 has an intermediate bottom 15 which is liquid-tight on the piston rod 7 superimposed ge. This intermediate floor, axially movable with the needle, forms together with the right part of the needle shaft 4 the piston of the servo-motor B controlled by the controller, the fixed cylinder of which is formed by the guide sleeve 5 and its cap 50. This control servomotor B, which is also arranged in the needle, is therefore connected to a control regulator (not shown) through the line 16. In the servo motor B controlled by the controller, a relief spring 12 with spring plates 13 and 14 is arranged concentrically to the piston rod 7.
The axial movements of this spring plate are, as will be explained in more detail later, limited by stops 70 and 170 on the piston rod. If pressurized water passes from the pressure chamber 6 of the compensating servomotor A at the running surface of the piston 60, a discharge line 18 is provided for discharging the seepage water.
In the discharge line 18, a throttle 23 is also provided, which has the task of reducing the liquid sucked in or pushed out of the intermediate floor into the cylinder chamber 210 from the intermediate floor in the event of the needle closing or opening too quickly, for example due to a spring break in the compensating spring 12 so that the movements of the valve needle are dampened. In the guide sleeve 5 seals 26 are provided for the needle guide.
For the return of the movements performed by the valve needle, a return lever 19 is provided in a manner known per se, which constantly rests against the end flange 20 of the needle shaft by means of spring force, for example, and so scans its position and transfers it to the controller. The end flange 20 is provided with bores 17 which are in connection with bores 14 a in the spring plate 14 and through which the pressure oil supplied from the line 16 to the Re gelservomotor B enters the cylinder space of the same.
The needle valve shown in FIG. 1 works as follows: The area of the piston 60 of the compensating servo motor A acted upon by the process water is dimensioned so that in the closed position shown in FIG. 1 the water pressure of the balancing acting on the inside of the needle to close servo motor is a bit smaller,
than the pressure acting on the outer surface F of the needle head on opening What pressure together with the force acting on opening in this position of the tensioned compensating spring 12 in this position. The front spring plate 13 is on the collar 70 of the piston rod 7 and the rear spring plate 14 is supported against the flange 20 connected to the needle shaft 4.
From the closed position of the valve needle 1 onwards, there remains an arbitrarily small selectable force acting on it in the opening direction, which exerts the pressure of the pressure medium supplied via the line 16 on the needle shaft 4 with intermediate base 15 in the sense of closing the valve needle 1 exercised, for example by means of a controllable valve in the pressure medium supply line 16, variable force of the control servomotor B counteracts. The force of the control servomotor B is chosen so that the valve needle 1 is kept in equilibrium or that a closing force acts on it.
To move the valve needle 1 from the illustrated closed position into a desired opening position, the oil pressure in the control servo motor B is reduced until the opening direction of the valve needle is caused by the pressure of the process water on the outer surface F of the needle head Force and in the opening direction we kende force of the spring 12 overcome the force of the compensation servo motor A and move the valve needle into the desired position.
As a result of these opening movements of the needle, the spring plate 14, which is under the pressure effect of the compensating spring 12 and thus following, is moved to the right against the collar 170 of the piston rod 7. When the spring plate 14 hits the collar <B> 170 </B>, the compensating spring 12 is almost relaxed and now ineffective with regard to its tendency to open.
In the water stop position of the spring plate 14, the intermediate base 15 has just come to a stop on the other spring plate 13. -The outer surface F of the needle head exposed to the process water is now so large that the compensation servo motor A alone is no longer sufficient for compensation. If the valve needle is opened even further, then the Fe derteller 13 is taken from the intermediate base 15, so the compensating spring 12 is compressed to an increasing extent.
As a result of the increasingly compressed spring 12, the valve needle receives, in addition to the closing force exerted by the compensating servomotor A, a further force acting in the direction of the shoe, which increases the more the spring acts under the action of the water pressure on the outer needle head surface acts, is compressed. This means, as it were, a relief of the regulating servo motor B, which can therefore be dimensioned correspondingly smaller.
The compensating spring 12 thus acts on opening in the first part of the opening stroke of the needle and on closing in the second part of the opening stroke.
Should the needle. are closed again, then the control servomotor B receives pressure oil through the line 16 and the needle is pushed in the closing direction again. The compensating spring 12 first acts as an additional closing element up to the stop of the spring plate 13 on the collar 70 of the piston rod 7. If the needle is then closed further, then the spring plate 14 is carried along by the end flange 20 of the needle shaft 4, the spring compressed like that and an opening force generated.
The embodiment of FIG. 2 corresponds essentially to the embodiment of FIG. 1. The same reference numerals as in FIG. 1 have been used here for the same parts of the needle valve. The difference between the design and FIG. 1 is that the control servo motor B is double-acting.
The two opposing surfaces of the piston 60 and the intermediate base 15 together with the needle cavity 210 enclosed by them at the front and rear form a second servomotor part which is preferably supplied with pressure oil through the line 21 with a pressure medium. In order to prevent the passage of seepage water along the sliding surfaces of the piston 60 into the cavity 210, the piston 60 is provided with a groove 40 on the periphery, whereby the seepage water that collects in the groove 40 is drawn off through the bores 18, 18a, 18b.
For the return of the movements performed by the valve needle, the known per se, consisting of a cone and an adjusting rod return 19 'is provided here.
According to the embodiment shown in Fig. 3, the outlet cross section 2 of the valve housing 3 can be controlled by the hollow regulating and closing needle 1. The needle 1 is supported together with its shaft 4 in a coaxially to the valve housing 3, for example by means of struts attached guide sleeve 5 axially displaceable. At the rear end of the guide sleeve a cap 50 is arranged, the passage openings 28 for the access of the operating water to the working chamber 60 of the compensating servomotor A has.
The front cavity 15 of the valve needle 1 bil det the working space of the control servo motor B, the piston 150 is fixed. It is attached to the end cap 50 with its piston rod 7 passed through the rest of the needle cavity. The control servo motor B is here double-acting. The operating oil is supplied to the two Arbeitsräu men 15, 15 'from the outside by means of the line 26, 27 drilled through the strut 25 and through the piston rod 7.
The rear working chamber 15 'of the control servomotor is closed by a cover 600 mounted on the piston rod 7 and attached to the rear end of the needle shaft. This cover is extended ver like a sleeve at the rear. It is guided on its circumference in the guide sleeve 5 and on its inner surface on the piston rod 7.
The cover 600 forms the piston of the compensating servomotor A, which is connected to the process water through the openings 28. The effective piston ring surface 600a determined by the diameter of the working space (guide sleeve) of the compensating servomotor A and the diameter of the cap collar 7a penetrating this workspace is so ge chooses,
that the compensating servomotor, when the valve needle is half in the open position, approximately maintains the equilibrium of the hydraulic opening force acting on the outer needle head surface f. In the space between the cover 600 and the piston 150, a spring 12 with spring plates 13, 14 is accommodated as a mechanical relief device. For the spring plate 13, the approach 70 on the piston rod and for the spring plate 14, the sleeve 700 forms the end stop.
A line 180 is arranged for the drainage of the seepage liquid which has passed in the space 29, for example from the pressure space 15 ′ of the control servo motor B or from the pressure space 60 of the compensating servo motor A.
To return the movements carried out by the valve needle, a return lever 19 is provided in a manner known per se, which engages with its cylindrical end in an annular groove 190 of the cover 600 and so scans and reports the sen position.
The needle valve shown here works as follows: To open the valve needle 1, the control fluid is fed through the line 26 to the rear working chamber 15 'of the control servomotor B and the front working chamber 15 of the control servomotor is emptied through the line 27. The pressure force of the compensating spring 12, one of which is spring plate 13 rests against the shoulder 70 of the piston rod 7 and the other spring plate 14 presses against the cover 600, generates an additional opening force from the closed position of the needle to about half the open position.
When the valve needle is opened, the spring plate 14 hits the stop 700 of the piston rod, then the spring 12 is almost relaxed. In this stop position of the Federtel lers 14, the intermediate ring 30 attached to the needle on the other spring plate 13 is encountered. The force exerted by the process water on the front surface of the needle head in this position is so great that the closing force of the compensation servomotor alone is sufficient for compensation. When white direct opening of the valve needle on this middle stel ment also the spring plate 13 is mitgenom men, so the compensating spring 12 is compressed to an increasing extent.
As a result, in addition to the constant closing force of the equalizing servomotor A, the valve needle receives an additional closing force from the spring 12, namely with the opening of the needle, which counterbalances the increasing opening force of the needle head, which is increasingly exposed to the operating pressure water works. If the needle is to be closed again, the working space 15 of the control servomotor B receives pressure oil through the line 27, and the needle is moved again in the closing direction. In this case, the compensating spring 12 initially acts as an additional closing element until the spring plate 13 stops on the collar 70 of the piston rod.
If the needle is then closed further, the spring plate 14 becomes