Entlastetes Einsitzventil Die vorliegende Erfindung betrifft ein entlastetes Einsitzventil mit einem Hauptventilkörper und einem mit der Ventilspindel starr verbundenen Vorhubven- tilkörper, wobei der Boden des Hauptventilkörpers mit Öffnungen zum Durchtritt von Medium von der Strömungsseite her in eine Mischkammer und umge kehrt versehen ist.
Es sind Einsitzventile mit Entlastung durch Druck ausgleich bekannt, mit einem als Rohrschieber aus gebildeten Hauptverschlusstück und einem in einer Querwand des Hauptverschlussstückes angeordneten Sitz für ein mit der Ventilspindel fest verbundenes Vorhubventilverschlussstück und mit einer am über das Vorhubventil hinausragenden Spindelende fest angebrachten tellerförmigen Schirmwand, die mit dem Hauptverschlussstück einen Ringraum bildet,
welcher Ringraum zum Verhindern des Flatterns des Hauptverschlussstückes während der öffnungsbewe- gung durch Erzeugung eines Kraftschlusses zwischen Hauptverschlussstück und Schirmwand mittels Mediendruck mit dem Abströmraum des Ventils ver bunden ist.
Es gehört ferner zum Stande der Technik, in der Bodenfläche der Schirmwand eines entlasteten Ven tils Bohrungen zum Durchtritt des Mediums vorzuse hen, welche für den Ausgleich von Druckkräften über der Bodenfläche der Schirmwand sorgen.
Da aber bei diesen Ausführungen keine Stelle am Ventilkörper zu finden ist, der für alle Betriebszu stände ein eindeutig tiefster oder höchster Druckwert zugeordnet werden kann, so gestattet diese vorge schlagene Lösung nicht, über den ganzen Regulierbe reich das Rattern des Ventils zuverlässig zu verhin dern.
Es ist ein entlastetes Dampfturbinenventil be kannt, welches zum Druckausgleich eine Längsboh- rung und mindestens eine Querbohrung in der Ven tilspindel aufweist. Derartige Bohrungen bedingen äusserst schwere Ventilspindeln, da diese durch die erwähnten Bohrungen wesentlich geschwächt werden.
Eine weitere bekannte Lösung sieht zum Aus gleich einen speziellen Kolben vor; diese Lösung des Problems ist jedoch sehr kostspielig, so dass ihr der Eingang in die Praxis verwehrt blieb.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaf fung einer sicheren, über den ganzen Regelbereich wirkenden Verbindung zwischen dem Vorhubventil und dem Hauptventil eines entlasteten Einsitzventils.
Die erfinderische Massnahme besteht darin, dass die Öffnungen bezüglich Anordnung im Boden des Ventilkörpers und bezüglich Grösse derart ausgeführt sind, dass im Betrieb in jeder offenen Ventillage min destens annähernd das Produkt aus dem mittleren Druck des Mediums in der Mischkammer und der dem Entlastungsraum zugewandten Fläche des Entla stungskolbens gleich dem über die der Strömung zu gewandten Bodenfläche integrierten Produkt aus ört lichem Druck und zugehörendem Flächenelement der Bodenfläche ist, das Ganze derart, dass im ganzen Bereich des Strömungsbetriebes des Ventils bei stets optimaler Ventilentlastung die beiden Ventilkörper durch den Druck des Betriebsmediums gegeneinander gepresst werden.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegen standes wird anschliessend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch die Längsachse eines entlasteten Einsitzventils; Fig. 2 eine Ansicht von der Strömungsseite her auf den Hauptkegel des Ventils gemäss Fig. 1; Fig. 3 Druckverlaufkurven für verschiedene Ven- tilhübe in Abhängigkeit des Ortes des entlasteten Einsitzventiles gemäss den Fig. 1 und 2, für verschie dene Betriebszustände.
Das Gehäuse 1 eines entlasteten Einsitzventils gemäss den Fig. 1 und 2 trägt einen Ventilaufsatz 3, in welchem eine Ventilspindel 5 geführt ist. Sie ist mit einem Vorhubventilkörper 7 in einem Hauptke gel 9 starr verbunden.
Beim Schliessen des Ventils werden der Hauptkegel 9 und der Vorhubventilkör- per 7 durch die Ventilspindel 5 auf ihre Sitze 11 und 13 gepresst, und schliessen den Durchfluss von einem Zuströmraum 15 zu einem Abströmraum 17. Der Druck des Betriebsmittels im Hohlraum 19 unter stützt die schliessende Ventilkraft.
Beim Öffnen des Ventils wird zuerst der Vorhub- ventilkörper 7 angehoben, bis er an der ringförmigen Fläche 25 eines Entlastungskolbens 33 im, Hauptke gel 9 zum Aufsitzen kommt und nun den Hauptkegel mitnimmt. Dieser wird entlastet, sobald bei beginnen dem Vorhub der Vorhubventilkörper 7 die Verbin dung des Hohlraumes 19 zum Abströmraum 17 frei gibt.
Zum Vorhubventilkörper 7 gehört ein Einsatz 12, welcher im Hauptkegel 9 befestigt, während der Ven tilsitz zum Hauptkegel 9 als Einsatzdüse 10 mit einem Diffusorteil ausgebildet ist. Die Bodenfläche des Hauptkegels 9 ist mit Bohrungen 31 versehen. Die Einsatzdüse 10, in Form einer Lavaldüse, besitzt einen engsten Düsenquerschnitt 35.
Dieses entlastete Einsitzventil funktioniert wie folgt: Bei geöffnetem Vorhubventil 7 wird der Raum 19 des Hauptventils über die Bohrungen 21 mit der Mischkammer 29 verbunden.
Der in dieser Mischkammer 29 herrschende mitt lere Druck p. stellt einen Mittelwert des über die Ventilbodenfläche 14 integrierten Druckes p = F (R) dar; denn die Ausgleichsöffnungen 31 im Ventilbo den 16 sind derart angeordnet und dimensioniert, dass in jedem Betriebszustand die Beziehung
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mit RS als Sitzradius des Ventilkegels 9 mindestens annähernd gültig ist.
Durch Öffnungen oder Bohrungen 31 entsteht eine Ausgleichströmung in die und aus der Misch kammer 29 derart, dass sich in dieser ungefähr über all ein gleicher mittlerer Druck pE einstellt. Die sehr unterschiedlichen Druckfelder auf der Aussenfläche des Bodens 16 werden durch diese Bohrungen 31 über die Kammer 29 miteinander verbunden. Die Bohrungen 31 beeinflussen die Strömung durch das Ventil nicht merklich.
Wie auch während der verschiedenen Regulier- phasen und Betriebsbedingungen die Druckfelder auf dem Boden 16 verlaufen mögen: es wirkt stets eine der Kraft dieser Drücke entsprechende Schliesskraft auf den Entlastungskolben 33, da im Hohlraum 19 ebenfalls der Druckmittelwert pE herrscht.
Genaue Untersuchungen und durchgeführte Mes- sungen an einem entlasteten Einsitzventil gemäss den Fig. 1 und 2 haben gezeigt, dass in einem Einsitzven- til mit einem Diffusoreinsatz gemäss der Einsatzdüse 10 mit günstiger Strömungsführung eine Strömung wie in einer Lavaldüse mit dem dort bekannten Druckverlauf erzeugbar ist.
In Fig. 3 ist der Druck verlauf längs der äusseren Bodenfläche 14 des Hauptkegels 9 über den Radius R und längs der Achse des Diffusoreinsatzes 10 für verschiedene Ventilhübe und Gegendrücke aufgetragen.
In Fig. 3 sind drei mit a-a" a-a, und a-a, be zeichnete, mögliche Druckverläufe bei vollem Hub des Hauptkegels 9 dargestellt.
Im Diagramm bezeich nen: p" = Druck in der Kammer 15 der Zuströmseite paI, _ ss . p" :kritisches Druckverhältnis p";,p,b;:
Werte von Gegendrucken pc Bei ganz geöffneter Lage des Hauptkegels 9 be findet sich der engste Querschnitt im Strömungskanal an der Stelle des engsten Düsenquerschnittes 35, im sog. Diffusorhals. Bei genügend tiefem Gegendruck pG am Austritt der Diffursordüse 10 entsteht an die ser Stelle des Querschnittes 35 eine Strömung, welche Schallgeschwindigkeit aufweist. In ihr herrscht der kritische Druck ss . po.
Wenn der Gegendruck pG unter diesen kritischen Druck p"K fällt, so ändert die Druckverteilung am Hauptkegel 9 des Ventiles nicht, da, ungeachtet der Grösse dieses Gegendruckes p.,,x im engsten Düsen querschnitt 35 Schallgeschwindigkeit herrscht.
Sinkt der Gegendruck pG unter den kritischen Druck p.,i;, so entsteht an irgendeiner Stelle in der Diffusordüse 10, welche strömungsmässig nach dem engsten Düsenquerschnitt 35 liegt, ein Verdichtungs- stoss, wie dies die Kurvenverläufe a1, a2 und a3 bei spielsweise zeigen.
Bei kleineren Ventilhüben liegt dagegen die eng ste Stelle des Strömungskanals zwischen dem Haupt kegel 9 und der Einsatzdüse 10, beispielsweise am Hauptkegel 9 auf dem Radius R1.,.
Auch hier ergeben sich entsprechende Druckver- laufkurven b,<B>h -b" b</B> -b" b-b2, b-b" und<B>b</B> -b" wobei bei kritischem Gegendruck pbli gerade Schall geschwindigkeit an dieser engsten sich mit dem Öff nungshub verschiebenden Stelle herrscht. Bei sehr tiefem Gegendruck pG stellt sich im ganzen Diffusor eine Überschallströmung mit einem, der Linie b ent sprechenden Druckverlauf ein.
Steigt der Gegendruck pG dagegen an, dann wan dert ein Verdichtungsstoss in den Diffusor hinein.
Bei einem Druck PG = pbo gelangt dieser Ver- dichtungsstoss an die engste Stelle des Diffusorhalses. Solange der Gegendruck pe, kleiner ist als dieser kri tische Druck an der engsten Stelle Pb", hat der Ge gendruck pG keinen Einfluss auf die Druckverteilung am Ventilkegelboden des Hauptkegels 9.
Steigt dage gen der Gegendruck pG über den kritischen Wert Pb" dann läuft der Verdichtungsstoss über die Ven tilkontur mit zunehmendem Gegendruck allmählich gegen die engste Stelle bei R1. In diesem Bereich entstehen bei Änderungen des Hubes oder Gegen druckes beträchtliche Änderungen des Druckverlau- fes am Boden des Hauptkegels 9 und damit ergeben sich entsprechende Änderungen der nach oben am Ventil angreifenden Druckkräfte. Insbesondere kann man ohne die <RTI
ID="0003.0005"> erfindungsgemässe spezielle Ausbil dung und Anordnung der Bohrungen 31 in der Bodenfläche des Hauptkegels 9 keine Stelle am Hauptkegel 9 finden, die für alle Betriebszustände einen eindeutig zugeordneten, tiefsten oder höchsten Druck definiert.
Aus diesem Grunde genügt es nicht, wie dies schon versucht wurde, Ausgleichsbohrungen in die Bodenfläche eines entlasteten Ventils zum Durchtritt des Mediums vorzusehen. Wenn diese Bohrungen nicht im erfindungsgemässen Sinne ausgeführt wer den, so lässt sich der der vorliegenden Erfindung zu grundeliegende Zweck nicht erfüllen.
Sofern aber die Bohrungen 31 derart ausgeführt werden, dass mindestens annähernd die Beziehung
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herrscht, so kann bei gleichzeitig optimaler Entla stung des Ventils erreicht werden, dass die Dampf kräfte auf den Hauptkegel 9 in allen Betriebszustän den des Ventils eine eindeutig nach unten gerichtete Kraft ergeben, womit der gewünschte Kraftschluss zwischen der Ventilspindel 5 und dem Hauptkegel 9 in allen Regulierphasen erreicht wird.
Dieser opti male Entlastungszustand, bei welchem angestrebt wird, stets eine positive geringe, möglichst gleichmäs- sige Schliesskraft zu erhalten, stellt sich selbst bei Überschallströmung und Druckstössen ein, sofern beim Ausführen der Bohrungen 31 im vorbeschrie- benen Sinne diesen Phänomenen Rechnung getragen wird.
Im Gegensatz dazu trägt eine bekannte Ausfüh rung eines entlasteten Einsitzventiles z. B. dem Auf treten von Druckstössen nicht Rechnung, welche z. B. in der Ventilbodenmitte auftreten und welchen keine Möglichkeit geboten wird, die diesem Druck- stoss entsprechende Schliesskraft durch Ausgleich zu erzeugen, wie das in jedem Falle die beschriebene Konstruktion sicherstellt. Kräftemessungen an einem derart beschaffenen Ventil haben ergeben, dass der Entlastungsdruck ge- mäss der vorerwähnten Beziehung tatsächlich ange nähert erreicht wird.
Für das bei den Versuchen ver wendete Ventil wurden die Bohrungen 31 auf kon zentrischen Kreisen angeordnet, wobei die Zahl der Bohrungen auf den einzelnen Kreisen dem Durch messer des betreffenden Lochkreises proportional gewählt wurde. Wichtig ist dabei, dass die äussersten Bohrungen möglichst nahe an den Dichtkreis heran kommen.
Anstelle eines entsprechend bearbeiteten Haupt kegels 9 wäre es natürlich auch möglich, einen ent sprechenden Siebboden aus regelmässig perforiertem Blech in einen Ventilkörper einzuschweissen.
Relieved single-seat valve The present invention relates to a balanced single-seat valve with a main valve body and a valve body rigidly connected to the valve spindle, the base of the main valve body being provided with openings for the passage of medium from the flow side into a mixing chamber and vice versa.
There are known single-seat valves with relief by pressure compensation, with a main closing piece formed as a pipe slide and a seat arranged in a transverse wall of the main closing piece for a pre-stroke valve closing piece firmly connected to the valve spindle and with a plate-shaped screen wall firmly attached to the spindle end protruding beyond the pre-stroke valve, which with the main locking piece forms an annular space,
which annular space is connected to the outflow space of the valve by means of media pressure to prevent the main closure piece from fluttering during the opening movement by generating a force fit between the main closure piece and the screen wall.
It is also part of the state of the art to provide bores for the passage of the medium in the bottom surface of the screen wall of a relieved valve, which ensure the compensation of compressive forces over the bottom surface of the screen wall.
However, since there is no point on the valve body in these versions that can be assigned a clearly lowest or highest pressure value for all operating states, this proposed solution does not allow the rattle of the valve to reliably prevent the rattle of the valve across the entire regulatory area.
A relieved steam turbine valve is known which has a longitudinal bore and at least one transverse bore in the valve spindle for pressure compensation. Such bores require extremely heavy valve spindles, as these are significantly weakened by the bores mentioned.
Another known solution provides a special piston for equalization; however, this solution to the problem is very expensive, so that it has not been accepted into practice.
The present invention aims to create a safe connection between the pilot valve and the main valve of a relieved single-seat valve that acts over the entire control range.
The inventive measure is that the openings are designed in terms of arrangement in the bottom of the valve body and in terms of size such that in operation in each open valve position at least approximately the product of the mean pressure of the medium in the mixing chamber and the area of the relief chamber facing Relief piston is equal to the product of local pressure and the associated surface element of the floor surface integrated over the floor surface facing the flow, the whole thing in such a way that the two valve bodies are pressed against each other by the pressure of the operating medium in the entire area of the flow operation of the valve with optimal valve relief will.
An embodiment of the subject matter of the invention will then be explained with reference to the drawing. It shows: FIG. 1 a schematic sectional illustration through the longitudinal axis of a relieved single-seat valve; FIG. 2 shows a view from the flow side of the main cone of the valve according to FIG. 1; 3 Pressure curve curves for different valve lifts as a function of the location of the relieved single-seat valve according to FIGS. 1 and 2, for different operating states.
The housing 1 of a relieved single-seat valve according to FIGS. 1 and 2 carries a valve attachment 3 in which a valve spindle 5 is guided. It is rigidly connected to a Vorhubventilkörper 7 in a Hauptke gel 9.
When the valve closes, the main cone 9 and the pre-stroke valve body 7 are pressed by the valve spindle 5 onto their seats 11 and 13, and close the flow from an inflow space 15 to an outflow space 17. The pressure of the operating medium in the cavity 19 supports the closing end Valve force.
When the valve is opened, the prelift valve body 7 is first raised until it comes to seat on the annular surface 25 of a relief piston 33 in the main cone 9 and now takes the main cone with it. This is relieved as soon as the prelift valve body 7 begins the prelift, the connec tion of the cavity 19 to the outflow space 17 is free.
The Vorhubventilkörper 7 includes an insert 12, which is fixed in the main cone 9, while the Ven tilsitz to the main cone 9 is designed as an insert nozzle 10 with a diffuser part. The bottom surface of the main cone 9 is provided with bores 31. The insert nozzle 10, in the form of a Laval nozzle, has a narrowest nozzle cross section 35.
This relieved single-seat valve works as follows: When the pre-stroke valve 7 is open, the space 19 of the main valve is connected to the mixing chamber 29 via the bores 21.
The mean pressure p prevailing in this mixing chamber 29. represents a mean value of the pressure p = F (R) integrated over the valve bottom surface 14; because the compensation openings 31 in the valve base 16 are arranged and dimensioned in such a way that the relationship in every operating state
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with RS as the seat radius of the valve cone 9 is at least approximately valid.
A compensating flow into and out of the mixing chamber 29 is created through openings or bores 31 in such a way that an equal average pressure pE is established in it approximately over all. The very different pressure fields on the outer surface of the base 16 are connected to one another through these bores 31 via the chamber 29. The bores 31 do not noticeably affect the flow through the valve.
Whatever the course of the pressure fields on the base 16 during the various regulating phases and operating conditions: a closing force corresponding to the force of these pressures always acts on the relief piston 33, since the mean pressure value pE also prevails in the cavity 19.
Exact investigations and measurements carried out on a relieved single-seat valve according to FIGS. 1 and 2 have shown that in a single-seat valve with a diffuser insert according to the insert nozzle 10 with favorable flow guidance, a flow like in a Laval nozzle with the pressure profile known there can be generated .
In Fig. 3 the pressure is applied along the outer bottom surface 14 of the main cone 9 over the radius R and along the axis of the diffuser insert 10 for different valve lifts and counter pressures.
In Fig. 3, three with a-a "a-a, and a-a, be recorded, possible pressure curves at full stroke of the main cone 9 are shown.
In the diagram denote: p "= pressure in chamber 15 on the inflow side paI, _ ss. P": critical pressure ratio p ";, p, b ;:
Values of back pressures pc When the main cone 9 is completely open, the narrowest cross section in the flow channel is at the point of the narrowest nozzle cross section 35, in the so-called diffuser neck. If the back pressure pG is sufficiently low at the outlet of the diffuser nozzle 10, a flow which has the speed of sound is created at this point in the cross section 35. The critical pressure ss prevails in it. po.
If the back pressure pG falls below this critical pressure p "K, the pressure distribution at the main cone 9 of the valve does not change, since regardless of the size of this back pressure p 1, x in the narrowest nozzle cross-section 35 the speed of sound prevails.
If the back pressure pG falls below the critical pressure p., I ;, a compression surge occurs at any point in the diffuser nozzle 10, which is downstream of the narrowest nozzle cross section 35 in terms of flow, as shown by the curves a1, a2 and a3, for example .
With smaller valve lifts, however, the narrowest point of the flow channel is between the main cone 9 and the insert nozzle 10, for example on the main cone 9 on the radius R1.
Corresponding pressure curve curves b, h -b "b" -b "b-b2, bb" and <B> b </B> -b "are also obtained here, with just sound at critical back pressure pbli speed prevails at this narrowest point that is shifted with the opening stroke. At very low back pressure pG, a supersonic flow with a pressure curve corresponding to line b is established throughout the diffuser.
If, on the other hand, the back pressure pG increases, then a compression surge moves into the diffuser.
At a pressure PG = pbo, this compression surge reaches the narrowest point of the diffuser neck. As long as the counter pressure pe, is less than this critical pressure at the narrowest point Pb ″, the counter pressure pG has no influence on the pressure distribution at the valve cone base of the main cone 9.
If, on the other hand, the back pressure pG rises above the critical value Pb ", the compression shock gradually runs across the valve contour with increasing back pressure towards the narrowest point at R1. In this area, changes in the stroke or back pressure cause considerable changes in the pressure curve on the ground of the main cone 9 and thus result in corresponding changes in the pressure forces acting upward on the valve. In particular, without the <RTI
ID = "0003.0005"> according to the invention, special training and arrangement of the bores 31 in the bottom surface of the main cone 9 does not find a point on the main cone 9 that defines a clearly assigned, lowest or highest pressure for all operating states.
For this reason it is not sufficient, as has already been attempted, to provide compensation bores in the bottom surface of a relieved valve for the medium to pass through. If these bores are not executed in the sense of the invention, the purpose on which the present invention is based cannot be fulfilled.
If, however, the bores 31 are designed in such a way that at least approximately the relationship
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prevails, it can be achieved with optimal relief of the valve at the same time that the steam forces on the main cone 9 in all operating states of the valve result in a clearly downward force, with the desired frictional connection between the valve spindle 5 and the main cone 9 in all Regulation phases is reached.
This optimal relief state, in which the aim is always to obtain a positive, low closing force that is as uniform as possible, occurs even with supersonic flow and pressure surges, provided that these phenomena are taken into account when executing the bores 31 as described above.
In contrast, carries a known Ausfüh tion of a relieved single-seat valve z. B. the occurrence of pressure surges not account, which z. B. occur in the middle of the valve base and which are not given the opportunity to generate the closing force corresponding to this pressure surge through compensation, as is ensured in each case by the construction described. Force measurements on a valve designed in this way have shown that the relief pressure is actually reached in accordance with the aforementioned relationship.
For the valve used in the tests, the bores 31 were arranged on concentric circles, the number of bores on the individual circles being chosen to be proportional to the diameter of the hole circle concerned. It is important that the outermost holes come as close as possible to the sealing circle.
Instead of a correspondingly processed main cone 9, it would of course also be possible to weld a corresponding sieve tray made of regularly perforated sheet metal into a valve body.