-
Die Erfindung betrifft einen Kugelhahn für die Drosselung eines Medienstromes, bestehend aus einem Ventilgehäuse mit gegenüberliegenden Ein- und Austrittsrohrstücken für den Medienstrom, zwischen denen zwei Kugelsitzringe mit Durchgangsöffnungen beabstandet und spiegelbildlich angeordnet sind und ein Lager für eine Ventilkugel ausbilden, wobei die Ventilkugel einen Durchgangskanal aufweist und um eine Achse senkrecht zu einer Längsachse des Durchgangskanals drehbar ist.
-
Kugelhähne sind Armaturen mit einer durchbohrten Ventilkugel als Absperrkörper.
-
In den meisten Fällen werden sie als Absperrhähne eingesetzt. Charakteristisch für einen Absperrhahn ist das vollständige Schließen innerhalb einer Drehung von 90°.
-
Man unterscheidet Kugelhähne mit vollem Durchgang, bei welchem die Bohrung in der Ventilkugel denselben Durchmesser hat wie die Innendurchmesser der Ein- und Austrittsrohrstücke bzw. wie die angeschlossenen Leitungen, oder mit reduziertem Durchgang. Zur Betätigung der Ventilkugel dient ein manueller oder motorischer Drehantrieb. Die Ventilkugel ist in Kugelsitzringen drehbar gelagert, mit koaxial zu den Ein- und Austrittsrohrstücken liegenden Durchgangsöffnungen. Die Kugelsitzringe weisen je nach Anwendungsfall unterschiedlich ausgebildete Lager für die Ventilkugel auf. Wie bei allen Industriearmaturen können auch Kugelhähne durch entsprechende Materialauswahl für die Ventilkugel, den Ventilkörper, die Kugelsitzringe, Dichtungen oder mit verschleißfesten Innenauskleidungen der Strömungswege sowie unterschiedlichsten Antriebsvarianten an den Einsatzzweck angepasst werden.
-
Kugelhähne mit zylinderförmigen Durchgangsöffnungen in den Kugelsitzringen und mit einem zylinderförmigen Durchlasskanal in der Ventilkugel werden bevorzugt für Absperrhähne benutzt, die nur für zwei Betriebsarten vorgesehen sind, nämlich für maximalen Durchfluss oder zur vollständigen Unterbrechung des Medienstromes (Auf/Zu-Charakteristik).
-
Es sind auch Kugelhähne mit Regelcharakteristik bekannt. Während bei Absperrhähnen mit Auf/Zu-Charakteristik die Kugelsitzringe und die Ventilkugel zylindrische Öffnungen aufweisen, besitzt beim Regelkugelhahn zumindest eines dieser beiden Hauptelemente eine abweichende Querschnittsform des Strömungskanals. Es sind beispielsweise Kugelhähne bekannt, bei denen der Eintrittsquerschnitt des Durchgangskanals auf der Strömungseintrittsseite der Ventilkugel einen sich in einer Drehrichtung der Ventilkugel erweiternden Querschnitt aufweist. Einen solchen gattungsgemäßen Kugelhahn beschreibt der Oberbegriff des ersten Anspruchs.
-
Häufig werden annähernd dreieckige Querschnitte verwendet. Derartig dreiecksähnliche Kanalquerschnitte verbessern die Regeleigenschaften bei teilweiser Hahnöffnung, wenn Kugelhähne zur Drosselung von Medienströmen, d.h. als Regel- oder Steuerarmaturen zur Einstellung bestimmter Durchflussraten eingesetzt werden. Durch geeignete Gestaltung der Durchgangsöffnungen in den Kugelsitzringen bzw. der Durchlasskanäle in den Ventilkugeln lassen sich beliebige Regelcharakteristiken erzeugen, u.a. auch die häufig bevorzugte "gleichprozentige Ventilcharakteristik".
-
Bei der Öffnung eines solchen Kugelhahns wird zunächst eine Spitze des dreiecksähnlichen Querschnittes des gesamten Kanals in den Strömungsweg gedreht und bei weiterem Drehen der Ventilkugel nimmt dann der offene Querschnitt überproportional zum Drehwinkel zu. Auf diese Weise wird eine leichtere Einstellbarkeit von geringeren Volumenströmen angestrebt.
-
Aus der
CN 203 718 005 U ist ein Kugelhahn mit „double-V“-förmigem Durchgangskanal bekannt, dessen Querschnitt eine Dreieckskontur mit konkaven bogenförmigen Seitenlinien ergibt.
-
Aus der
CN 204 114 213 U ist ein ähnlich gestalteter Kugelhahn bekannt, dessen Durchgangskanal eine Querschnittskontur aufweist, die einem gleichschenkligen Dreieck mit gerundeter Spitze und gegenüberliegender konvex gekrümmter Dreieckslinie gleicht.
-
Der Nachteil der bekannten dreiecksähnlichen Durchgangskanalquerschnitte bei Feststoff beladenen Mehrphasenströmungen, beispielsweise Kohlestaubträgergasströmen, besteht darin, dass der Ventilkugelverschleiß durch abrasiven Abtrag auf der Einströmseite sehr hoch ist und das Drosselverhalten des Kugelhahns dadurch verändert wird. Weiterhin ist das Regelverhalten des Kugelhahns trotz des angepassten Kanalquerschnittes insbesondere bei kleinen Öffnungswinkeln an der Einlaufdrosselstelle verbesserungs-würdig.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kugelhahn mit Regelcharakteristik zu schaffen, dessen Verschleiß im Kontakt mit abrasiven Medien gegenüber dem bekannten Stand der Technik reduziert ist und dessen Drosselverhalten insbesondere bei kleineren Öffnungswinkeln des Kugelhahns verbessert ist.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Kugelhahn gelöst, dessen Durchgangsöffnungen (8) und Ein- und Austrittsquerschnitte des Durchgangskanals zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Drosselstellen ausbilden. Zweckmäßige Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Als Drosselstellen werden Verengungen des Strömungsquerschnitts oder Änderungen im Strömungsquerschnitt angesehen, welche zu Druckverlusten in der Strömung führen. Die beiden Drosselstellen können in verschiedenen Designs mittels unterschiedlicher Relationen zwischen Durchgangsöffnungen und Durchgangskanal ausgebildet werden.
-
Die Drosselstellen sind bei der vorgeschlagenen Lösung nicht nur durch bloße drehwinkelabhängige Verengung der offenen Strömungsquerschnittsflächen an den beiden Übergangsstellen Kugelsitzring/Ventilkugel und Venilkugel/Kugelsitzring gebildet, sondern jeweils eine der beiden Querschnittsflächen, die an den Drosselstellen zusammentreffen, erweitert sich in einer Drehrichtung und bildet vorzugsweise eine dreiecksähnliche Form. Die Dreiecksform kann entweder durch die Durchgangsöffnungen der Kugelsitzringe als auch durch den Durchgangskanal in der Ventilkugel gebildet sein.
-
Der positive Einfluss der Dreiecksform auf das Regelverhalten des Kugelhahns ist dann am größten, wenn der Dreiecksquerschnitt (bei vollständiger Ventilöffnung, d.h. Drehwinkel 90°) innerhalb des Kreisquerschnittes des jeweils angrenzenden Querschnittes liegt.
-
Prinzipiell fällt aber auch jede andere Drosselstellengestaltung in den Schutzbereich, bei der der Dreiecksquerschnitt bzw. der sich in Drehrichtung erweiternde Querschnitt bei vollständiger Ventilöffnung vom angrenzenden Kreisquerschnitt teilweise verdeckt bzw. reduziert ist oder wenn die Größe der Querschnitte an der Ein- und Austrittsdrosselstelle unterschiedlich ist.
-
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Drosselstellen mit einem sich in einer Dreh-richtung der Ventilkugel erweiternden Querschnitts des Durchgangskanals auf der Eintrittsseite und auf der Austrittsseite gebildet, in einer anderen Ausführungsform weisen die Durchgangsöffnungen der Kugelsitzringe einen solchen dreiecksähnlichen Querschnitt auf. Die erste Variante hat bei der Drehbewegung der Ventilkugel zur Folge, dass beim Öffnen des Kugelhahns auf beiden Seiten der Ventilkugel die Verjüngung des Querschnitts des Durchgangskanals in den Strömungsweg einschwenkt, d.h. auf beiden Seiten wird der gleiche Strömungsquerschnitt freigegeben, so dass eine wirksame Drosselung daher auf beiden Seiten der Ventilkugel erfolgt.
-
In der alternativen Variante werden die Durchgangsöffnungen Kugelsitzringe dreiecksähnlich gestaltet und der Durchgangskanal zylindrisch, sodass nun in umgekehrter „Paarung“ die erfinderischen beiden Drosselstellen des Kugelhahns realisiert werden. Die Feinanpassung der Regelcharakteristik ist durch Designmodifikationen der Durchgangsöffnungen konstruktiv am einfachsten realisierbar, da der Größe und Form des Durchgangskanals durch die Ventilkugel engere Grenzen gesetzt sind.
-
Der vorgeschlagene Kugelhahn hat den Vorteil, dass er nicht nur eine, sondern zwei Drosselstellen mit vorzugsweise gleichem Strömungsquerschnitt besitzt, so dass der für eine Drosselung erforderliche Druckabfall auf zwei Querschnittseinschnürungen verteilt wird, wodurch sowohl der Verschleiß an den Drosselstellen verringert wird als auch die Stabilität der gedrosselten Strömung, insbesondere bei Mehrphasenströmungen, verbessert wird.
-
Die dafür verwendbaren und nachfolgend sowie in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Formen, Größen und Konturen der Durchgänge des Kugelhahns sind in sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und im Sinne der Erfindung modifizierbar. So können die Durchgangsöffnungen der Kugelsitzringe und/oder der Querschnitt des Durchgangskanals die verschiedensten Formen haben, welche die beschriebene, in Drehrichtung der Ventilkugel betrachtete Querschnittserweiterung aufweisen, wie beispielsweise Dreiecksformen mit den bekannten Abwandlungen. Auch eine Trapezform oder Kreis- bzw. Kreisringsegmente oder freie Formen sind möglich. Entsprechend optionaler Ausgestaltungen sind diese bei Ausbildung eines Drosselpaares auf der Eintritts- und Austrittsseite, in Strömungsrichtung betrachtet, so angeordnet, dass die Querschnittsflächen entgegengesetzt orientiert sind.
-
Im Folgenden soll die vorgeschlagene Lösung beispielhaft erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen stellen dabei dar:
-
1: Schnitt- und Außenansichten des Kugelhahns mit erfindungsgemäßem Durchlasskanal
-
2: Schnittdarstellungen der Ventilkugel mit erfindungsgemäßem Durchlasskanal in drei Ebenen
-
3: Schnitt- und Außenansichten des Kugelhahns mit erfindungsgemäßen Kugelsitzringen
-
4: Schnittdarstellung der Ventilkugel und der Kugelsitzringe in drei Ebenen
-
Wie aus der 1 ersichtlich und allgemein bekannt ist, besteht ein Kugelhahn aus einem Ventilgehäuse 1 mit gegenüberliegenden Eintrittsrohrstück 2 und Austrittsrohrstück 3 für den zu beeinflussenden Medienstrom, zwischen denen zwei Kugelsitzringe 4 mit Durchgangsöffnungen 8 beabstandet und spiegelbildlich angeordnet sind und ein Lager für eine Ventilkugel 5 ausbilden, wobei die Ventilkugel 5 einen Durchgangskanal 6 aufweist und um eine Achse 7 senkrecht zu einer Längsachse des Durchgangskanals 6 drehbar ist (dargestellt durch einen Pfeil). Die Darstellung des Aufbaus erfolgt hier nur schematisch. Es ist bekannt, dass die Kugelhahnkomponenten auf verschiedenartigste Weise in Abhängigkeit vom Verwendungszweck gestaltet sein können. Es liegt ebenso im Rahmen der Erfindung, wenn der Kugelhahn über mehrere Zu- oder Abläufe verfügt oder der Durchgangskanal abgewinkelt oder T-förmig ausgebildet ist.
-
Üblicherweise bilden das Eintrittsrohrstück 2, das Austrittsrohrstück 3, die Durchgangsöffnungen der Kugelsitzringe 4 und der Durchgangskanal 6 bei geöffnetem Kugelhahn einen unterbrechungsfreien Strömungsweg entlang einer gemeinsamen Längsachse.
-
Die Durchgangsöffnungen und der Durchgangskanal 6 bilden zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Drosselstellen aus.
-
Eine erste Ausführungsform der vorgeschlagenen Lösung stimmt mit den bekannten Kugelhähnen darin überein, dass der Durchgangskanal 6 einen dreiecksähnlichen Querschnitt aufweist, der sich in einer Drehrichtung der Ventilkugel 5 erweitert. Alternativ können auch andere geeignete Querschnittsformen verwendet werden. Das heißt, dass eine Spitze (Ecke) des Dreiecks in der Drehebene der Ventilkugel 5 liegt und die gegenüberliegende Dreiecksseite senkrecht zur Drehebene ausgerichtet ist (2).
-
Die bekannten dreieckigen Durchgangskanäle sind allerdings von prismatischer Art, d.h. die Ein- und Austrittskontur des Durchgangskanals 6 sind bzgl. ihrer Ausrichtung und Größe identisch. Dies hat aufgrund der Drehbewegung der Ventilkugel 5 den Nachteil, dass beim Öffnen des Kugelhahns auf einer Seite der Ventilkugel 5 die Dreiecksspitze des Durchgangskanals 6 in den Strömungsweg einschwenkt und auf der entgegengesetzten Seite die gegenüberliegende Dreieckseite einschwenkt, d.h. auf einer Seite wird der gewünschte kleine Strömungsquerschnitt freigegeben, während auf der anderen Seite der größere Querschnitt entlang einer Dreiecksseite freigegeben wird. Eine wirksame Drosselung erfolgt daher bei den bekannten Kugelhähnen mit dreieckigem Querschnitt nur auf einer Seite der Ventilkugel.
-
Die Besonderheit der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung besteht nun darin, dass der Eintrittsquerschnitt und der Austrittsquerschnitt des Durchgangskanals 6 identische und in einer Drehrichtung gleich orientierte dreiecksähnliche Flächen bilden (1 und 2). Die Querschnittsfläche des Durchgangskanals 6 ist dabei vorzugsweise kleiner als die Querschnittsfläche der Durchgangsöffnungen 8.
-
Dies führt dazu, dass auf beiden Seiten der Ventilkugel 5 beim Öffnen des Kugelhahns zunächst die Spitze des Querschnittsdreiecks einschwenkt und bei weiterem Drehen der Ventilkugel 5 sich der offene Dreiecksquerschnitt in Richtung auf die gegenüberliegende Seite des Dreiecks erweitert, wobei der Flächenzuwachs mit größer werdendem Drehwinkel überproportional zunimmt. Die Dreiecksform ermöglicht ein genaueres Einstellen geringerer Volumenströme. Anstelle identischer Flächen sind hier auch wieder Modifikationen in Form und Größe der Flächen möglich.
-
Dabei liegt es außerdem im Ermessen des Fachmannes, zur Optimierung des gewünschten Drosselverhaltens das sich in einer Drehrichtung dreiecksartig erweiternde Querschnittsprofil des Durchgangskanals 6 zu modifizieren, wie beispielsweise Ecken abzurunden oder die Kanalseitenwände konkav bzw. konvex zu gestalten, um sie etwa der Innenkontur der Ein- und Austrittsrohrstücke 2, 3 anzupassen, wodurch turbulenzfördernde Querschnittssprünge reduzierbar sind. Auch ein trapezähnlicher Kanalquerschnitt soll hier unter den Begriff „dreiecksartig“ fallen.
-
Von Vorteil für die strömungstechnischen Eigenschaften des Durchgangskanals 6 und zur Reduzierung von Verschleiß ist es, wenn die Kontur des Durchgangskanals 6 gemäß den 1 und 2 an der Eintrittsseite kontinuierlich in die Kontur an der Austrittsseite übergeht.
-
Bei der Fertigung eines derartigen Durchgangskanals 6 kann ein generatives Fertigungs-verfahren für die Ventilkugel 5, wie Lasersintern oder 3D-Druck, eine kostengünstige Alternative gegenüber konventionellen spanenden Fertigungsverfahren sein.
-
Eine zweite Ausführungsform des Regelkugelhahnes mit zwei hintereinandergeschalteten Drosselstellen hat vergleichbare Vorteile bezüglich Strömungs- und Verschleißverhalten wie das oben beschriebene Design und stellt aufgrund einer einfacheren Fertigung eine kostensparende alternative Ausführung dar:
Es wird eine "Standardkugel" mit zylindrischem Durchlasskanal 6 vorgesehen.
-
Die Kugelsitzringe 4 an der Ein- und Austrittsseite weisen – wie üblich – eine kugelkalottenförmig gerundete Kontaktfläche zur Standardkugel mit zylinderförmigen Durchgangskanal 6 auf. Anstelle der üblichen zylindrischen Durchgangsöffnungen 8 in den Kugelsitzringen 4 ist nunmehr jedoch jeweils eine Durchgangsöffnung 8 mit Regelkontur, zum Beispiel mit der schon für die Ventilkugel 5 beschriebenen Dreieckskontur vorgesehen. Diese Abwandlung der zugrundeliegenden erfinderischen Idee ist in den 3 und 4 dargestellt.
-
Die modifizierten Kugelsitzringe 4 werden mit in Drehrichtung entgegengesetzt orientierten Durchgangsöffnungen 8 so eingebaut, dass beim Öffnen des Kugelhahnes beide Dreiecksspitzen gleichzeitig für den Medienstrom freigegeben werden. Dafür ist lediglich der Einbau identischer Kugelsitzringe 4 in spiegelbildlicher Anordnung erforderlich.
-
Durch geeignete Markierungen oder Nut/Feder-Paarungen an den Kugelsitzringen 4 und am Ventilgehäuse 1 wird die korrekte Anordnung der Kugelsitzringe 4 bei der Montage erzwungen. Die Außenkonturen der Querschnittsflächen der Durchgangsöffnungen 8 sind vorzugsweise kleiner als die Querschnittsfläche des Durchgangskanals 6.
-
Unabhängig von der konkreten baulichen Ausbildung der Drosselstellen besteht das Grundprinzip der vorgeschlagenen Lösungsvariante in den (aus der Sicht eines Betrachters auf der Ein- oder Austrittsseite des geöffneten Kugelhahns) entgegengesetzt orientierten Querschnittskonturen an den Drosselstellen. Auf diese Weise wird ein gleichsinniges Zu- oder Abnehmen des offenen Strömungsquerschnittes auf beiden Ventilkugelseiten erreicht. An den so geschaffenen zwei Drosselstellen liegen gleiche geometrische Verhältnisse vor, vergleichbar mit einem zweifachen Drosselschieber.
-
Eine Drosselung von Fluidströmen, die statt mit einer Querschnittseinschnürung nunmehr mit zwei nacheinander folgenden Drosselstellen erzielt wird, reduziert die dynamische Beanspruchung der Drosselstellen und deswegen den Verschleiß am Kugelkörper und verbessert die Regeleigenschaften des Kugelhahns, indem turbulenzbedingte Pulsationen der Strömung geglättet werden.
-
Der vorgeschlagene Kugelhahn ist insbesondere für den Einsatz in Kohlestaubfördereinrichtungen, beispielsweise innerhalb von Kohlevergasungsanlagen, vorgesehen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Ventilgehäuse
- 2
- Eintrittsrohrstück
- 3
- Austrittsrohrstück
- 4
- Kugelsitzring
- 5
- Ventilkugel
- 6
- Durchgangskanal
- 7
- Achse
- 8
- Durchgangsöffnung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- CN 203718005 U [0009]
- CN 204114213 U [0010]
