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Die
Erfindung betrifft ein Drehkegelventil zur Regelung des Durchflusses
gasförmiger
Stoffströme gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1
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Stand der Technik
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Zur
Minderung der aus dem Drosselprozeß emittierten Schalleistung
sind prinzipiell zwei Maßnahmen
gebräuchlich,
primäre,
die die Schallemission des Drosselvorganges mindern und sekundäre, die
die Ausbreitung bereits erzeugter Schallemission in die Rohrleitung
behindern.
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Bekannt
sind verschiedene Konstruktionen zur Schallminderung in Regelventilen,
deren Kegel in axialer Richtung gestellt werden. Ihre geradlinige Stellbewegung
ermöglicht
optimale Anpassung der schallmindernden Funktionsteile direkt am
Regelquerschnitt. In Regelventilen deren Kegel kreisbogenlinig bewegt
werden, ist nur eine näherungsweise Anpassung
möglich.
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Aus
der
DE 198 41 215
A1 ist eine derartige Einrichtung bekannt, die als kalottenförmiger Strahlteiler
in den Sitzring integriert ist.
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Außerdem zeigt
das Firmenprospekt HP + HP vom Juni 1986 einen ähnlich wirkenden, strahl- und druckteilenden
Widerstandskörper.
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Andere
Strahlteilungen, die sich jedoch nicht direkt am Regelquerschnitt
befinden, sind aus dem Firmenprospekt Neles-Jamesbury vom Oktober
1992 bekannt.
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Aus
der
DE 10 2004
009 041 B3 ist eine Drosseleinrichtung bekannt, die vorwiegend
als sekundäre
Schalldämpfung
wirkt.
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Aus
der
DE 196 15888 C2 ist
auch bekannt, in Regelventilen mit einem axial verschiebbar angeordneten
konturierten Ventilkegel, anschließend an die engste Durchlaßöffnung,
die weiterführende Querschnittserweiterung
mit kranzartig angeordneten Nischen auszubilden.
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Bekannt
sind auch Armaturen, die ähnliche Merkmale
aufweisen wie der Gegenstand der Erfindung. Derartige Konstruktionen
sind dafür
konzipiert, eine Änderung
des Durchflußverhaltens
zu bewirken.
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Die
FR 2 712 953 A1 zeigt
eine Drosselklappe mit Einbauten zur Beeinflussung des Durchflusses
innerhalb eines teilweisen Öffnungsbereiches.
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Die
US 6 367 772 B1 zeigt
eine Drosselklappe mit profilierten Durchflußkanälen.
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Regelventile
mit axial verschieblichen Kegeln sind besonders dafür geeignet,
mittels konturierten Parabolkegeln oder beliebig perforierten Glockenkegeln
oder genuteten Zylinderkegeln vorgegebene Hub-Durchflußkennlinien
innerhalb des Ventils herzustellen. Durch das Hinzufügen schallmindernder
Bauteile werden die regelungstechnischen Kenngrößen wie z.B. Stellverhältnis und
Durchflußkennlinie
nur wenig beeinflußt.
Hohe Drücke
können
vorteilhaft reduziert und optimale Schallminderungen realisiert
werden.
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Bei
Regelventilen mit Drehkegeln ergibt sich die innere Kennlinie daraus,
daß die
jeweilige Konstellation des Kegels zum Sitzring und die daraus sich
ergebende Flächenänderung
des Drosselquerschnittes durch die bogenlinige Bewegung des exzentrisch
gelagerten Kegels bestimmt werden.
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Vorteile
der Drehkegelventile gegenüber
den Regelventilen mit geradlinig stellenden Kegeln sind die erheblich
größeren Stellverhältnisse
und die größeren spezifischen
Durchflußkennwerte:
Kvs/Nennweite.
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Durch
den Einsatz der bekannten schallmindernden Techniken gehen wesentliche
Vorteile des Drehkegelventils verloren. Der Einfluß der variablen Drossel
schwindet. Mit ansteigendem Hub wird der Gradient: Kvs/Hub immer
kleiner und der Durchflußwert
wird letztendlich nur noch vom Festwiderstand des schallmindernden
Bauelementes bestimmt. Die nachteilige Wirkung auf das Regelverhalten
zeigt sich besonders darin, daß die
Durchflußkennlinie
im oberen Bereich abflacht; dementsprechend sind Stellverhältnis und
Durchflußkennwert
Kvs auf einen Bruchteil ihres ursprünglichen Wertes reduziert.
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Aufgabenstellung
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Es
ist Aufgabe der Erfindung eine Schallminderung zu finden, die das
vorteilhafte Durchflußvermögen und
das Stellverhalten des Drehkegelventiles möglichst wenig verändert. Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Anspruches 1 dadurch gelöst, daß die schallmindernden Maßnahmen
in die thermodynamische Rückwandlung
des Gasstromes einwirken, ohne den Durchfluß übermäßig zu behindern. Der Ansatz
für die
erfindungsgemäße Lösung ergibt
sich aus der Analyse des Drosselprozesses:
Die Drosselung beginnt
mit einer Beschleunigung des Gasstromes in den verengten Querschnitt
der Drosselstelle. Die Beschleunigungsleistung wird aus der Enthalpie
des anströmenden
Gases bezogen. Die Geschwindigkeit steigt, Druck und Temperatur sinken.
In dieser Wegstrecke ist die Reibung niedrig; die Zustandsänderung
nahezu adiabat und emissionsfrei.
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In
der plötzlichen
Erweiterung hinter der Drosselstelle wird die Strömung verzögert; der
austretende Strahl zerfällt.
Die Vermischung mit dem umgebenden Medium beginnt an seinem Umfang.
Es entsteht ein Wirbelfeld das sich ausbreitend von außen nach
innen vergrößert. Durch
die Wandlung kinetischer Leistung mittels Verwirbelung und der damit
verbundenen Reibung wird Wärme
in das Gas zurückgeführt. Temperatur
und Druck steigen wieder an. Der Wiederanstieg des Druckes ist unvollständig; Ergebnis
des Drosselprozesses ist ein bleibender Druckverlust als Regelgröße.
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Die
Wirbelung erzeugt ein Schallfeld, dessen Intensität abhängig ist
von der Größe des Wirbelfeldes.
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Der
akustische Umwandlungsgrad η wird durch
die Vorgänge
in der Wandlungszone hinter dem engsten Querschnitt bestimmt; (VDMA-Einheitsblatt
24 422/1989).
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Die
Erfindung soll den thermodynamischen Wandlungsprozeß dahingehend
beeinflussen, daß der
akustische Umwandlungsgrad η gemindert
wird.
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Der
erfindungsgemäße Eingriff
in den Drosselprozeß besteht
darin, daß der
innere Umfang in dem erweiterten Durchflußkanal hinter der Drosselstelle
in viele Nischen gegliedert ist, damit der expandierende Strahl
von seinem Außenbereich
her nach innen intensiver fortschreitend verwirbelt und der thermodynamische
Wandlungsprozeß durch
erhöhte Reibung
gefördert
wird. Dadurch wird die Strömung gebremst
und die Auflösung
des Strahls beschleunigt. Die Reichweite des Strahlkernes und das
damit verbundene Wirbelfeld werden kleiner.
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Durch
versetzte Anordnung der Nischen kann die Reibung vermehrt und die
Wirkung verstärkt werden.
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Mit
einem vorwiegend zentral angeordneten Strömungsteiler, der den mit höherer Geschwindigkeit
strömenden
Strahlkern auflöst,
kann die Wirkung ebenfalls erhöht
werden. Der Strömungsteiler
besteht aus einer Nabe, die von Speichen in einem Ring gehalten
wird, kann aber auch von den Speichen allein gebildet werden.
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Insgesamt
müssen
alle im Verzögerungsweg durchströmten Querschnittsflächen größer sein
als die vollständig
geöffnete
Querschnittsfläche
der Drosselstelle. In der strömungsführenden
Wegstrecke der Verzögerungs-
und Wandlungszone soll der Wert des Verhältnisses Fläche(A)/Umfang(U) möglichst
klein sein; die Nischen sollen aber so gestaltet sein, daß sie von
der expandierenden Strömung
wirksam beaufschlagt werden. Dabei können die begrenzenden Konturen
der Nischen auch teilweise in die Projektion des Sitzringquerschnittes
hineinragen.
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Ein
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht
darin, daß sie
sich in bestehende Ausführungen
von Drehkegelventilen integrieren läßt. Das schallmindernde Bauteil
kann zugleich als Befestigungsmittel für den Sitzring dienen und gegen
den bisher üblichen
einfachen kreisrunden Haltering getauscht werden. Bestehende Ausführungen
von Drehkegelventilen gibt es sowohl in den normgemäßen Ventil-
als auch in den Kurzbaulängen.
Dies erfordert eine unterschiedliche Gestaltung der schallmindernden
Bauelemente.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ist
weniger schallmindernd als einer der bekannten strahl- und/oder druckteilenden
Eingriffe an der variablen Drosselstelle. Demgegenüber besteht
ihr Vorteil darin, daß eine,
für viele
Anwendungen ausreichende Minderung der Emission erreicht wird und
die regelungstechnischen Vorteile des Drehkegelventiles erhalten
bleiben. Sie ist vorwiegend wirksam bei relativ großer Öffnung der
variablen Drosselstelle und deshalb am besten geeignet bei der Regelung
relativ großer
Stoffströme.
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Vorteilhaft
ist auch der geringe bauliche Aufwand.
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Eine
andere Variante der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich dadurch, daß anstelle
des zentralen Strömungsteilers
ein vielfach strömungsteilender
Lochkörper
eingesetzt oder hinzugefügt
wird. Dies bietet sich an, wenn für die Regelung gegebene Größen, wie
z.B. Differenzdruck und Nennweite in ausreichendem Maße verfügbar sind.
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Anstelle
des Strömungsteilers
kann der Lochkörper
noch effektiver das Wirbelfeld einschränken. Entsprechend der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung
muß der
Widerstand des Lochkörpers
erheblich kleiner sein als der Widerstand der geöffneten variablen Drossel.
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Aus
der
DE 196 15888 C1 ist
unter anderem Oberbegriff eine ähnliche
strömungsführende Einrichtung
bekannt. Die Anwendung in einem Drehkegelventil ist neu. Der strömungstechnische
Unterschied besteht darin, daß in
der
DE 196 15888 C1 eine
ringförmige,
mit der Stellbewegung gleichgerichtete und den Kegel umschließende Strömung beschrieben
ist.
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Im
Drehkegelventil strömt
das Gas jedoch erst hinter dem Kegel und frei durch den gesamten Kreisquerschnitt
des Sitzringes in die Profilbuchse.
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Aus
der
FR 2 712 953 A1 ist
ein als Drosselklappe ausgeführtes
Regelventil bekannt. Der strömungstechnische
Unterschied zur Erfindung besteht darin, daß die Innenwand dieses Durchflußkanales sowohl
vor, als auch hinter der Drosselstelle profilierte Bereiche aufweist.
Die Innenwände
sind aber nur in Teilbereichen mit Nischen ausgestattet. Die Nischen
vor der Drosselstelle grenzen unmittelbar an die Außenkante
der Klappenscheibe und können
so registerartig geöffnet
werden. Diese Konstruktion und auch die nur teilweisen Nischen hinter
der Drosselstelle, sind lediglich zum Zweck der Strahlteilung und der
Beeinflussung der Durchflußcharakteristik
im anfänglichen Öffnungsbereich
konzipiert. Diese Maßnahmen
haben keinen Einfluß auf
den im Sinne der Erfindung wirksamen thermodynamischen Wandlungsprozeß.
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Die
US 6 367 772 B1 zeigt
eine Drosselklappe mit verschiedenen Profilierungen, die sowohl
der Erhöhung
der Durchflußleistung,
als auch einer Verbesserung der nachfolgenden Vermischung mit einem
zusätzlichen
Medium dienen. Diese Ausführung wirkt
bei der anfänglichen
Offenstellung der Klappenscheibe. Sie dient nicht der Schallminderung.
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Ausführungsbeispiele
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 Ein
Drehkegelventil mit einem in maximaler Offenstellung befindlichen
Kegel, dem Sitzring und einer erfindungsgemäßen Profilbuchse.
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2 Den
mit A-A gekennzeichneten Querschnitt durch das in 1 dargestellte
Ventil.
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3 Ein
Drehkegelventil wie in 1 jedoch mit einem in teilweiser
Offenstellung befindlichen Kegel und einem zusätzlichen Strömungsteiler 13.
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4 Den
mit B-B gekennzeichneten Querschnitt durch die Profilbuchse des
in 3 dargestellten Ventiles.
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5 Ein
Drehkegelventil wie in 1 jedoch mit einem in teilweiser
Offenstellung befindlichen Kegel und einem zusätzlichen Lochkörper 21.
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6 Eine
beispielhafte Ausführung
der in den 1, 3 und 5 befindlichen
Profilbuchse 7.
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7 der
mit C-C gekennzeichnete Querschnitt durch 6.
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8 Einen
Querschnitt durch eine beispielhafte Ausführung des Strömungsteilers 13.
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9 Die
Ansicht auf die beispielhafte Ausführung des Strömungsteilers 13.
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10 Die
beispielhafte Ausführung
eines strömungsteilenden
Lochkörpers 21.
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11 Ein
Drehkegelventil in Kurzbauform, mit einem in teilweiser Offenstellung
befindlichen Kegel 3, einem Sitzring 2, einer
Profilbuchse 17 und strömungsteilenden
Stäben 15.
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12 Den
mit D-D gekennzeichneten Querschnitt durch die Profilbuchse 17 des
in 11 dargestellten Ventils.
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13 Das
in 12 dargestellte Drehkegelventil in Verbindung
mit einer externen Profilbuchse 27 und strömungsteilenden
Stäben 15.
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14 Den
mit E-E gekennzeichneten Querschnitt durch die Profilbuchse 27 des
in 13 dargestellten Ventils.
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15 Das
in 11 dargestellte Drehkegelventil in Verbindung
mit einem externen Lochkörper 24.
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Die
in den 1, 3, 5, 11, 13 und 15 dargestellten
Drehkegelventile werden für
die Regelung gasförmiger
Stoffe eingesetzt. Das erfindungsgemäße Drehkegelventil ist für die Durchflußrichtung 30 geeignet.
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Zur
Drosselung des Gasstromes ist in einem Gehäuse 1 oder 11 eine
Sitzbuchse 2 zentrisch zur Mittenachse 20 der
Gehäuse 1 oder 11 befestigt.
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Der
variable Drosselquerschnitt 4 wird durch die Stellung des
Kegels 3 zur Sitzbuchse 2 bestimmt. In den 3, 5, 11, 13 und 15 sind die
Kegel in teilweiser und in 1 in ganzer
Offenstellung dargestellt.
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Der
Kegel 3 ist auf der Welle 10 befestigt, die in
einem Abstand zur Sitzbuchse 2 und in einem anderen Abstand
zur Mittenachse 30 gelagert ist.
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Die
Mitte 25 der kugelförmigen
Kalotte 5 ist dann deckungsgleich mit der Mittenachse 30 des Sitzringes 2,
wenn der Kegel 3, den Durchfluß absperrend, auf der Dichtkante 6 des
Sitzringes 2 aufliegt. Aufgrund der exzentrischen Lagerung
der Welle 10 kann der Kegel 3 nahezu reibungsfrei
abheben oder aufsetzen.
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Das
Gas strömt
durch den variablen Drosselquerschnitt 4 in die erfindungsgemäß gestaltete
Erweiterung.
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Ein
Ausführungsbeispiel
ist die in dem Drehkegelventil 1 befindliche
Profilbuchse 7. Bei der 1 dargestellten
maximalen Offenstellung des Kegels 3 strömt das Gas
nahezu unbeeinflußt
an diesem vorbei und durch den Sitzring 2 in die Profilbuchse 7.
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Die 7 und 8 zeigen
den Profilring 7 im einzelnen mit den kranzartig angeordneten
runden Nischen 8 und 9. In dieser Ausführung gibt
es zwei Stufen, deren Nischen 8 und 9 in einer
hälftigen Teilung
gegeneinander versetzt sind.
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Die
Form der Nischen kann auch anders, z.B. schlitzförmig, gestaltet sein. Am ausgangseitigen
Ende der Profilbuchse 7 befindet sich eine weitere Stufe 12,
die auch zur Aufnahme der zusätzlichen Strömungsteiler,
wie z.B. in 8, 9, 10 und 11 dargestellt,
dient.
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Der
Profilbuchsen 7 oder 17 sind durch Befestigungsmittel
mit dem Gehäuse 1 oder 11 verbunden.
Befestigungsmittel kann beispielsweise ein Außengewinde 32, wie
in 6 dargestellt, sein.
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Neben
ihrer strömungstechnischen
Funktion, kann die Profilbuchse zusätzlich als Haltering zum Festspannen
des Sitzringes 2 benutzt werden. Profilbuchse und Haltering
können
aber auch als separate Teile ausgeführt sein.
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Die 3 zeigt
ein Drehkegelventil mit Profilbuchse 7 und dem darin befestigten
Strömungsteiler 13.
Die 9 und 10 zeigen diesen Strömungsteiler 13 im
einzelnen. Diese Ausführung
hat ein Mittelteil 14 das mit Stäben 15 zentrisch in
einem Außenring 16 befestigt
ist. Der Außenring 16 ist
in die Stufe 12 des Profilringes 7 eingesetzt
und wird beispielsweise auch noch durch die Stäbe 15 in den radialen
Bohrungen 33 der Profilbuchse 7 fixiert. Bei größeren Nennweiten
sowie höheren
Beanspruchungen mag der Strömungsteiler 13 nicht
geteilt sein, sondern z.B. aus einem Formstück bestehen. Der Außenring
wird dann in gleicher Weise wie der Ring 22 des Lochkörpers mittels
der Stifte 31, oder mit Schrauben, in der Profilbuchse 7 befestigt.
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Die 5 zeigt
ein Drehkegelventil mit Profilbuchse 7 in der ein strömungsteilender
Lochkörper 21 mittels
zylindrischer Stifte 31 befestigt ist. Der beispielsweise
in 5 im einzelnen dargestellte Lochkörper 21 besteht
aus einem zur Profilbuchse 7 passenden Ring 22 mit
einem perforierten, vorzugsweise konischen Hut 23.
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In 11 ist
ein Drehkegelventil in Kurzbauform mit einer alternativen Lösung der
Profilbuchse und des Strömungsteilers
dargestellt. Die Profilbuchse 17 ist einstufig und der
Strömungsteiler
wird beispielsweise durch zwei oder mehr Speichen oder Stäben 15 gebildet.
Die Ausbildung der Profilbuchse 17 wird, je nach Größe und Bauform
des Drehkegelventiles unterschiedlich gestaltet. Form und Anzahl bzw.
Teilung der Nischen sind dem Verhältnis zwischen Länge und
Innendurchmesser der Profilbuchse 7 entsprechend angepaßt. Dabei
kann, wie aus den 11 und 12 ersichtlich,
die Umfangslinie des Profiles die Umfangslinie der Sitzöffnung teilweise überschneiden.
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Die
Kurzbaulänge
bietet nur den Raum für die
einfachere und naturgemäß etwas
weniger effektive Lösung
als die Ventilbaulänge.
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Durch
eine externe Profilbuchse 27, die hinter der Profilbuchse 17 des
Drehkegelventiles 11 zwischen den Flanschen 28, 29 des
Gehäuses
und der Rohrleitung eingespannt ist, wird die Wirkung verstärkt. In
der Profilbuchse 27 sind beispielsweise zusätzlich die
strömungsteilenden
Stäbe 15 vorhanden.
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Eine
besonders wirkungsvolle Kombination des in 11 dargestellten
Drehkegelventiles mit einem externen Lochkörper 24 zeigt die 13.
Der Lochkörper 24 hat
einen Flanschring 26, der zwischen die Flansche 28, 29 des
Ventils und der Rohrleitung eingespannt ist.
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- 1
- Gehäuse in Ventilbaulänge
- 2
- Sitzring
- 3
- Kegel
- 4
- Variable
Drosselstelle
- 5
- Kalotte
des Kegels
- 6
- Sitzkante
- 7
- Profilbuchse
- 8
- Nische
der Profilbuchse 7
- 9
- Nische
der Profilbuchse 7
- 10
- Welle
- 11
- Gehäuse in Kurzbaulänge
- 12
- Paßstufe der
Profilbuchse 7
- 13
- Strömungsteiler
- 14
- Mittelteil
des Strömungsteilers 13
- 15
- Stäbe des Strömungsteilers 13
- 16
- Flanschring
des Strömungsteilers 13
- 17
- Profilbuchse
- 18
- Nische
der Profilbuchse 17
- 19
- Nische
des Lochkörpers 26 bzw.
der Profilbuchse 27
- 20
- Mittenachse
der Gehäuse 1 bzw. 11
- 21
- Lochkörper
- 22
- Ring
des Lochkörpers 21
- 23
- Hut
des Lochkörpers 21
- 24
- Lochkörper mit
Flanschring
- 25
- Mittenachseder
Kalotte 5
- 26
- Flanschring
des Lochkörpers 24
- 27
- Externe
Profilbuchse
- 28
- Flansch
des Gehäuses 11
- 29
- Flansch
der Rohrleitung
- 30
- Durchflußrichtung
- 31
- Stifte
- 32
- Befestigungsmittel
der Profilbuchse 7 oder 17
- 33
- Radiale Öffnungen