Steuervorrichtung an stopf büchslosen Absperr- oder Regeleinrichtungen, insbesondere für hohe Drucke In Anlagen der chemischen Industrie, die unter hohem Druck betrieben werden, und in Anlagen zur Energieerzeugung verwendet man häufig Absperr oder Regeleinrichtungen, die wegen der hohen Schliess- und Verstellkräfte nicht von Hand, sondern entweder durch den Druck eines systemfremden oder durch den Druck des zu fördernden Mediums in Schliess- und Öffnungsrichtung bewegt werden.
In Stopfbüchsen treten grosse Reibungskräfte auf, für deren flberwindung, abgesehen von der erforder lichen Wartung und der Kontrolle der Stopfbüchs- packungen, zusätzliche Kräfte aufzubringen sind. Daher werden für Hochdruckanlagen meistens Ab sperr- oder Regeleinrichtungen verwendet, bei denen die Steuerorgane im vom jeweiligen Medium erfüll ten Druckraum vor und hinter dem Schliessquer schnitt angeordnet sind.
Es führen dann nur Leitun gen durch die drucktragende Wandung eines Ge häuses, und Stopfbüchsen sind nicht erforderlich. Darüber hinaus wird in Anlagen der chemischen Industrie jenen druckmittelgesteuerten Einrichtungen der Vorzug gegeben, bei denen nicht ein system fremdes, sondern das abzusperrende oder im Durch Satz zu regelnde Druckmedium auch den Steuer kolben des Schliess- oder Regelorgans beaufschlagt.
Bisher bekanntgewordene, mit dem systemeigenen Druckmittel betätigte Absperr- und Regeleinrichtun gen sind für Hochdruckanlagen nicht brauchbar, da sie zusätzliche, aus dem Druckraum herausgeführte bewegliche Teile besitzen, deren zuverlässige Wir kung von der Abdichtung, von der Reibung und vom Verschleiss der bewegten Teile abhängt. Bei den bekannten hydraulisch gesteuerten Rohr- oder Ringschiebern, deren Steuervorrichtungen im vom jeweiligen Medium durchströmten Raum liegen, ist im Bereich der Steuerorgane ein erheblich erweitertes Gehäuse erforderlich, das bei unter hohen Drucken gehaltenen Leitungssystemen nicht erwünscht ist.
Ein weiterer Nachteil aller bekannten Einrichtungen, bei denen Kolbenringe, Manschetten, Membranen und Ringpackungen verwendet werden, ist darin zu sehen, dass durch die Beschleunigung bzw. Verzöge rung des Schliessorgans in der Endphase der Schliess- und öffnungsbewegung Schwingungen und Schläge auftreten können, die bei unter hohen Drucken stehenden Einrichtungen unbedingt vermieden wer den müssen.
Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung an stopfbüchslosen Absperr- oder Regeleinrichtungen mit einem im Strömungsweg angeordneten ein- oder doppelseitig beaufschlagten Steuerkolben für das Schliess- oder Regelorgan mit der die Nachteile der bekannten Vorrichtungen, insbesondere bei der Ver wendung in Hochdruckanlagen, vermieden sein sol len.
Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass in die Gleit- und Dichtflächen des Steuerkolbens, des Steuerzylinders, der Kolbenstange und der Kol- benstangenführung ein System von Drosselstellen eingearbeitet ist, dessen druckreduzierende Eigen schaften sich mit der Bewegung des Steuerkolbens ändern. In einer solchen Steuervorrichtung treten nur geringe Reibungskräfte auf, wenn der Steuer kolben und die Kolbenstange allseitig gleichmässig an einem aufgelösten Druckpolster in zwischen den Drosselstellen liegenden kleinen Entspannungsräumen abgestützt ist. Der Verschleiss der Reibungsflächen ist entsprechend gering.
Die Änderung der Drossel wirkung mit dem Kolbenhub ermöglicht eine weiche Bewegung auch in den Grenzlagen des Kolbens, so dass Schwingungen und Schläge im Drucksystem vermieden werden.
Anhand der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.
Die Fig. 1 zeigt ein Ventil für eine Flüssigkeits-, Gas- oder Dampfleitung im Schnitt, in dessen Ge häuse 1 der Schliesskegel 2 einen unmittelbar hinter dem Eintrittsstutzen 3 liegenden Querschnitt von be stimmter Fläche absperrt. Der Schliesskegel 2 ist über die Stange 4 mit dem Steuerkolben 5 verbunden. Der Steuerkolben gleitet in einem Zylinder 6, der nur an der vom Schliesskegel 2 abgewandten Seite geschlossen ist. Der Zylinder 6 ist gegenüber dem Gehäuse 1 durch mehrere radiale Rippen la fest ab gestützt.
Eine Verlängerung 4a der Kolbenstange 4 gibt dem Kolben 5 im Boden des Zylinders 6 eine zusätzliche Führung. Die wirksame Fläche des Kolbens 5 und des Zylinders 6 ist grösser als die wirksame Querschnittsfläche des Schliesskegels 2, so dass das beim Öffnen eines Hilfsventils 7 aus dem Stutzen 3 in den Zylinderraum 11 unterhalb des Kolbens eintretende Druckmittel den Kolben 5 auf wärts bewegt und damit den Schliesskegel 2 auf den Sitz presst. Die dem Druckraum zugewandte Fläche des Kolbens 5 ist zwar ebenfalls vom Druck des Mediums belastet; aber dieser Druck ist reduziert.
Die öffnungs- und Schliessbewegung des Schliess kegels 2 ist also bei einseitiger Beaufschlagung des Kolbens 5 und bei einseitig offenem Zylinder 6 er möglicht. Das Öffnen und Schliessen erfolgt aus schliesslich durch Betätigen des Hilfsventils 7 in der Leitung 8, die den vom Druckmittel erfüllten Stutzen 3 vor dem Schliessquerschnitt mit dem Zy linderraum 11 verbindet.
Um die Kolbenbewegung weich zu steuern und die Reibung an den Gleitflächen ohne Einbusse an Dichtwirkung gering zu halten, sind in die Mantel fläche des Kolbens 5 und in die Flächen des Zylin ders 6 sowie in die Verlängerung 4a der Kolben stange und in die zugehörige Führung im Zylinder boden ringförmige Rillen 10a und 10b eingearbeitet, die insgesamt ein labyrinthartiges System von Drossel stellen mit kleinen zwischengeschalteten Entspan nungsräumen bilden. Die Verteilung der Drossel stellen auf die Gleitflächen ist in Fig. 2 näher dar gestellt.
Das Drosselstellensystem kann von ausge- rundeten oder eckigen Rillen gebildet sein, wobei für die Rillen 10a in den Gleitflächen des Zylinders 6 vorzugsweise eine andere Teilung gewählt wird als für die Rillen 10b im Kolben 5 und in der Ver längerung 4a der Kolbenstange. Die Teilung der Rillen 10a und 10b muss in jedem Fall so gewählt werden, dass die sichere Geradeführung der Gleit flächen des Kolbens 5 gewährleistet bleibt.
Eine in die Verlängerung 4a eingearbeitete Nute oder ein Kanal 9 überbrückt bei der Kolbenbewegung eine mehr oder weniger grosse Zahl von Drosselstellen 10 zwischen der Verlängerung 4a der Kolbenstange und der gegenüberliegenden zugehörigen Führung im Boden des Zylinders, so dass eine stufenweise Ent spannung der Druckdifferenz zwischen dem Druck mittelraum 11 und dem Gehäuseraum über die Drosselstellen je nach der Kolbenstellung auf länge rem oder kürzerem Weg erfolgt.
Das Zustandekommen der weichen Steuerung der Bewegung des Kolbens 5 ergibt sich aus der bekann ten Durchflussgleichung für Labyrinthe:
EMI0002.0019
Darin ist: Gh <I>=</I> Durchflussmenge in kglh DI" - mittlerer Durchmesser der Labyrinth fläche in cm p1 = Druck vor dem Labyrinth in ata p2 = Druck hinter dem Labyrinth in ata v1 = spez. Volumen des Mediums vor dem Labyrinth in m3/kg s = Spaltweite in cm z = Anzahl der Labyrinthe pro
Längeneinheit. Die Gleichung sagt mit Bezug auf die Fig. 2 aus, dass bei gleichen Druckverhältnissen vor und hinter dem Labyrinth die Durchflussmenge nur abhängig ist von der Zahl der aus je einer Drosselstelle und einem kleinen nachgeordneten Entspannungsraum bestehenden Labyrinthe pro Längeneinheit sowie von deren Durchmesser und Spaltbreite. Man wählt die Zahl der Labyrinthe so, dass die abfliessende ent spannte Druckmittelmenge sich mit jeder Verände rung der Stellung des Kolbens und der Kolbenstange ebenfalls ändert, wobei sich der Druck im Raum 11 mehr oder weniger schnell auf- oder abbaut.
In Ver bindung mit der Zahl der Labyrinthe wählt man ferner deren Durchmesser und Spaltbreite so, dass für die Steuerung mit dem systemeigenen Medium die gewünschte Charakteristik der Steuerbewegung erhalten wird.
Am Steuerkanal 9 kann man durch die Bemes sung der Querschnitte seiner einzelnen Kanal abschnitte die Charakteristik der Steuerung eben falls in geringem Umfang beeinflussen. Wenn die im wesentlichen senkrecht zur Kolbenstange 4 gebohrten Eintrittsöffnungen des Steuerkanals 9 im Querschnitt kleiner bemessen sind als der Öffnungsquerschnitt eines Labyrinths, wirkt auch der Steuerkanal 9 als Drosselstelle und bildet zwischen den teilweise über brückten Labyrinthrillen 10a, 10b eine Entspan nungsstufe.
Anstelle von einzelnen ringförmigen Rillen 10 kann auch ein System von wendelförmig steigenden Rillen vorgesehen werden, wobei die Steigung der Rillen des Kolbens und die des Zylinders unter schiedlich bemessen oder gegenläufig ist. Dieses Labyrinthsystem lässt sich ebenfalls so ausbilden, dass zwischen den Drosselspalten viele kleine Ent spannungsräume entstehen. Zweckmässig werden derartige wendelförmige Rillen in gleichmässigen Ab- ständen unterbrochen und zur Erhöhung der Laby- rinthwirkung mit kurzen seitlichen, das heisst etwa in Richtung der Mittellinien des Kolbens verlaufen den Verzweigungen versehen.
Die Fig. 3 zeigt im Schnitt eine auf bisher hand betätigte Hochdruckventile aufsetzbare Steuervor richtung mit einem beidseitig beaufschlagbaren Steuerkolben 5 in der Schliesslage des nicht darge stellten Absperr- oder Regelorgans. Zur Betätigung der Steuervorrichtung dient ebenfalls das in der zu öffnenden und zu schliessenden Leitung oder der gleichen strömende Medium.
Der auf das Ventil- oder Schiebergehäuse 1 aufgesetzte Steuerzylinder besteht aus dem Hauptzylinder 6, in dem sich der Kolben 5 bewegt, und aus den Hilfszylindern 6a und 6b, die der Kolbenstange 4 und deren äusserer Ver längerung 4a Führung geben. Die Hilfszylinder 6a und 6b und die darin geführten Kolbenstangen- Abschnitte besitzen ebenfalls eine Vielzahl von Drosselrillen 10a, 10b zur Entspannung einer Druck differenz unter weitgehender Verminderung der Reibungskräfte zwischen den aufeinandergleitenden Teilen.
In den Stirnflächen des Hauptzylinders 6 sind die Druckmittelzuführungen 12 und 13 angeordnet. An dem untern Hilfszylinder 6a und dem obern Hilfs zylinder 6b sind etwa in der Mitte des Entspannungs weges Abgänge 14 und 15 für das in dem Drossel stellensystem entspannte Medium vorgesehen. Das Drosselstellensystem wird wie in Fig.2 von einer Vielzahl von Labyrinthrillen 10a und 10b im Zylin der 6 und in den Hilfszylindern 6a, 6b bzw. in der Gleitfläche des Kolbens 5 und der Kolbenstange 4, 4a gebildet.
Während der untere Hilfszylinder 6a beiderseits des Abganges 14 etwa eine gleiche An zahl von Rillen<I>10a</I> besitzt, ist der obere geschlos sene Hilfszylinder 6b nur unterhalb des Abganges 15 mit Rillen versehen, die zusammen mit den Rillen der Kolbenstangenverlängerung 4a zwischen den engen Drosselstellen kleine Entspannungsräume bil den. Oberhalb des Abganges 15 ist eine keilförmige Entspannungsnute 16 vorgesehen, die sich zur Stirn fläche des geschlossenen Zylinders 6b hin verjüngt.
Die Aufgabe des vom Druckmittel beaufschlagten Steuerkolbens 5 wird durch die in die Kolbenstange 4 bzw. deren Verlängerung 4a eingearbeiteten Ka näle 9 bzw. 9a unterstützt. Die Kolbenstange 4 und die Verlängerung 4a bilden Hilfssteuerkolben, die mit ihren Kanälen 9 bzw. 9a je nach der Hublage des nicht dargestellten Schliesskegels mehr oder weniger Rillen in den Hilfszylindern 6a und 6b überbrücken.
Die an die Dnickmitteleinlässe 12 und 13 heran führenden Leitungen sind so ausgelegt, dass bei Be ginn einer Steuerbewegung die einströmende Druck mittelmenge grösser ist als. die durch die Drosselstel len und die Steuerkanäle 9 und 9a in entspanntem Zustand entweichende Menge. In den Druckmittel räumen 11 bzw. 11' tritt dabei eine gewisse Druck erhöhung ein. Durch Einstellen, das heisst durch mehr oder weniger weites Schliessen oder Öffnen der Ventile 7 und 7', kann der Steuerkolben 5 in jede beliebige Stellung gebracht und festgehalten werden.
Zum Öffnen des nicht dargestellten Strö- mungsmitteldurchganges des Ventils oder Schiebers wird das Steuerventil 7' in die Druckmittelleitung zum Einlass 13 gedrosselt bzw. geschlossen und zu gleicher Zeit das Steuerventil 7 in der Druckmittel leitung zum Einlass 12 teilweise bzw. ganz geöffnet. In den beim Schliessen grösser werdenden Druck raum 11 strömt in diesem Fall kein Druckmittel oder nur eine geringe Druckmittelmenge ein, wäh rend durch Druckerhöhung im Raum 11' der Steuer kolben 5 aufwärts bewegt wird.
Bei dieser Aufwärts bewegung des Steuerkolbens wird das im Raum 11 befindliche Druckmittel nicht weiter verdichtet, son dern es entweicht unter gleichzeitiger Entspannung durch die Drosselstellen und den Steuerkanal 9a und wird schliesslich durch den Abgang 15 abgeführt. Die Entspannung geschieht jedoch nicht augen blicklich, sondern benötigt eine längere oder kürzere Zeitspanne, die im umgekehrten Verhältnis zur Druckerhöhung im gegenüberliegenden Druckraum 11' bzw. zur Verschiebung der Ausgangsöffnung des Steuerkanals 9a steht.
Der für die Entspannung be nötigte kurze Zeitabschnitt entspricht ferner der überbrückung von mehr oder weniger Drosselstellen im Hilfszylinder 6b. Eine zusätzliche und fein wirkende Regelung der Entspannung kann noch durch die Einstellung eines oder zweier Ventile 17, 17a vorgenommen werden. Die mit dem Abgang 15 ver bundene Entspannungsnute 16, die sich nach oben verjüngt und durch diese Verjüngung zur Endlage hin das Druckmittel immer langsamer entweichen lässt, bewirkt ferner, dass beim Öffnen des Schiebers oder Ventils eine Verdichtung oder bei einsetzen dem Schliessvorgang eine Unterdruckbildung im obern abgeschlossenen Teil des Hilfzylinders 6b vermieden wird.