Ventil Die Erfindung bezieht sich auf ein zum Absper ren, insbesondere schlagartigen Absperren strömen der Medien geeignetes Ventil. In vielen Fällen kommt es darauf an, dass ein Ventil, z. B. nach Art einer Rückschlagklappe rasch anspricht, um die Strömung zu unterbrechen. So sind beispielsweise in Zusam menhang mit Dampfturbinen Drosselklappen ge bräuchlich, ebenso in Kraftanlagen Rückschlagven- tile und andere Schliessorgane für überhitzten Dampf.
Wenn bei derartigen Ventilen der Schliessvorgang eingeleitet ist, so vollzieht sich unter dem Druck des abzusperrenden Mediums das endgültige Ab schliessen schlagartig, wobei unter Umständen ge waltige Kräfte auftreten, die im Laufe der Zeit De formationen des Ventilsitzes sowie der beweglichen Ventilklappe hervorrufen. Dadurch besteht die Ge fahr, dass das Ventil nicht mehr voll funktionsfähig oder ganz unbrauchbar wird.
Es ist bereits früher vorgeschlagen worden, bei einem Ventil mit schlagartiger Schliessbewegung eine Kante oder Lippe aus nachgiebigem Material am Ventilsitz bzw. an der Ventilklappe vorzusehen. Die Energie des Aufschlages wird dann durch Verfor mung des aus nachgiebigem Material gestalteten Kör pers verzehrt. Obwohl derartige Vorrichtungen für einige bestimmte Anwendungen brauchbar sind, ha ben sie sich doch in den Fällen als ungeeignet er wiesen, wo grössere Kräfte auftreten. Darüber hinaus ist nicht nur der reinen mechanischen Schlagbean spruchung Rechnung zu tragen, sondern vielfach muss noch berücksichtigt werden, dass das strö mende Medium nicht nur hohe Drücke, sondern häufig auch hohe Temperaturen aufweist.
Die Ma terialien müssen dann zum einwandfreien Arbeiten des Ventils auch für eine hohe Temperaturbean spruchung ausgelegt sein. Die Erfindung löst die Aufgabe, ein derartiges Ventil zu schaffen, bei dem hohe Aufschlagkräfte während des Schliessvorganges abgefangen werden müssen. Das Ventil nach der Erfindung zeichnet sich durch eine hohe Lebensdauer aus und erlaubt in häufiger Wiederholung ein schlagartiges Schlie ssen.
Die Erfindung besteht darin, dass bei einem derartigen Ventil zumindest einer der beim Schliess vorgang aufeinander prallenden Teile in axialer Richtung nachgiebig im Sinne einer elastischen Ver- formbarkeit ausgebildet und eine Gleitbewegung längs einer konischen Führungs- und Auflauffläche auszuführen imstande ist. Die Ventilklappe bzw. der Ventilsitz kann dabei mit einem geeigneten Zwi schenglied versehen sein oder selbst verschieblich angeordnet werden und dabei die Gleitbewegung aus führen.
Unter Einwirkung der Aufschlagkraft er folgt dann ein Gleiten in axialer Richtung durch elastische Deformation. Mit Vorteil kann ein ring förmiger Teil innen bzw. aussen mit konischen Flä chenteilen versehen sein, wobei die elastische De formation auf einer Ringspannung beruht, die auf den Ringkörper einwirkt. Im Ruhezustand befin det sich dieser Teil in einer bestimmten Lage,. wäh rend bei der Schlagbeanspruchung ein Aufgleiten in axialer Richtung unter Zunahme der elastischen Dehnungs- oder Druckspannungen auftritt.
Die Erfindung kann in einfacher Weise dadurch realisiert werden, dass der Ventilsitz bzw. ein mit ihm oder dem beweglichen Ventilkörper verschieb bar verbundener Teil ringförmig ausgebildet ist und innen bzw. aussen eine konische Oberfläche aufweist, die mit einer konischen Gegenfläche zusammen wirkt. Dabei ist der Konizitätswinkel wenigstens einer der beiden konischen Flächen so bemessen, dass sein Tangens grösser ist als der Koeffizient der statischen Reibung zwischen den beiden aufeinander gleitenden konischen Oberflächen.
Auf diese Weise wird eine Relativbewegung zwischen Ring und Gegen körper ermöglicht, wobei in der einen Richtung beim Schliessen des Ventils die Energie des Aufpralls durch Dämpfung verzehrt wird, während sich hieran eine rückläufige Bewegung anschliesst, bei der sich das aus dem Ring und seinem konischen Sitz be stehende System energetisch entspannt und seine ursprüngliche Stellung wieder einnimmt.
Die Mantellinien der korrespondierenden koni schen Flächen definieren mit ihrem Winkel zur Dreh achse den Konizitätswinkel. Die Bemessung dieses Winkels ist von Bedeutung, denn der Winkel muss mindestens so gross sein, dass sein Tangens grösser ist als der Koeffizient der statischen Reibung zwi schen den beiden konischen Gleitflächen. Bekannt lich hängt dieser Reibungskoeffizient von den Ma terialeigenschaften und der Oberflächenbeschaffen heit ab.
An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Fig. 1 bis 4 zeigen ein Aus führungsbeispiel der Erfindung in verschiedenen Dar stellungen, während Fig. 5 eine abgewandelte Aus führungsform veranschaulicht.
Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Schnitt in axialer Richtung durch ein Klappventil, wobei der Augen blick des Aufpralls der Ventilklappe veranschau licht ist.
Fig. 2 zeigt einen Teilausschnitt aus der Dar stellung von Fig. 1 in vergrössertem Massstab, wobei das Ventil unmittelbar nach dem Aufprall gezeich net ist.
Fig.3 zeigt das Klappventil in geschlossenem Zustand, wobei aber der verschiebbare Teil wieder in seine Ruhelage zurückgekehrt ist, nachdem die beim Aufprall aufgetretenen Kräfte abgefangen wor den sind.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch das in Fig. 1 dargestellte Ventil längs der Linie IV-IV in verklei nertem Massstab. In den Fig. 1 bis 4 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ventil handelt es sich um ein Klappventil, wobei die Er findung aber durchaus nicht auf diese Art von Ventilen beschränkt ist. Die Erfindung eignet sich auch für andere Ventilarten, bei denen ebenfalls eine Dämpfung des Aufpralls wünschenswert ist.
Das Ventil 10 weist ein Ventilgehäuse 11 auf, in welches ein Strömungskanal 12 einmündet, wobei die Strömungsrichtung durch den Pfeil 13 angegeben ist. Auf der Abströmseite des Ventils liegt im Strömungskanal 12 ein ringförmiger Ventilsitz 14 in einer passenden Ausnehmung 15 im Ventilgehäuse 11. Auf diese Weise kann der Ventilsitz leicht ausge wechselt werden. Der Ventilsitz 14 besteht vorzugs weise aus einem anderen Material als das Ventil gehäuse 11. Dabei hängt die Auswahl des Materials von den Umgebungs- und Arbeitsbedingungen für den Ventilsitz ab.
Der bewegliche Ventilkörper ist bei den darge stellten Ausführungsbeispielen als Ventilklappe aus gebildet, die in den Fig. 1 bis 4 mit 16 bezeichnet ist. Die Ventilklappe ist an zwei Armen 17 befestigt, die schwenkbar mit einer Welle 18 in Verbindung stehen, welche drehbar in einem Teil 20 des Ventil gehäuses gelagert ist und senkrecht zur Achse 26 des Strömungskanals 12 verläuft.
Die Ventilklappe 16 enthält einen scheibenförmi gen Zentralkörper 22 mit einer am äusseren Umfang konisch gestalteten Fläche 23, auf der ein Ring 24 mit konischer Oberfläche 25 aufliegt. Der Ring 24 ist nicht geteilt und wird vom Zentralkörper 22 konzentrisch getragen. Die Mantellinien der koni schen Oberflächen 23 und 25 schneiden sich mit der Achse 26 in Strömungsrichtung unter dem Win kel B. Dieser Winkel heisst Konizitätswinkel und ist halb so gross wie der Öffnungswinkel A, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist. Der Ring 24 wird auf dem Zentralkörper 22 durch eine Scheibe 28 gehalten, die einen etwas grösseren Durchmesser als die koni schen Flächen 23 und 25 hat.
Zu diesem Zweck ist der Ring 24, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, mit einer Aussparung 29 versehen. Der Ring 24 kann nicht vom Zentralkörper 22 heruntergleiten, weil die hin tere Endfläche 36 der Aussparung 29 dann gegen den Aussenrand der Haltescheibe 28 zu liegen kommt.
Die konische Fläche 23 besitzt einen grösseren mittleren Durchmesser und eine grössere Länge als die konische Gegenfläche 25. Dadurch ragt in der Ruhelage, wie Fig. 3 zeigt, der Ring 24 mit seiner Vorderkante 30 über die Scheibe 28 hinaus. Die Vorderkante 30 schliesst mit dem Ventilsitz 14 in einer Ebene senkrecht zur Achse 26 ab. Der Ring 24 ist ausserdem so gestaltet, dass er in axialer Richtung einen Spielraum 31 zwischen seiner rück wärtigen Stirnfläche 32 und einer Anschlagfläche 33 am Zentralkörper 22 lässt.
Die konischen Flächen 23 und 25 sind ausser dem so bemessen, dass, wenn der Ring 24 in seiner entspannten Lage ist (Fig.3), der Spielraum 31 am grössten ist. Die beiden konischen Flächen sollen dann gerade genau aufeinander passen, sie sollen jedoch relativ zueinander gleiten können, wenn eine grosse Kraft in axialer Richtung auf sie einwirkt.
Die Ventilklappe 16 ist weiterhin mit einer öff- nung 37 in der Mitte versehen. Der Hebel 38, der mit der Welle 18 verkeilt ist, trägt an seinem freien Ende einen Zapfen 39. Dieser Zapfen 39 passt in die Öffnung 37, um diese verschliessen zu können. Auf diese Weise wird ein Entlastungs- oder Hilfs ventil gebildet. über das Ende des Hebels 38 greift ein mit der Ventilklappe 16 fest verbundenes Joch 40 mit einem klappenförmigen Vorsprung 41, wobei durch Einhaltung eines Abstandes zwischen diesen Teilen der Hebel 38 eine gewisse Beweglichkeit be züglich der Ventilklappe 16 erhält.
In Fig. 1 ist der geöffnete Zustand der Ventil klappe 16 durch strichpunktierte Linien angedeutet. In geöffnetem Zustand ist die Ventilklappe 16 aus dem Strömungskanal 12 in eine Kammer 43 ge schwenkt, die durch einen Deckel 44 gegen die äussere Atmosphäre abgeschlossen ist. Somit steht die Kammer 43 in direkter Verbindung mit dem Strö mungskanal 12 und unterliegt dem Druck des strö menden Mediums.
Im Betriebszustand kann das Ventil 10 durch entsprechende nicht näher bezeichnete Massnahmen an der Welle 18 geöffnet gehalten werden. Soll je doch die Strömung unterbrochen werden, so wird die Welle 18 freigegeben. Die Ventilklappe 16 schwenkt jetzt zusammen mit dem Hebel 38 im Uhrzeigersinn in die Schliessstellung. Diese Bewegung vollzieht sich z. B. infolge der Schwerkraft. Wenn die Ventilklappe 16 in den Strömungskanal 12 ein zuschwenken beginnt, wird ihre Weiterbewegung durch das strömende Medium beschleunigt, so dass das Schliessen mit einem starken Aufprall erfolgt.
Im Augenblick des Schliessens trifft die Ventil klappe 16 mit dem Ring 24 auf den Ventilsitz 14 mit grosser Wucht auf, wodurch der Ring 24 zurückgeschoben wird und die in Fig.2 gezeigte Lage annimmt. Dadurch wird die Aufprallenergie gedämpft. Während dieser Rückwärtsbewegung un terliegt der Ring 24 einer Ringspannung, da seine konische Fläche 25 elastisch gedehnt wird. Wie schon erwähnt wurde, ist diese Rückwärtsbewegung sehr klein, so dass der Ring 24 nicht über die Gren zen seiner elastischen Deformationsmöglichkeit hin aus beansprucht wird.
Obwohl der Koeffizient der statischen Reibung zwischen den beiden konischen Flächen 23 und 25 nicht kritisch ist, ist er doch wichtig im Hinblick auf die Auswahl des Konizitätswinkels B. Genauer ge sagt muss der Konizitätswinkel B mindestens so gross sein, dass sein Tangens grösser ist als der Koeffizient der statischen Reibung zwischen den beiden koni schen Flächen 23 und 25. Dies ist wesentlich, um zu gewährleisten, dass sich der Ring 24 auch dann noch in einem Zustand der Instabilität befindet und nicht klemmt, wenn er die Energie des Auf pralles durch seine Bewegung nach hinten aufge nommen und die in Fig. 2 gezeichnete Lage erreicht hat.
Die Rückkehr in die der Entspannung ent sprechende Lage, also in die Ruhelage, ist gesi chert, wenn die inneren Spannungen, denen der Ring 24 unterworfen wird, und die den elastisch de formierten Ring in seine ursprüngliche Gestalt zu rückzuzwingen trachten, grösser sind als die Rei bungskräfte, die diesen Vorgang behindern. Schliess lich nimmt der Ring 24 die in Fig. 3 gezeigte Lage ein und dichtet gegen den Ventilsitz 14 wirksam ab, so dass das Ventil geschlossen ist, zumal auch der Zapfen 39 durch den auf dem Hebel 38 lastenden Strömungsdruck die Öffnung 37 in der Klappe 16 abdichtet.
Das Material, aus dem der Ventilsitz 14 und der Ring 24 bestehen, kann so gewählt werden, wie es die Arbeitsbedingungen erfordern. Man wird vorzugsweise Metalle wählen, die eine ausreichende Elastizität besitzen und hohen inneren Spannungen bei hoher Temperatur ohne dauernde Verformung durch Aufschlagkräfte widerstehen. Sie können mit den erforderlichen Toleranzen hergestellt werden, wodurch ein einwandfreies Arbeiten gewährleistet wird.
Um das Ventil zu öffnen, wird die Welle 18 entgegen dem Uhrzeiger gedreht, wodurch zunächst der Hebel 38 bis zum Anschlagen gegen den Joch- bogen 41 bewegt wird. Dadurch wird zuerst das Entlastungsventil (37, 39) gelöst. Das bisher abge sperrte Medium gelangt jetzt durch das Entlastungs ventil in den Abströmraum, so dass sich die Druck differenz zwischen Vorder- und Rückseite der noch geschlossenen Ventilklappe 16 verringert.
Einer wei teren Drehung des Hebels 3 8 entgegen dem Uhr zeiger setzt die Strömung dann keinen grossen Wider stand mehr entgegen, so dass die Ventilklappe 16 ohne Aufwendung grosser Verstellkräfte in die End- lage in die Kammer 43 geschwenkt werden kann. Dadurch wird der Ventilsitz 14 freigegeben, und das strömende Medium kann hindurchtreten.
Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter Darstellung. Bei dem Ventil 60 mit dem Ventilgehäuse 61 und dem Ab strömungskanal 62 für das in Richtung des Pfeiles 63 fliessende Medium sind die Massnahmen, die bei der in Fig. 1 bis 4 veranschaulichten Ausführungs form an der Ventilklappe getroffen sind, jetzt am Ventilsitz angewendet. Demgemäss trägt die Ventil klappe 64, die von Armen 65 so gehalten wird, dass eine Schwenkbewegung um die Achse 66 mög lich ist, und die im übrigen in gleicher Weise wie in Fig. 1 bis 4 gestaltet sein kann, nicht den dort vorhandenen Ring 24.
Die Ventilklappe 64 kann also aus einem einzigen Stück gefertigt sein, so dass die Fläche 67 sich unmittelbar gegen den ringförmi gen Ventilsitz 68 anlegt, wodurch das strömende Medium abgesperrt wird. Hier weist nun der Ventil sitz 68 eine konische Fläche 69 auf, die in einer konischen Gegenfläche in der Wandung 70 im Ven tilgehäuse 61 liegt. Der Ventilsitz 68 wird in der konischen Wandung 70 von einer Reihe Stifte 71 in seiner Bewegungsfreiheit begrenzt. Diese Stifte ragen durch die konische Wandung 70 in eine ring förmige Aussparung 72 im Ventilsitz 68 und hindern diesen am Herausgleiten.
Die Mantellinien der konischen Oberfläche 69 des Ventilsitzes 68 und die der konischen Gegen fläche 70 in der Gehäusewandung schneiden sich in einem Punkt in der Mittelachse des Abström- raumes. Beide Flächen haben dieselben Eigenschaften wie die konischen Oberflächen 23 und 25 der in Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführung, d. h. der Konizitätswinkel der konischen Oberflächen hat einen so grossen Wert, dass sein Tangens grösser ist als der Reibungskoeffizient der zwei konischen Flächen.
Ausserdem sind die konischen Flächen so ge staltet, dass sie im entspannten Zustand die in Fig. 5 gezeigte Lage besitzen. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass die axiale Länge der Aussparung 72 grösser ist als der Querschnitt der Stifte 71, so dass eine Bewegung des Ventilsitzes 68 nach links in axialer Richtung möglich ist, wenn ein Aufschlag der Ventilklappe 64 erfolgt und nach rechts, wenn die Energie des Aufschlages vernichtet worden ist.
In dieser Ausführung wird jedoch der Ventil sitz 68 auf Druck beansprucht, wenn er die Energie des Aufpralls aufnimmt, so dass durch die damit ver bundene Deformation sein Umfang während dieses Zeitabschnittes leicht verringert wird. Nachdem die Energie des Aufpralls aufgezehrt worden ist, über winden die Spannungen im Ventilsitz 68 die Rei bungskräfte zwischen den beiden konischen Flächen und zwingen den Ventilsitz, sich nach rechts in seine Ausgangsposition zu bewegen, die er im ent spannten Zustand inne hatte.