Ventil Die Erfindung betrifft ein Ventil mit einer durch einen Stellmotor verstellbaren Ventilspindel und mit Entlastung der vom durchfliessenden Medium auf den Ventilkörper wirkenden Kräfte, das insbesondere zur Betätigung durch einen von einem Verstärker gesteuerten Elektromotor geeignet ist.
Bei grossen Ventilen für hohe Drücke ist die Resultierende der vom Medium auf den Ventilkör per ausgeübten Kräfte bisweilen so gross, dass die Beschaffung eines genügend grossen Servomotors auf Schwierigkeiten stösst. Besonders dort, wo elektri scher Regelantrieb vorgesehen ist, darf mit Rück sicht auf die verfügbaren Verstärker und Stellmoto- ren die Ventilkraft nicht allzu hohe Werte erreichen. Es ist bekannt, in solchen Fällen die Ventile mit einer hydraulischen Entlastung zu versehen, die einen Teil der auf den Ventilkörper und auf die Ventil spindel wirkenden Flüssigkeits- oder Gaskräfte kom pensiert.
Die hydraulische Entlastung der auf den Ventil körper wirkenden Kräfte hat den Nachteil, dass dabei dynamische Kräfte, mit denen die das Ventil durchfliessende Flüssigkeit oder das Gas auf den Ventilkörper wirkt, unberücksichtigt bleiben. Diese Kräfte können jedoch unter Umständen grösser sein als die durch den statischen Druck hervorgerufenen Kräfte. Ausserdem ist die hydraulische Entlastung nur unter Annahme eines bestimmten wirksamen Ventilsitzdurchmessers möglich. Ändert sich nach einem Einschleifen oder während der Tätigkeit des Ventils der wirksame Durchmesser des Ventilsitzes, so stimmt die Kräfteentlastung nicht mehr und kann. auch nicht mehr korrigiert werden.
Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines Ventils, bei welchem eine Entlastung der vom durch fliessenden Medium auf den Ventilkörper ausgeübten Kräfte erfolgt, wobei ausser den statischen Drücken auch die dynamischen Kräfte berücksichtigt werden können und bei welchem bei einer Änderung des Ventilsitzdurchmessers eine jederzeitige Nachstellung möglich ist.
Das erfindungsgemässe Ventil ist dadurch ge kennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, die eine Kraft auf die Ventilspindel in Achsrichtung dersel ben erzeugen, die der vom durchfliessenden Medium auf dem Ventilkörper hervorgerufenen Kraft ent gegenwirkt.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeich nung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine erste Aus führungsform des erfindungsgemässen Ventils, Fig.2 einen Schnitt nach der Linie<B><I>A -A</I></B> in Fig. 1, Fig. 3 eine Ansicht, teilweise im Schnitt, einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemässen Ventils, Fig. 4 eine Teilansicht des Ventils nach Fig. 3, in entgegengesetzter Richtung betrachtet,
Fig. 5 den Verlauf der bei dem Ventil nach den Fig. 3 und 4 auf den Ventilkörper und die Ventil spindel wirkenden Kräfte, Fig. 6 einen Axialschnitt durch eine weitere Aus führungsform des erfindungsgemässen Ventils.
In Fig. 1 ist ein Ventilgehäuse 1 mit Stutzen 2 und 3 zum Anschliessen an nicht gezeigte Rohrlei tungen dargestellt. Im Ventilgehäuse 1 befindet sich ein Ventilsitz 4, welcher mit einem auf einer Ventil spindel 5 befestigten Ventilkörper 6 zusammenwirkt. Die Ventilspindel 5 ist in einer in einem Teil 7 an geordneten Führung 8 verschiebbar und drehbar ge lagert. Zwischen den Teilen 7, 8 und dem Ventil gehäuse 1 befinden sich Dichtungen 9. Die Ventil- Spindel 5 stützt sich ausserdem gegen Rollen 10, welche um in einem rohrförmigen Teil 12 befestigte Achsen 11 (Fig.2) drehbar sind. Der Teil 12 ist mit dem Ventilgehäuse 1 fest verbunden.
Die Ven tilspindel 5 trägt an ihrem äusseren Ende eine an deren Umfang angeordnete Rundverzahnung 13, in die die Verzahnung eines durch einen elektrischen Stellmotor 14 angetriebenen Ritzels 15 eingreift. Die Ventilspindel 5 ist mit einem Funktionskörper 16 versehen, gegen den sich eine Rolle 17 stützt, die auf der Kolbenstange 18 eines in einem am rohr- förmigen Teil 12 angeschraubten Zylinder 19 ver schiebbaren, durch eine Feder 20 belasteten Kol bens 21 drehbar gelagert ist. Auf der Ventilspindel 5 ist ausserdem mittels eines Keiles 23 und einer Nut 24 ein Zahnrad 22 verschiebbar gelagert, in welches die Verzahnung 25 einer im Teil 12 verschiebbaren, Stange 26 eingreift.
Die Stange 26 ist mit einem in, einem Zylinder 27 verschiebbaren Kolben 28 ver bunden. Der Kolben 28 steht unter dem Druck einer Feder 29. Ausserdem ist der linke Zylinderraum des Zylinders 27 durch eine Rohrleitung 30 mit dem Ventilstutzen 2 verbunden und der rechte Zylinder raum durch eine Rohrleitung 31 mit dem Ventil stutzen 3. Die Kraft der Federn 20 und 29 ist durch entsprechende Drehung von den Zylinderboden des betreffenden Zylinders bildenden Gewindeteilen 19a bzw. 27a verstellbar.
Die Ventilspindel 5 und mit ihr der Ventilkör per 6 werden durch den Elektromotor 14 mittels des Ritzels 15 und der Verzahnung 13 gehoben oder gesenkt, und dadurch wird das Ventil in öffnendem oder in schliessendem Sinne betätigt. Dabei wird die Rolle 17 auf dem Funktionskörper 16 abgerollt und der mit ihr verbundene Kolben 21 entsprechend der Oberfläche des Funktionskörpers 16 bewegt. Da durch wird die Feder 20 mehr oder weniger ge spannt. Die je nach der Lage der Ventilspindel 5 veränderliche Spannung der Feder 20 ergibt eine entsprechende Komponente in der Richtung der Achse der Ventilspindel 5, welche sich den auf den Ventilkörper 6 wirkenden Kräften überlagert.
Durch geeignete Ausführung des durch den Funktions körper 16 mit der Rolle 17 gebildeten Getriebes und der Feder 20 kann diese axiale Komponente derart gewählt werden, dass sie sich mit der auf den Ventilkörper 6 wirkenden Kräften gegenseitig auf hebt. Durch den vor und hinter dem Ventilkörper 6 wirkenden Druck wird der Kolben 28 gegen die Kraft der Feder 29 verstellt, wodurch mit Hilfe der Verzahnung 25 und des Zahnrades 22 die Ventil spindel 5 verdreht wird. Je nach den Druckverhält nissen wird daher die Rolle 17 auf einer anderen Oberflächenlinie des entsprechend ausgebildeten Funktionskörpers 16 abgerollt.
Durch geeignete Wahl des Funktionskörpers 16 können beim erfindungsgemässen Ventil die auf den Ventilkörper 6 wirkenden Kräfte derart ausgewogen werden, dass der betätigende Servomotor nur die Reibungskräfte zu überwinden hat. Kleinere, wäh- rend des Betriebes entstehende Änderungen, z. B. des Ventilsitzdurchmessers, können einfach durch eine entsprechende Verdrehung der Ventilspindel 5 mit dem Ventilkörper 6 oder zum Beispiel durch Veränderung der Kraft der Federn 20 bzw. 29 aus geglichen werden. Änderungen prinzipieller Art, z.
B. beim Übertritt von einem gasförmigen auf ein flüssiges Medium, können durch Austausch des Funk tionskörpers 16 berücksichtigt werden.
In den Fig. 3 und 4 ist eine andere Ausführung des erfindungsgemässen Ventils dargestellt. Durch ein mit Anschlussstutzen 51, 52 versehenes Ventilgehäuse 53 ist eine Ventilspindel 54 durchgeführt, die einen Ventilkörper 55 trägt. Zwischen dem Ventilgehäuse 53 und der Ventilspindel 54 sind in bekannter Weise Dichtungen 56 angeordnet, die durch überwurfmut- tern 57 gegen die abzudichtenden Teile gedrückt werden. Die Ventilspindel 54 ist ausserhalb des Ven tilgehäuses 53 mit einer Gabel 58 versehen, in die über einen Bolzen 59 eine Stange 60 eingreift. Am anderen Ende der Stange 60 greift über einen Bol zen 61 der Arm 62 eines mit einer Welle 63 fest verbundenen Hebels an.
Die Welle 63 ist in einem mit dem Ventilgehäuse 53 fest verbundenen Teil 64 drehbar gelagert. Auf der Welle 63 ist ein weiterer Hebel 65 befestigt, dessen Ende über eine Stange 66 und einen Bolzen 67 mit einem an der Welle 68 eines elektrischen Stellmotors 69 befestigten Hebel 70 verbunden ist. Der Stellmotor 69 ist auf dem Teil 64 befestigt. Die Fig. 4 stellt, wie schon erwähnt, eine Teilansicht des Ventils nach der Fig. 3, in ent gegengesetzter Richtung betrachtet, dar. Gemäss der Fig. 4 ist auf der Welle 63 ein Hebel 71 befestigt, welcher über eine Stange 72 und Bolzen 73, 74 mit einem Hebel 75 verbunden ist.
Der Hebel 75 ist an. einem Ende einer Torsionsfeder 76 angeordnet, deren anderes Ende im Teil 64 mittels einer Kerb- verzahnung gegen Verdrehung gesichert befestigt ist.
Die Stellung der Ventilspindel 54 in den Fig. 3 und 4 entspricht dem Ventil in geschlossener Stel lung. Wird nun durch den Stellmotor 69 der Hebel 70 im Sinne des eingezeichneten Pfeiles gedreht, so werden dadurch die Hebel 61 und 65 im Uhrzeiger sinne verdreht und die Ventilspindel 54 gehoben, d. h. im öffnenden Sinne verstellt. Gleichzeitig wird durch diese Bewegung durch den Hebel 71 und die Stange 72 der Hebel 75 ebenfalls im Uhrzeigersinne verdreht. Dadurch wird die Torsionsfeder 76, die unter Vorspannung steht, entlastet. Bei einer ent gegengesetzten Drehbewegung des Stellmotors 69 wird die Ventilspindel 54 in schliessendem Sinne betätigt und gleichzeitig die Torsionsfeder 76 ge spannt.
In Fig. 5 ist der Verlauf der auf die Ventilspin del 54 wirkenden Kräfte dargestellt. Die Linie A zeigt den Verlauf der vom das Ventil durchfliessen den Medium verursachten statischen und dynami schen Kräfte bei in Pfeilrichtung durchfliessendem Medium. Die Linie B zeigt den Verlauf der von der Torsionsfeder stammenden, mit Hilfe des durch die Hebel 75, 71, 62 und die Stangen 72 und 60 gebil deten Getriebes übersetzten Kraft. Die Linie C stellt die vom Stellmotor stammende Kraft, übersetzt durch das durch die Hebel 70, 65, 62 und die Stangen 66 und 60 gebildete Getriebe, dar. Die Linie B + C zeigt den Verlauf der jeweiligen Summe der von der Feder und vom Stellmotor stammenden Kräfte.
Zum bequemen Vergleich der Grösse der einzelnen Kräfte ist ausserdem die Linie A spiegelbildlich zu ihrem eigentlichen Verlauf in den oberen Teil des Dia gramms eingezeichnet und mit A' bezeichnet worden.
Bei der Ausführung nach den -Fig. 3 und 4 wird nicht, obwohl dies grundsätzlich möglich wäre, ein, weitgehender Ausgleich der vom Medium und von der Feder auf die Ventilspindel wirkenden Kräfte angestrebt. Wie aus dem Diagramm in Fig.5 er sichtlich ist, ist die von der Feder stammende Kraft derart gewählt, dass sie im ganzen Bereich der Stel lungen des Ventilkörpers ungefähr halb so gross ist wie die auf die Ventilspindel vom Medium wirken den Kräfte. Die vom Stellmotor stammende Kraft wird dabei so gewählt und übersetzt, dass diese je weils um einen kleinen Betrag grösser ist als die von der Feder stammende Kraft.
Steht das Ventil nun unter Druck und wird es vom Medium durchflossen, so summieren sich beide Kräfte, die von der Feder und die vom Stellmotor stammende, und reichen zu sammen zur überwindung der vom Medium stam nienden Kraft aus. Steht das Ventil dagegen nicht unter Druck, so muss der Stellmotor einzig die Feder kraft überwinden und ist, wie vorher gesagt worden, derart dimensioniert, dass er dazu eben ausreicht. Änderungen des Arbeitsdruckes oder des wirksamen Ventilsitzdurchmessers können bei dieser Ausfüh rung einfach durch Änderung der Vorspannung der Torsionsfeder, z.
B. durch deren Versetzung in der Kerbverzahnung, berücksichtigt werden.
In der Fig. 6 ist eine Ausführung des erfindungs-; gemässen Ventils dargestellt, bei der zwischen der Ventilspindel und der Feder kein Getriebe vorhan den. ist. Durch ein Ventilgehäuse 100 ist eine Ventil spindel 101 mit einem Ventilkörper 102 durchge führt und ist in üblicher Weise durch Dichtungen 103, die durch überwurfmuttern 104 gegen die Ven tilspindel 101 gepresst werden, abgedichtet. Im Ven tilgehäuse 100 befindet sich ein mit dem Ventilkör per 102 zusammenwirkender Ventilsitz 105. Am oberen Ende der Ventilspindel 101 ist ein Gewinde 106 ausgebildet, auf welches eine Mutter<B>107</B> ge schraubt ist, gegen die sich ein Federteller 108 stützt.
'!.wischen dem Federteller 108 und dem Ventil gehäuse 100 befindet sich koaxial mit der Ventil spindel 106 eine Feder 109. Das untere Ende der Ventilspindel 101 ist mit einer Verzahnung 110 ver sehen, in die ein Ritze! 111 eines Stellmotors 113 eingreift. Die Ventilspindel 101 stützt sich gegen eine Rolle 114, welche gegenüber dem Ritze! 112 angeordnet ist.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Beispiel wird eine Feder mit einer Kennlinie mit veränderlicher Steil- heit verwendet, deren Kraftverlauf dem Verlauf der auf den Ventilkörper wirkenden Kräfte, wie zum Beispiel in der Fig. 5 dargestellt, angepasst .ist. Eine solche Kennlinie wird zum Beispiel durch veränder liche Steigung einer Schraubenfeder erzielt, und zwar so; dass bei fortschreitendem Zusammendrücken der Feder bestimmte Windungen aufeinander zum Auf liegen kommen. Auf diese Weise wird die wirksame Länge der Feder bei fortschreitendem Zusammen drücken gekürzt und deren Kennlinie steiler.
Es versteht sich, dass verschiedene Abänderungen des erfindungsgemässen Ventils im Rahmen des Er findungsgedankens möglich sind.
Bei der Ausführung nach Fig. 1 braucht die Ver stellung des Funktionskörpers nicht durch die Druck differenz vor und hinter dem Ventilkörper stattzu finden, sondern diese kann auch durch andere Vor gänge, die mit der durch das Ventil durchfliessenden Menge in Zusammenhang stehen, erfolgen. So kann zum Beispiel bei einem in einer Kesselanlage an geordneten Ventil die Verstellung des Funktions körpers durch einen lastabhängigen Impuls erfolgen. Die Verstellung kann aber auch bei Anlagen, welche einen im voraus bestimmten zeitlichen Verlauf ver folgen, zeitabhängig gemacht werden, so zum Bei spiel beim automatischen Anfahrvorgang einer Kes selanlage.
Es versteht sich auch, dass ausser den in den ersten zwei Beispielen gezeigten Formen eines Ge triebes zwischen Feder und Ventilspindel auch an dere Ausführungsformen dieses Getriebes möglich sind. Es können anstatt der gezeigten Getriebe mit veränderlicher übersetzung auch Getriebe mit kon stanter übersetzung Anwendung finden, und es sind auch, wie anhand der Fig.6 gezeigt ist, Ausfüh rungsformen überhaupt ohne Getriebe zwischen Fe der und Ventilspindel denkbar.
Dabei kann unter Umständen auch bei der Ausführung nach Fig. 6 eine Feder mit linearer Kennlinie verwendet werden, oder zwei in Serie angeordnete Federn, die in be kannter Weise zusammen eine gebrochene Kennlinie mit zwei verschiedenen Steilheiten aufweisen. Es kann übrigens auch statt einer Feder zum Beispiel ein Gewicht verwendet werden.