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Die Erfindung betrifft eine Armatur mit einem Absperrkörper, wobei der Absperrkörper ein Element aufweist, das mit einer Mehrzahl von Löchern, die von einem Medium durchströmbar sind, versehen ist. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung eines Absperrkörpers der Armatur.
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In Industrie-, Heiz- oder Kühlanlagen werden Armaturen zur Regelung von Volumenströmen eingesetzt. Die Armaturen weisen einen Absperrkörper auf, der beweglich zu einem Sitz angeordnet ist. Durch Variation der Position des Absperrkörpers relativ zu seinem Sitz, werden unterschiedlich große Durchgänge für das Fluid oder Medium, welches die Armatur durchströmt, freigegeben. Dadurch kann der Volumenstrom geregelt werden. Diese Regelung ist mit einem Druckabbau verbunden.
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Muss das Medium den Durchgang mit dem relativ schmalen Strömungsquerschnitt durchströmen, so steigt die Geschwindigkeit des Mediums und damit der dynamische Druck an. Aufgrund des Energieerhaltungssatzes, der durch die Gleichung von Bernoulli im Strömungsbereich beschrieben wird, sinkt dadurch gleichzeitig der statische Druck ab, weil der Gesamtdruck konstant bleibt. Fällt der statische Druck unter den Dampfdruck des Medium, der von der Temperatur des jeweiligen Mediums abhängig ist, so kommt es zur Bildung von Dampfblasen. Diese Dampfblasen werden von der Strömung mitgerissen und gelangen dann wieder in Bereiche in denen der statische Druck ansteigt, weil sich die Strömungsgeschwindigkeit wieder verlangsamt. Dadurch implodieren die Dampfblasen. Ein solches Verhalten wird als Kavitation bezeichnet.
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Befinden sich die Dampfblasen in der Nähe oder direkt an einer festen Wand des strömungsführenden Bauteils, so entsteht bei der Implosion ein Flüssigkeitsstrahl, ein sogenannter Mikrojet, der mit hoher Geschwindigkeit auf die Wand auftrifft und diese durch die schlagartige Druckbelastung hoch beansprucht.
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Dies kann zu kraterförmigen Materialabtragungen beim Auftreten von Kavitation führen. Das Oberflächenmaterial wird durch die hohen mechanischen Beanspruchungen in mikroskopisch kleinen Teilen deformiert. Nach einiger Zeit brechen aus der Oberfläche größere Partikel heraus. Es kommt zum Kavitationsfraß. Das Implodieren der Dampfblasen führt zudem zu erheblichen Geräuschentwicklungen.
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Zur Verhinderung von Kavitationsschäden ist es bekannt, in Armaturen Absperrkörper einzusetzen, die Rundlöcher aufweisen. Diese Elemente verhindern zwar nicht das Auftreten der Kavitation selbst, sie lenken jedoch die Strömung derart, dass die Dampfblasen in einem Bereich der Armatur implodieren, wo sie keinen Schaden anrichten. Die Implosion der Dampfblasen erfolgt überwiegend in einem freien Raum, sodass die Wände des strömungsführenden Bauteils nur wenig beschädigt werden. Dieser freie Raum befindet sich in einem Bereich des Absperrkörpers. Dort zerstören sich die Dampfblasen gegenseitig durch gegenüberliegenden Löcher.
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Bei den mit Löchern versehenen Elementen handelt es sich meistens um rohrförmige Bauteile, in die Bohrungen zur Erzeugung der Löcher eingebracht werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Armatur anzugeben, bei welchem Schäden durch Kavitation weiter verringert oder ganz verhindert werden und Geräuschemissionen reduziert werden. Zudem soll sich das Bauteil durch eine günstige Strömungscharakteristik auszeichnen und gezielt an das vom Kunden gewünschte Einsatzgebiet anpassbar sein. Weiterhin soll sich die Armatur durch eine hohe Lebensdauer sowie eine gute Haltbarkeit auszeichnen, bei der möglichst wenig Wartungsaufwand erforderlich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Armatur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß variieren innerhalb der in dem Element des Absperrkörpers ausgebildeten Löcher die Strömungsquerschnittsflächen.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Lochelementen, werden somit keine Bohrungen mit einer konstanten Querschnittsfläche in das Element eingebracht, sondern die Querschnittsfläche innerhalb des Loches variiert. Durch diese Variation des Strömungsquerschnitts von dem als Loch ausgeführten Durchgang, kann die Strömung gezielt gelenkt werden. Dadurch werden Schäden an den Wänden der Armatur bzw. des Absperrkörpers durch Kavitation bzw. eine abreisende Strömung bzw. turbulente Verwirbelungen, die auch als Abrasion bezeichnet werden, gezielt verhindert.
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Weiterhin ist durch diese Gestaltung eine kundenspezifische Anpassung der jeweiligen Kennlinie der Armatur möglich.
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Weitere Möglichkeiten die Strömung gezielt zu lenken bzw. eine kundenspezifische Anpassung der jeweiligen Kennlinie der Armatur zu ermöglichen sind gegeben, wenn wenigstens eine Teilmenge der Löcher eine runde Querschnittsform aufweist, wenigstens eine Teilmenge der Löcher eine Querschnittsform aufweist, die von einer runden Querschnittsform verschieden ist und/oder wenigstens bei einer Teilmenge der Löcher die Querschnittsform der Strömungsquerschnittsflächen innerhalb der Löcher variiert.
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Bei einer Variante der Erfindung variieren die Strömungsquerschnitte insbesondere am Eintritt und/oder am Austritt der Löcher. Dies führt dazu, dass die Eintrittskanten bzw. Austrittskanten der Löcher abgerundet ausgebildet sind. Dadurch wird ein Abreißen der Strömung und die Bildung von Wirbel und somit eine Abrasion verhindert. Die in die Löcher eintretende Strömung trifft nicht auf eine scharfe Kante, wie sie bei herkömmlichen Bohrungen, auf, sondern die Ecken der Eintrittskanten sind entsprechend abgerundet und somit mit einem je nach Bedarf ausgebildeten Radius versehen.
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Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung, sind die als Löcher ausgebildeten Durchgänge in dem Element düsenförmig ausgebildet. Dabei nimmt bei einer Variante der Erfindung der Strömungsquerschnitt zunächst ab, erreicht dann ein Minimum und nimmt anschließend zum Austritt der Strömung aus dem Loch heraus wieder zu.
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Vorzugsweise handelt es sich dabei um ein rohrförmiges Element, das in der Art eines Hohlzylinders ausgebildet ist und mit Löchern an den Mantelflächen versehen ist. Die Löcher erstrecken sich dabei durch die Wandung des Hohlzylinders. Das rohrförmige Element ist vorzugsweise in Bewegungsrichtung des Absperrkörpers unten am Absperrkörper, also in Durchströmungsrichtung unten am Absperrkörper, angeformt.
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Zur Ausbildung der erfindungsgemäßen rohrförmigen Elemente, eignet sich insbesondere ein generatives Fertigungsverfahren. Dabei wird das Element vorzugsweise aus einem Aufbaumaterial durch aufeinanderfolgendes Schmelzen und Erstarren von Schichten mittels Strahlung hergestellt.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Aufbaumaterial zur Herstellung des Elements um metallische Pulverteilchen. Beispielsweise können dazu eisenhaltige und/oder kobalthaltige Pulverpartikel eingesetzt werden. Diese können Zusätze wie beispielsweise Chrom, Molybdän oder Nickel enthalten. Der metallische Aufbauwerkstoff wird in Pulverform in einer dünnen Schicht auf eine Platte aufgebracht. Der pulverförmige Werkstoff wird mittels Strahlung an den jeweiligen gewünschten Stellen lokal vollständig umgeschmolzen und bildet nach der Erstarrung eine feste Materialschicht.
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Anschließend wird die Grundplatte um den Betrag einer Schichtdecke abgesenkt und es wird ein Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wir so lange wiederholt, bis alle Schichten umgeschmolzen sind. Das fertige Bauteil wird vom überschüssigen Pulver gereinigt. Als Strahlung kann z.B. ein Laserstrahl zum Einsatz kommen, welcher das Element aus den einzelnen Pulverschichten generiert. Die Daten zur Führung des Laserstrahls werden auf Grundlage eines 3D-CAD-Körpers mittels einer Software erzeugt. Alternativ zu einem selektiven Laserschmelzen kann auch ein Elektronenstrahl (EBM) oder andere geeignete additive Verfahren zum Einsatz kommen.
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Bei einer Ausführungsform weisen die Löcher eine Mittellängsachse auf, die bei wenigstens einem Teil der Löcher senkrecht zur Bewegungsrichtung des Absperrkörpers ausgerichtet sind.
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Bei einer Variante der Erfindung weisen die Löcher eine Mittellängsachse auf, die bei wenigstens einem Teil der Löcher nicht senkrecht zur Bewegungsrichtung des Absperrkörpers 3 ausgerichtet sind, sondern in einem Winkel ausgerichtet sind. Somit sind bei dieser Variante die Mittellängsachsen der als Durchgänge ausgebildeten Löcher nicht senkrecht zur Mantelfläche des hohlzylinderförmigen ausgebildeten Elements ausgerichtet, sondern weisen im Verhältnis zur Mantelfläche des Hohlzylinders einen beliebigen Winkel auf. Dieser Winkel kann gezielt angepasst werden, um den Strömungswiderstand durch eine optimierte Strömungslenkung zu reduzieren.
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Bei einer Variante der Erfindung ist das Lochelement aus einem anderen Werkstoff gefertigt als der Absperrkörper. Dabei erweist es sich als besonders günstig, wenn das Element eine größere Härte bzw. eine höhere Korrosionsbeständigkeit aufweist. Beispielsweise kann das Element aus einem Stellit oder einem Inconel gefertigt sein.
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Aufgabe der Erfindung ist es zudem, ein Verfahren zur Herstellung eines Absperrkörpers der Armatur anzugeben, das eine kostengünstige Herstellung des Absperrkörpers mit günstiger Strömungscharakteristik und hoher Lebensdauer ermöglicht, wobei das Bauteil gezielt an das vom Kunden gewünschte Einsatzgebiet anpassbar sein soll.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines Absperrkörpers der Armatur gelöst bei dem der Absperrkörper zumindest teilweise mittels eines generativen Verfahrens hergestellt wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
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Dabei zeigt
- 1 einen Schnitt durch eine Armatur,
- 2 eine perspektivische Darstellung eines Absperrkörpers der in 1 dargestellten Armatur,
- 3 einen Schnitt durch den in 2 dargestellten Absperrkörpers und
- 4 und 5 jeweils einen Schnitt durch eine Wand eines mit Löchern versehenen Elements des Absperrkörpers.
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1 zeigt einen Schnitt durch eine Armatur. Die Armatur weist zwei als Flansche ausgebildete Anschlüsse 1 zum Verbinden mit Rohrleitungsbauteilen 2 auf. Die Armatur weist einen Absperrkörper 3 auf, der von einem Antrieb 4 über eine Spindel 5 in einer axialen Richtung bewegt werden kann. Wird der Absperrkörper 3 mit Blick auf 1 von dem Antrieb 4 aus seinem Ventilsitz 6 nach oben in Richtung des Antriebs 4 bewegt, so wird eine Durchströmung durch die Armatur freigegeben. Je weiter er nach oben bewegt wird, desto stärker wird die Armatur von dem Medium oder Fluid durchströmt.
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Der Absperrkörper 3 umfasst gemäß der in 1 dargestellten Ausführung ein Oberteil in Form eines Zylinders oder einer Scheibe 7 und ein Unterteil in Form eines ring- oder rohrförmigen oder hohlzylinderartigen Elements 8 das mit Löchern 9 versehen ist. In den Figuren weisen die Löcher 9 in der Draufsicht eine runde Querschnittsform auf. Unter den Begriffen Loch bzw. Löcher sind jedoch nicht nur runde Durchgangsöffnungen zu verstehen sondern Durchgangsöffnungen in beliebiger Form, beispielsweise polygonale Durchgangsöffnungen, Langlöcher oder Durchgangsöffnungen, die in der Draufsicht Ecken und/oder Rundungen aufweisen.
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In der Armatur ist zudem ein rohrförmiges hohlzylinderartiges Element 10 angeordnet, das üblicherweise als Käfig bezeichnet wird und ebenfalls Löcher 11 aufweist. Der Käfig 10 umgibt den Absperrkörper 3 zumindest teilweise. Das Medium strömt in die Armatur ein und durchströmt zunächst die Löcher 11 des Käfigs 10. Ist der Absperrkörper 3 nach oben verfahren, so geht die Strömung am Sitz 6 der Armatur vorbei und durchströmt die Löcher 9 des Elements 8.
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2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Absperrkörpers 3. Der Absperrkörper 3 umfasst ein Oberteil in Form eines Zylinders oder einer Scheibe 7 und ein Unterteil in Form eines rohrförmigen hohlzylinderartigen Elements 8 das mit Löchern 9 versehen ist. Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung ist die das Oberteil bildende Scheibe 7 nach einem konventionellen Verfahren beispielsweise aus Guss hergestellt, während das das Unterteil bildende Element 8 nach einem generativen Verfahren hergestellt ist. Dabei können sowohl der Hohlzylinder 8 mit den hydraulischen Öffnungen 9, als auch die mit dem in 1 gezeigten Ventilsitz 6 zusammenwirkende Dichtkante aus einem ganz spezifischen für den Anwendungsfall erforderlichen Material ausgeführt werden. Beispielsweise können als Materialen aus denen das Element 8 gefertigt ist Stellit oder Inconel sein. Alternativ können sowohl die Scheibe 7 als auch das Element 8 nach einem generativen Verfahren hergestellt werden.
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3 zeigt einen Schnitt durch den Absperrkörper 3. Die Scheibe 7 des Absperrkörpers 3 weist einen Hohlraum 12 auf, in welchen ein Bauteil des Antriebs 4, insbesondere die in 1 gezeigte Spindel 5, eingreifen kann, um den Absperrkörper 3 in axialer Richtung vom Ventilsitz 6 weg oder zu diesem hin zu bewegen. An der Scheibe 7 ist das die Löcher 9 aufweisende Element 8 ausgebildet.
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4 zeigt einen Schnitt durch die Wandung des als Hohlzylinder ausgebildeten mit Löchern 9 versehenen Elements 8. Es ist ersichtlich, dass sich die Strömungsquerschnitte der als Löcher 9 ausgebildeten Durchgänge durch die Wandung des hohlzylinderförmigen Elementes 7 entlang einer Mittellängsachse X ändern.
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Im Ausführungsbeispiel sind die Eintrittskanten 13 der Löcher 9 abgerundet ausgebildet. Ebenso sind die Austrittskanten 14 der Löcher 9 abgerundet ausgebildet. Der Strömungsquerschnitt nimmt entlang der Mittellängsachse X zunächst ab, erreicht ein Minimum und nimmt dann wieder zum Austritt hin kontinuierlich zu. Mit Blick auf 4 werden die Löcher 9 von links nach rechts durchströmt, also von der Mantelaußenfläche der Wandung des Hohlzylinders strömt das Medium durch die Löcher 9 hindurch und tritt an der Mantelinnenfläche der Wandung wieder aus.
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Während die in der 4 gezeigten Mittellängsachsen X der Löcher 9 senkrecht zur Bewegungsrichtung des Absperrkörpers 3 ausgerichtet sind, sind die Mittellängsachsen X der in der 5 gezeigten Löcher des Elements 8 bei wenigstens einer Teilmenge der Löcher 9 abweichend von einer Ausrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Absperrkörpers 3 ausgerichtet. Vorzugsweise weisen die Löcher 9, die am nächsten zum Oberteil 6 angeordnet sind, eine Mittellängsachse X auf, die nicht senkrecht zur Bewegungsrichtung des Absperrkörpers 3 ausgerichtet ist.
