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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckeinstellventil umfassend ein Gehäuse, das einen Fluidkanal mit zumindest einem Einlass und zumindest einem Auslass definiert, einen in dem Fluidkanal angeordneten Druckabbaukörper, der eine Vielzahl von Durchgangskanälen definiert, die den Einlass fluidtechnisch mit dem Auslass verbinden, und ein in dem Fluidkanal positioniertes Einstellorgan, das den Durchfluss durch die Durchgangskanäle des Druckabbaukörpers einstellt bzw. regelt.
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Bei vielen Kraftwerksanwendungen ist es erforderlich, den Druck eines Fluids von einem hohen Druckniveau auf ein niedriges Druckniveau zu entspannen. Zu diesem Zweck werden im Stand der Technik u.a. Druckeinstellventile der eingangs genannten Art mit einer Vielzahl von Druckabbaukörpern eingesetzt, in denen ein Druckabbau durch die mit einer mehrfachen Strömungsumlenkung einhergehenden Reibungseffekte erzielt wird. So offenbart beispielsweise die Druckschrift
CN 201547279 U ein Druckeinstellventil der eingangs genannten Art, das eine Vielzahl gestapelter, ringförmiger ausgebildeter Druckabbaukörper aufweist, die von einem drucktragenden Hüllkörper umgeben sind. Die Druckabbaukörper sind jeweils mit Durchgangskanälen versehen und bilden insgesamt eine im Wesentlichen hohlzylindrische Anordnung. Die Durchgangskanäle erstrecken sich mäanderförmig innerhalb einer radialen Ebene vom Innenumfang zum Außenumfang der jeweiligen Druckabbaukörper. Ein wesentlicher Nachteil solcher zu einem Scheibenpaket zusammengefasster Druckabbaukörper besteht allerdings darin, dass sich die einzelnen Druckabbaukörper in transienten Betriebszuständen durch temperatur- und/oder schwingungsbedingte Kräfte relativ zueinander bewegen können, was zu einem vergleichsweise großen Verschleiß führt. Auch ist die Abdichtung zwischen den Druckabbaukörpern untereinander sowie zwischen den Druckabbaukörpern und dem Einstellorgan sehr problematisch, das durch einen Regelkolben gebildet wird, der sich durch die mittigen Durchgangsöffnungen der scheibenförmigen Druckabbaukörper erstreckt. Noch ein weiterer Nachteil von scheibenförmigen Druckabbaukörpern besteht darin, dass die Länge der jeweiligen Durchgangskanäle aufgrund der Bauform sehr beschränkt ist und im Wesentlichen nur vergrößert werden kann, indem der Außendurchmesser der scheibenförmigen Druckabbaukörper vergrößert wird. Hierdurch vergrößern sich aber auch die Außenabmessungen des Druckeinstellventils, was in vielen Fällen nicht im Einklang mit dem zur Verfügung stehenden Bauraum steht. Darüber hinaus nimmt auch der Hüllkörper zusätzlichen Bauraum in Anspruch.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Druckeinstellventil der eingangs genannten Art mit alternativem Aufbau zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Druckeinstellventil der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es nur einen einzelnen, einteilig ausgebildeten Druckabbaukörper aufweist. Eine solche einteilige Ausbildung des Druckabbaukörpers kann insbesondere unter Einsatz eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt werden, wie beispielsweise unter Einsatz eines SLM-Verfahrens (Selective Laser Melting). Sie ist gegenüber einer mehrteiligen Ausbildung dahingehend von Vorteil, dass ein Verschleiß aufgrund sich relativ zueinander bewegender Einzelteile nicht möglich ist. Darüber hinaus gestaltet sich die Abdichtung zwischen dem Druckabbaukörper einerseits und dem Einstellorgan andererseits bei einem einzelnen, einteilig ausgebildeten Druckabbaukörper als unproblematisch. Ferner sind Form, Größe und Erstreckungsrichtung der Durchgangskanäle ebenso wie die Form des Druckabbaukörpers selbst in weiten Bereichen frei wählbar, was zu einer großen Flexibilität bei der Konstruktion des erfindungsgemäßen Druckeinstellventils führt. Entsprechend kann die Konstruktion sehr flexibel und individuell an die jeweiligen Bedürfnisse des Einzelfalls angepasst werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Dank der einteiligen Ausbildung des Druckabbaukörpers auf die Verwendung eines Hüllkörpers vollständig verzichtet werden kann, wodurch die Anzahl der Bauteile sowie der Bauraumbedarf reduziert wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind wenigstens einige der Durchgangskanäle radial und axial durch den Druckabbaukörper geführt, insbesondere auch in Umfangsrichtung. Mit anderen Worten erstrecken sich wenigstens einige der Durchgangskanäle im Gegensatz zum eingangs beschriebenen Stand der Technik, bei dem sämtliche Durchgangskanäle lediglich zweidimensional innerhalb einer einzelnen radialen Ebene durch die ringförmigen Druckabbaukörper geführt sind, dreidimensional durch den Druckabbaukörper. Auf diese Weise können sehr lange Durchgangskanäle erzielt werden, die einen großen Druckabbau nach sich ziehen. Somit kann beispielsweise die Anzahl von Druckstufen, in denen ein abzubauender Druck abgebaut wird, erheblich reduziert werden.
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Bevorzugt weisen wenigstens einige der Durchgangskanäle helix- und/oder mäanderförmige Abschnitte auf. Dies führt zu häufigen Richtungsänderungen des die Durchgangskanäle durchströmenden Fluids, wodurch ebenfalls der Druckabbau innerhalb der Durchgangskanäle begünstigt wird.
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Vorteilhaft kreuzen die Durchgangskanäle einander, insbesondere unter Bildung einer gitterartigen Struktur, oder sind über Verbindungskanäle miteinander verbunden. Dank einer solchen Ausbildung wird eine sehr gleichmäßige Durchströmung des Druckabbaukörpers erzielt. Zudem werden innerhalb der Strömung Turbulenzen erzeugt, die ebenfalls dem Druckabbau zuträglich sind.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Querschnitt wenigstens einiger Durchgangskanäle rund, mehreckig, schlitzförmig oder ringsegmentartig ausgebildet.
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Bevorzugt vergrößert sich der Querschnitt wenigstens einiger Durchgangskanäle stromabwärts, insbesondere kontinuierlich.
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Vorteilhaft ist der Austrittsbereich wenigstens einiger Durchgangskanäle im Querschnitt betrachtet kegel- oder pyramidenstumpfartig ausgebildet. Dadurch wird die Ausbildung einer Vielzahl von Freistrahlen beim Austreten des Fluids aus dem Druckabbaukörper verhindert, wodurch insbesondere die Schallemission deutlich reduziert wird.
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Die Austritte der Durchgangskanäle sind vorteilhaft gleichmäßig über zumindest eine Austrittsfläche des Druckabbaukörpers verteilt, was ebenfalls zu geringen Schalleistungen beiträgt.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in dem Druckabbaukörper zumindest ein Druckausgleichsraum vorgesehen, der wenigstens einige Durchgangskanäle unterbricht. Ein solcher Druckausgleichsraum trägt zum einen zur Beruhigung des den Druckabbaukörper durchströmenden Fluids bei. Zum anderen wird das Fluid gleichmäßiger auf die mit dem Druckausgleichsraum verbundenen Durchgangskanäle verteilt.
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Bevorzugt ist das Einstellorgan glockenförmig ausgebildet, umschließt den Druckabbaukörper von außen und gibt die Eintrittsöffnungen seiner Durchgangskanäle wahlweise frei oder blockiert diese. Somit wird ein sehr einfacher Aufbau des Druckeinstellventils erzielt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung von Druckeinstellventilen gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
- 1 eine schematische Querschnittansicht eines Druckeinstellventils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Querschnittansicht einer ersten Variante eines Druckabbaukörpers und eines Einstellorgans des in 1 gezeigten Druckeinstellventils, wobei die Komponenten jeweils nur zur Hälfte dargestellt sind;
- 3 eine Querschnittansicht entlang der Linie A-A in 2;
- 4 eine alternative Querschnittansicht entlang der Linie A-A in 2;
- 5 eine schematische Querschnittansicht einer zweiten Variante des Druckabbaukörpers und des Einstellorgans des in 1 dargestellten Druckeinstellventils, wobei die Komponenten jeweils nur zur Hälfte dargestellt sind;
- 6 eine schematische Seitenansicht einer dritten Variante des Druckabbaukörpers des in 1 dargestellten Druckeinstellventils;
- 7 eine Querschnittansicht entlang der Linie B-B in 6, wobei nur ein Viertel des Querschnitts dargestellt ist;
- 8 eine Schnittansicht entlang der Linie C-C in 7;
- 9 eine schematische Querschnittansicht eines Druckeinstellventils gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 10 eine schematische Querschnittansicht eines Druckabbaukörpers des in 1 dargestellten Druckeinstellventils, wobei dieser nur zur Hälfte gezeigt ist;
- 11 eine vergrößerte Ansicht des in 10 mit dem Bezugszeichen XI gekennzeichneten Ausschnitts;
- 12 eine Querschnittansicht entlang der Linie D-D in 11;
- 13 eine Querschnittansicht entlang der Linie E-E in 11;
- 14 bis 16 Ansichten, die weitere mögliche Ausbildungen von Fluidkanälen eines erfindungsgemäßen Druckabbaukörpers zeigen; und
- 17 eine Ansicht, die verschiedene mögliche Querschnitte von Durchgangskanälen erfindungsgemäßer Druckabbaukörper zeigt.
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1 zeigt ein Druckeinstellventil 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Das Druckeinstellventil 1 umfasst ein mehrteiliges Gehäuse 2, das einen Fluidkanal 3 mit einem Einlass 4 und einem Auslass 5 definiert.
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Ferner umfasst das Druckeinstellventil 1 einen einzelnen, einteilig ausgebildeten und in dem Fluidkanal 3 angeordneten Druckabbaukörper 6, der vorliegend unter Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens aus Metall bzw. aus einer Metalllegierung hergestellt ist. Der Druckabbaukörper 6 definiert eine Vielzahl von Durchgangskanälen 7, die den Einlass 4 strömungstechnisch mit dem Auslass 5 verbinden, wie es nachfolgend noch näher erläutert ist. Der Druckabbaukörper 6 ist dabei derart in dem Fluidkanal 3 positioniert, dass ein vom Einlass 4 kommendes Fluid den Auslass 5 nur erreichen kann, indem es die Durchgangskanäle 7 des Druckabbaukörpers 6 passiert. Der Druckabbaukörper 6 ist vorliegend rotationssymmetrisch ausgebildet und umfasst einen oberen zylindrischen Abschnitt 8, in dem umfangsseitig die Eintrittsöffnungen der Durchgangskanäle 7 positioniert sind, einen sich stromabwärts im Durchmesser konisch aufweitenden mittleren Abschnitt 9 und einen unteren Abschnitt 10, an dem stirnseitig die Austrittsöffnungen der Durchgangskanäle 7 positioniert sind.
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Zudem umfasst das Druckeinstellventil 1 ein in dem Fluidkanal positioniertes Einstellorgan 11, das in bekannter Weise über eine Ventilspindel 12 betätigbar ist und den Durchfluss des Fluids durch die Durchgangskanäle 7 des Druckabbaukörpers 6 einstellt bzw. regelt. Vorliegend ist das Einstellorgan 11 glockenförmig ausgebildet und umschließt den oberen Abschnitt 8 des Druckabbaukörpers 6 von außen derart, dass es bei entsprechender Betätigung die Eintrittsöffnungen der Durchgangskanäle 7 wahlweise blockiert oder freigibt.
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Die 2 und 3 zeigen eine erste Variante des Druckabbaukörpers 6. Bei dieser Variante erstrecken sich die Durchgangskanäle 7 ausgehend von der Umfangsseite des oberen Abschnitts 8 zickzack- oder mäanderartig stromabwärts bis zur Stirnseite des unteren Abschnitts 10, wobei zumindest einige Durchgangskanäle 7 über Verbindungskanäle 13 miteinander verbunden sind. Die Durchgangskanäle 7 haben jeweils einen mehreckigen Querschnitt, der sich in Strömungsrichtung im Wesentlichen kontinuierlich derart vergrößert, dass die Austrittsöffnungen benachbarter Durchgangskanäle 7 lediglich durch sehr dünne Materialstege 14 voneinander getrennt sind. Die Austrittsöffnungen sind dabei sehr gleichmäßig über die Stirnfläche des unteren Abschnitts 10 des Druckabbaukörpers 6 verteilt.
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Wird das Einstellorgan 11 ausgehend von der in 2 dargestellten Stellung aufwärts bewegt, so werden die umfangsseitig angeordneten Eintrittsöffnungen der Durchgangskanäle 7 des Druckabbaukörpers 6 nach und nach freigegeben, so dass ein durch das Druckeinstellventil 1 geleitetes Fluid vom Einlass 4 durch die Durchgangskanäle 7 des Druckabbaukörpers 6 in Richtung Auslass 5 strömen kann. Dank der Ausbildung der Durchgangskanäle 7 wird das Fluid auf seinem Weg durch den Druckabbaukörper 6 vielfach umgelenkt und verwirbelt, was mit einem entsprechenden Druckabbau über die Länge der Durchgangskanäle 7 einhergeht. Auch tragen die sich in Strömungsrichtung kontinuierlich vergrößernden Querschnittsflächen der Durchgangskanäle 7 zur Entspannung des Fluids bei, ebenso wie die Verbindungskanäle 13, die zudem eine gleichmäßige Verteilung des Fluids über die Durchgangskanäle 7 bewirken. Beim Austritt des Fluids aus dem Druckabbaukörper 6 bewirken die sich pyramidenstumpfartig aufweitenden Austrittsbereiche, die gleichmäßige Verteilung der Austrittsöffnungen über die Stirnfläche des unteren Abschnitts 10 des Druckabbaukörpers 6 und die sehr dünnen Materialstege 14 zwischen den einzelnen Austrittsöffnungen, dass keine einzelnen Freistrahlen erzeugt werden. Vielmehr ergibt sich eine sehr gleichmäßige Strömung an der Austrittsseite des Druckabbaukörpers 6, die mit einer sehr geringen Geräuschemission einhergeht.
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4 zeigt eine Variante des Druckabbaukörpers 6, die sich dahingehend von der zuvor beschriebenen Variante unterscheidet, dass die Querschnitte der einzelnen Durchgangskanäle 7 im Wesentlichen eine einheitliche Größe mit vorliegend quadrat- oder rautenartiger Form aufweisen.
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Die in 5 dargestellte weitere Variante des Druckabbaukörpers 6 weist in Bezug auf den in 2 dargestellten Druckabbaukörper 6 dahingehend Unterschiede auf, dass bei diesem zumindest ein Druckausgleichsraum 15 ausgebildet ist, der bezogen auf die Durchgangskanäle 7 zwischen deren Einlass- und Auslassöffnungen angeordnet ist und wenigstens einige, vorliegend alle Durchgangskanäle 7 unterbricht. Ein solcher Druckausgleichsraum 15 trägt zum einen zur Beruhigung des den Druckabbaukörper 6 durchströmenden Fluids bei. Zum anderen wird das Fluid gleichmäßiger auf die mit dem Druckausgleichsraum 15 stromabwärts verbundenen Durchgangskanäle 7 verteilt.
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Die 6 bis 8 zeigen eine dritte Variante des Druckabbaukörpers 6, dessen Durchgangskanäle 7 einen gleichmäßigen Querschnitt mit quadrat- oder rautenartiger Form aufweisen. Die Durchgangskanäle 7 erstrecken sich, wie es aus einer Zusammenschau der 7 und 8 hervorgeht, treppen- oder mäanderartig sowohl in axialer Richtung A als auch in Umfangsrichtung U durch den Druckabbaukörper 6.
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Ein Druckeinstellventil 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 9 gezeigt. Dieses unterscheidet sich dahingehend von der in 1 dargestellten Ausführungsform, dass der Druckabbaukörper 6 nicht mit der Stirnseite seines unteren Abschnittes 10 auf dem Gehäuse 2 des Druckeinstellventils 1 aufliegt, sondern mit der Unterseite eines radial auswärts vorstehenden Ringvorsprungs 16, der sich zwischen dem mittleren Abschnitt 9 und dem unteren Abschnitt 10 des Druckabbaukörpers 6 erstreckt. Das Gehäuse 2 des Druckeinstellventils 1 ist bezogen auf diese Modifikation entsprechend angepasst.
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Die Haupterstreckungsachsen 17 der Durchgangskanäle 7 des Druckabbaukörpers 6 sind in 10 schematisch anhand gestrichelter Linien dargestellt. Demnach sind die einzelnen Durchgangskanäle 7 jeweils ausgehend von der Umfangsseite des oberen Abschnitts 8 zunächst abwärts und radial einwärts geführt, erstrecken sich dann im Wesentlichen axial durch den mittleren Abschnitt 9 und sind schließlich in Richtung der Stirnseite oder der Umfangsseite des unteren Abschnitts 10 geführt. Gemäß 11 erstrecken sich die Durchgangskanäle 7 dabei mäanderförmig um ihre in 10 dargestellten Haupterstreckungsachsen 17, wobei ihre Querschnittsfläche, wie es in den 12 und 13 dargestellt ist, stromabwärts kontinuierlich zunimmt.
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Die 14 bis 16 zeigen weitere mögliche Ausbildungsvarianten von Durchgangskanälen 7. 14 zeigt eine regelmäßige gitterartige Verzweigung der Durchgangskanäle 7, deren Querschnittsfläche stromabwärts kontinuierlich zunimmt. 15 zeigt eine helixartige Anordnung von sich umschlingenden Durchgangskanälen 7. 16 zeigt eine Gitterstruktur von Durchgangskanälen 7, die in einzelne Tetraeder 18 unterteilt werden kann, deren Seitenkanten jeweils einen Abschnitt eines Durchgangskanals 7 bilden. Auch wenn die 15 und 16 Durchgangskanäle 7 mit gleichbleibendem Querschnitt zeigen, sollte klar sein, dass diese auch mit in Strömungsrichtung kontinuierlich oder diskontinuierlich zunehmendem Querschnitt ausgebildet sein können.
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17 zeigt weitere alternative Querschnittsformen von Durchgangskanälen 7. So können die Durchgangskanäle 7 ebenso ellipsenförmig, tropfenförmig, dreieckig, sternförmig, ringsegmentförmig oder dergleichen ausgebildet sein, um nur einige Beispiele zu nennen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sei darauf hingewiesen, dass der Druckabbaukörper grundsätzlich jede beliebige Form aufweisen kann. Gleiches gilt für Anzahl, Form und Dimensionierung der Durchgangskanäle. Entsprechend ist das Design des Druckeinstellventils sehr flexibel auf unterschiedlichste Anforderungen anpassbar, insbesondere bezogen auf den zur Verfügung stehenden Bauraum, den gewünschten Druckabbau und die maximal zulässige Geräuschemission.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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