DE102019202834A1 - Valve stem guide for a steam expander and steam expander - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Ventilschaftführung für einen Dampfexpander- mit einem Gehäuse;mit wenigstens einer im Gehäuse verlaufenden Öffnung zur Aufnahme eines Ventilschafts; wobei- in die Öffnung eine Gleitbuchse eingesetzt ist, die eine innere Führungsoberfläche zur Ausbildung eines Gleitlagers für den Ventilschaft aufweist;- die Gleitbuchse unmittelbar oder mittelbar in das Gehäuse eingeschraubt ist; wobei- koaxial zur Gleitbuchse ein Ventilsitzring in die Öffnung im Gehäuse eingesetzt ist.Die erfindungsgemäße Ventilschaftführung dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitbuchse in den Ventilsitzring nur eingesteckt ist.The invention relates to a valve stem guide for a steam expander with a housing, with at least one opening running in the housing for receiving a valve stem; wherein - a sliding bush is inserted into the opening, which has an inner guide surface for forming a sliding bearing for the valve stem; - the sliding bush is screwed directly or indirectly into the housing; A valve seat ring is inserted into the opening in the housing coaxially to the slide bushing. The valve stem guide according to the invention is characterized in that the slide bushing is only inserted into the valve seat ring.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilschaftführung für einen Dampfexpander gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, sowie einen Dampfexpander mit einer solchen Ventilschaftführung.The present invention relates to a valve stem guide for a steam expander according to the preamble of claim 1, and to a steam expander with such a valve stem guide.
Gattungsgemäße Ventilschaftführungen werden dazu verwendet, den Ventilschaft eines Einlassventils oder Auslassventils eines Dampfexpanders in Kolbenmaschinenbauart, auch Dampfmotor genannt, zu führen. Ein solcher Ventilschaft weist einen ventilkörperseitigen Endbereich und einen diesem abgewandten, entsprechend ventilkörperfernen Endbereich auf, zwischen denen sich in der Regel der mittels der Ventilschaftführung geführte Bereich des Ventilschafts erstreckt. Der ventilkörperseitige Endbereich des Ventilschafts trägt und/oder betätigt einen Ventilkörper, der zusammen mit einem Ventilsitz des Ventils einen Einlass oder einen Auslass für das Arbeitsmedium Dampf des Dampfexpanders öffnet und schließt, damit dieses in einzelnen Zyklen (Takten) in den Zylinderraum oder aus dem Zylinderraum des Dampfexpanders strömen kann, je nachdem, ob es sich um ein Einlassventil oder ein Auslassventil handelt.Valve stem guides of the generic type are used to guide the valve stem of an inlet valve or an outlet valve of a steam expander in piston engine design, also called steam engine. Such a valve stem has an end region on the valve body side and an end region facing away from this, correspondingly remote from the valve body, between which the region of the valve stem guided by means of the valve stem guide extends as a rule. The end region of the valve stem on the valve body side carries and / or actuates a valve body which, together with a valve seat of the valve, opens and closes an inlet or an outlet for the working medium steam of the steam expander so that it enters the cylinder chamber or out of the cylinder chamber in individual cycles of the steam expander can flow, depending on whether it is an inlet valve or an outlet valve.
Da an eine solche Ventilschaftführung besondere Gleitanforderungen gestellt werden, wird die Ventilschaftführung häufig mit einer Gleitbuchse versehen oder durch diese gebildet, die in ein Gehäuse, beispielsweise Kurbelgehäuse, des Dampfexpanders eingesetzt ist. Herkömmlich erfolgt das Einsetzen durch Herstellung eines Presssitzes, das heißt das Konstruieren einer sogenannten Übermaßpassung zwischen der Gleitbuchse und des diese umgebenden Gehäuses, um eine kraftschlüssige Verbindung zu erreichen. In der Regel wird das Gehäuse mit einer Öffnung, insbesondere Bohrung, für die Gleitbuchse versehen und die Gleitbuchse wird vor ihrem Einsetzen stark abgekühlt, wobei das Gehäuse gleichzeitig erwärmt werden kann, sodass sich die Gleitbuchse zusammenzieht und die Öffnung in dem Gehäuse insbesondere aufweitet, sodass die Gleitbuchse in die Öffnung eingesetzt werden kann. Nach einem Temperaturausgleich zwischen der Gleitbuchse und dem Gehäuse ergibt sich der gewünschte Presssitz.Since special sliding requirements are placed on such a valve stem guide, the valve stem guide is often provided with or formed by a sliding bushing which is inserted into a housing, for example a crankcase, of the steam expander. Conventionally, the insertion takes place by producing a press fit, that is, the construction of a so-called interference fit between the sliding bush and the housing surrounding it in order to achieve a force-locking connection. As a rule, the housing is provided with an opening, in particular a bore, for the sliding bushing and the sliding bushing is strongly cooled before it is inserted, the housing being able to be heated at the same time, so that the sliding bushing contracts and the opening in the housing in particular expands so that the sliding bush can be inserted into the opening. After a temperature equalization between the sliding bush and the housing, the desired press fit results.
Obwohl mit dieser Art der Ausführungsform einer Ventilschaftführung auf eine in der Praxis seit vielen Jahrzehnten übliche Lösung zurückgegriffen wurde, haben sich in der Praxis in jüngerer Zeit beim Betrieb von Dampfexpandern unregelmäßig auftretende Wirkungsgradverluste ergeben, deren Ursache zunächst unklar war. Nachdem es zum Teil auch Beschädigungen an den Einlassventilen und Auslassventilen gab, die zu einem Ausfall des Dampfexpanders führten, haben Untersuchungen ergeben, dass sich während des Betriebs des Dampfexpanders das Öffnungsverhalten und Schließverhalten einzelner Einlassventile und Auslassventile geändert hat.Although this type of embodiment of a valve stem guide was based on a solution that has been common in practice for many decades, in practice there have recently been irregular losses in efficiency during the operation of steam expanders, the cause of which was initially unclear. After the inlet valves and outlet valves were partially damaged, which led to the steam expander failing, investigations have shown that the opening and closing behavior of individual inlet valves and outlet valves has changed during operation of the steam expander.
Gemäß
Die in der
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventilschaftführung für einen Dampfexpander anzugeben, welcher das Problem des Verschleißes und der Undichtigkeit im Bereich des Ventilsitzringes vermeidet. Die Ventilschaftführung soll sich durch einen besonders zuverlässigen Betrieb der entsprechenden Ventile mit einer hohen Lebensdauer auszeichnen.The present invention is based on the object of specifying a valve stem guide for a steam expander which avoids the problem of wear and leakage in the area of the valve seat insert. The valve stem guide should be characterized by a particularly reliable operation of the corresponding valves with a long service life.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Ventilschaftführung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen sowie ein erfindungsgemäßer Dampfexpander mit einer solchen Ventilschaftführung angegeben.The object of the invention is achieved by a valve stem guide with the features of claim 1. In the dependent claims, advantageous and particularly expedient embodiments and a steam expander according to the invention with such a valve stem guide are specified.
Im Einzelnen weist eine erfindungsgemäße Ventilschaftführung für einen Dampfexpander ein Gehäuse auf, das beispielsweise Bestandteil des Kurbelgehäuses des Dampfexpanders ist. Es ist eine im Gehäuse verlaufende Öffnung zur Aufnahme eines Ventilschafts vorgesehen, wobei die Öffnung insbesondere in Richtung einer Längsachse des Gehäuses verläuft.In detail, a valve stem guide according to the invention for a steam expander has a housing which is, for example, a component of the crankcase of the steam expander. An opening running in the housing is provided for receiving a valve stem, the opening running in particular in the direction of a longitudinal axis of the housing.
In die Öffnung ist erfindungsgemäß eine Gleitbuchse eingesetzt, die eine innere Führungsfläche zur Ausbildung eines Gleitlagers für den Ventilschaft aufweist. Somit kann der Ventilschaft mit seiner äußeren Oberfläche unmittelbar auf der inneren Führungsoberfläche der Gleitbuchse gleiten, wobei vorteilhaft eine Werkstoffpaarung an dieser Schnittstelle beziehungsweise diesem Gleitlager gewählt wird, die günstige Schmiereigenschaften bietet. Beispielswiese ist die Gleitbuchse aus Messing hergestellt und das Gehäuse aus Stahl.According to the invention, a sliding bushing is inserted into the opening which has an inner guide surface for forming a sliding bearing for the valve stem. Thus the valve stem can with slide its outer surface directly on the inner guide surface of the sliding bush, a material pairing is advantageously chosen at this interface or this plain bearing that offers favorable lubricating properties. For example, the sliding bush is made of brass and the housing is made of steel.
Erfindungsgemäß ist die Gleitbuchse in das Gehäuse eingeschraubt, entweder unmittelbar, das heißt, dass die Gleitbuchse und das Gehäuse jeweils ein Gewinde aufweisen, wobei die beiden Gewinde miteinander im Eingriff stehen, oder mittelbar, das heißt, dass die Gleitbuchse ein Gewinde aufweist, das mit einem Gewinde eines Konterelementes zusammenarbeitet, das wiederum ortsfest im Gehäuse verriegelt ist.According to the invention, the sliding bushing is screwed into the housing, either directly, that is, the sliding bushing and the housing each have a thread, the two threads being in engagement with one another, or indirectly, that is, the sliding bushing has a thread that is connected to a thread of a counter element cooperates, which in turn is locked in place in the housing.
Erfindungsgemäß ist die Gleitbuchse in den Ventilsitzring nur eingesteckt, das heißt frei von einer Verschraubung eingesteckt. Insbesondere ist die Gleitbuchse lose in den Ventilsitzring eingesteckt, also mit einem Spiel zwischen der Gleitbuchse und dem Ventilsitzring.According to the invention, the sliding bushing is only inserted into the valve seat ring, that is to say inserted free from a screw connection. In particular, the sliding bushing is inserted loosely into the valve seat ring, that is to say with play between the sliding bushing and the valve seat ring.
Der Ventilsitzring weist beispielsweise eine zentrale Bohrung auf, die einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Außendurchmesser der Gleitbuchse, zumindest in dem dem Ventilsitzring zugewandten Ende. Beispielsweise ist der Durchmesser der Bohrung im Ventilsitzring um wenigstens 1/100 mm oder 1/10 mm größer als der Außendurchmesser der Gleitbuchse.The valve seat ring has, for example, a central bore which has a diameter that is greater than the outer diameter of the sliding bush, at least in the end facing the valve seat ring. For example, the diameter of the bore in the valve seat ring is at least 1/100 mm or 1/10 mm larger than the outer diameter of the sliding bush.
Durch das (lose) Einstecken der Gleitbuchse in den Ventilsitzring wird die Gleitbuchse seitlich, insbesondere vollumfänglich an ihrem dem Ventilsitzring zugewandten Ende geführt, sodass bisher auf die Gleitbuchse wirkende Hebelkräfte sicher ohne Verbiegung der Gleitbuchse abgeleitet werden. Insbesondere wird die Gleitbuchse im Bereich des dem Ventilsitzring zugewandten Endes zum einen vom Material des Ventilsitzrings umschlossen und zum anderen angrenzend an den Ventilsitzring vom Material des Gehäuses umschlossen. Es verbleibt demnach kein Freiraum radial außerhalb der Gleitbuchse innerhalb des Gehäuses.By (loosely) inserting the sliding bushing into the valve seat ring, the sliding bushing is guided laterally, in particular over the full circumference of its end facing the valve seat ring, so that leverage forces previously acting on the sliding bushing are safely diverted without bending the sliding bushing. In particular, in the region of the end facing the valve seat ring, the sliding bush is on the one hand enclosed by the material of the valve seat ring and on the other hand is enclosed by the material of the housing adjacent to the valve seat ring. Accordingly, there remains no free space radially outside the sliding bushing inside the housing.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung trägt die Gleitbuchse auf einer äußeren Oberfläche ein Außengewinde, mittels welchem die Gleitbuchse in ein in der Öffnung vorgesehenes Innengewinde eingeschraubt ist. Vorteilhaft erstreckt sich das Außengewinde auf der Gleitbuchse nur über einen Teil der axialen Länge der Gleitbuchse. Dies ist günstig, um eine unerwünschte Krafteinleitung in das Gewinde infolge thermischer Dehnungen über der Gewindelänge zu reduzieren. Insbesondere erstreckt sich auch das Innengewinde in dem Gehäuse nur über einen Teil der axialen Erstreckung der Gleitbuchse beziehungsweise des axialen Abschnitts, welchem die Gleitbuchse in der Öffnung gegenübersteht.According to an advantageous embodiment of the invention, the sliding bush has an external thread on an outer surface, by means of which the sliding bush is screwed into an internal thread provided in the opening. The external thread on the sliding bush advantageously extends only over part of the axial length of the sliding bush. This is advantageous in order to reduce undesired introduction of force into the thread as a result of thermal expansions over the thread length. In particular, the internal thread in the housing also extends only over part of the axial extent of the sliding bush or the axial section which the sliding bush faces in the opening.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Gleitbuchse einen Anschlag auf, mittels welchem sie beim Einschrauben der Gleitbuchse in das Gehäuse beziehungsweise im eingeschraubten Zustand der Gleitbuchse in dem Gehäuse am Gehäuse anschlägt. Der Anschlag kann beispielsweise in Form eines in Radialrichtung auf der Gleitbuchse hervorstehenden Bundes ausgeführt sein. Der Anschlag schlägt beispielsweise stirnseitig an einer die Öffnung umschließenden Fläche des Gehäuses an.According to an advantageous embodiment, the sliding bushing has a stop by means of which it strikes the housing when the sliding bushing is screwed into the housing or when the sliding bushing is screwed into the housing. The stop can be designed, for example, in the form of a collar protruding in the radial direction on the sliding bush. The stop strikes, for example, on the end face of a surface of the housing surrounding the opening.
Im Hinblick auf die im Betrieb auftretenden thermischen Dehnungen ist es besonders günstig, wenn das Außengewinde auf der Gleitbuchse in Axialrichtung an den Anschlag angrenzt. Hierdurch kann die Gefahr eines Lösens einer durch Einschrauben in das Gehäuse verspannten Gleitbuchse minimiert werden und nachteilige thermische Dehnungen in dem Gewinde werden reduziert.With regard to the thermal expansions that occur during operation, it is particularly advantageous if the external thread on the sliding bushing adjoins the stop in the axial direction. This can minimize the risk of a sliding bushing that is tensioned by screwing into the housing loosening, and disadvantageous thermal expansions in the thread are reduced.
Um die Gleitbuchse in das Gehäuse einschrauben zu können und insbesondere mit ihrem Anschlag gegen das Gehäuse verspannen zu können, kann die Gleitbuchse an einem axialen Ende ein Mitnahmeprofil aufweisen. Das Mitnahmeprofil kann beispielsweise die Form eines Außensechskants aufweisen. Jedoch sind auch andere Profile möglich, beispielsweise ein Innenantrieb wie Innensechskant oder Torx (Innensechsrund). Auch andere Außenantriebe sind möglich.In order to be able to screw the sliding bushing into the housing and in particular to be able to brace it with its stop against the housing, the sliding bushing can have a driving profile at one axial end. The driving profile can, for example, have the shape of an external hexagon. However, other profiles are also possible, for example an internal drive such as hexagon socket or Torx (hexalobular socket). Other external drives are also possible.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Mitnahmeprofil an dem axialen Ende der Gleitbuchse vorgesehen, an dem das Außengewinde und insbesondere der Anschlag positioniert ist.According to one embodiment, the driving profile is provided at the axial end of the sliding bushing, on which the external thread and in particular the stop is positioned.
Der gemäß der Erfindung koaxial zur Gleitbuchse im Gehäuse eingesetzte Ventilsitzring bildet bevorzugt einen Ventilsitz für das Einlassventil oder Auslassventil aus, welchem der Ventilschaft zugeordnet ist. Der Ventilschaft trägt beispielsweise, wie eingangs dargestellt, an seinem axialen Ende, das vorteilhaft vom Ventilsitzring mehr oder minder umschlossen wird, einen Ventilkörper, der dann zusammen mit dem Ventilsitz den Öffnungsquerschnitt des Ventils in Abhängigkeit der relativen Position des Ventilkörpers zum Ventilsitz mehr oder minder beschränkt.According to the invention, the valve seat ring inserted coaxially to the sliding bushing in the housing preferably forms a valve seat for the inlet valve or outlet valve to which the valve stem is assigned. The valve stem carries, for example, as shown at the beginning, at its axial end, which is advantageously more or less enclosed by the valve seat insert, a valve body which, together with the valve seat, more or less restricts the opening cross-section of the valve depending on the position of the valve body relative to the valve seat .
Um den Ventilsitzring aufzunehmen, kann die Öffnung im Gehäuse an ihrem dem Ventilsitzring zugewandten axialen Ende stufenförmig erweitert ausgeführt sein, sodass sich der Durchmesser der Öffnung in einer Stufe auf einen vergleichsweise größeren Durchmesser erweitert, der dem Außendurchmesser des Ventilsitzringes angepasst ist. Der Ventilsitzring kann gemäß einer Ausführungsform in die Öffnung im Gehäuse eingepresst sein, das heißt zwischen dem Außendurchmesser des Ventilsitzringes und dem Innendurchmesser der Öffnung, insbesondere der Erweiterung in der Öffnung ist eine Untermaßpassung vorgesehen. Jedoch ist es auch möglich, den Ventilsitzring anders in das Gehäuse einzubringen, beispielsweise einzukleben, zu verstemmen, anzuschweißen oder einzuschrauben.In order to accommodate the valve seat ring, the opening in the housing can be designed to be stepped widened at its axial end facing the valve seat ring, so that the diameter of the opening expands in one step to a comparatively larger diameter that is adapted to the outside diameter of the valve seat ring. Of the According to one embodiment, the valve seat insert can be pressed into the opening in the housing, that is, an undersize fit is provided between the outer diameter of the valve seat insert and the inner diameter of the opening, in particular the enlargement in the opening. However, it is also possible to introduce the valve seat ring into the housing in a different way, for example to glue, caulk, weld or screw it in.
Es ist nicht zwingend notwendig, dass in einem Dampfexpander alle Ventilschaftführungen mit in die Ventilsitzringe eingesteckten Gleitbuchsen ausgeführt sind. Vielmehr kann nur ein Teil der Ventilschaftführungen entsprechend ausgeführt sein, wohingegen bei einem anderen Teil der Ventilschaftführungen ein Axialspalt zwischen dem Ventilsitzring und der Gleitbuchse vorgesehen ist, nämlich bei solchen Ventilschaftführungen, auf die eine geringere Hebelkraft wirkt.It is not absolutely necessary that all valve stem guides in a steam expander are designed with sliding bushings inserted into the valve seat rings. Rather, only a part of the valve stem guides can be designed accordingly, whereas in another part of the valve stem guides an axial gap is provided between the valve seat ring and the sliding bush, namely in valve stem guides on which a lower leverage acts.
Ein erfindungsgemäßer Dampfexpander weist wenigstens einen Zylinder oder eine Vielzahl von Zylindern, beispielsweise zwei Zylinder, auf, die jeweils einen Zylinderraum und einen Zylinderkolben aufweisen. Durch Dampfexpansion in dem Zylinderraum wird der Zylinderkolben verschoben und kann eine Kurbelwelle antreiben.A steam expander according to the invention has at least one cylinder or a plurality of cylinders, for example two cylinders, each of which has a cylinder space and a cylinder piston. The cylinder piston is displaced by steam expansion in the cylinder space and can drive a crankshaft.
Der oder jeder Zylinderraum ist über ein Einlassventil mit einer Dampfzufuhr des Dampfexpanders und über ein Auslassventil mit einer Dampfabfuhr des Dampfexpanders verbunden. Wenigstens ein Einlassventil, das die Dampfzufuhr nach dem Befüllen des Zylinderraumes mit Dampf absperrt, und/oder ein Auslassventil, das die Dampfabfuhr nach dem Abführen des Dampfes aus dem Zylinderraum versperrt, weist/weisen einen Ventilsitz, einen Ventilkörper und einen am Ventilkörper zu dessen Bewegung relativ zum Ventilsitz angeschlossenen Ventilschaft auf, der in einer erfindungsgemäßen Ventilschaftführung gleitbar gelagert ist.The or each cylinder space is connected to a steam supply of the steam expander via an inlet valve and to a steam outlet of the steam expander via an outlet valve. At least one inlet valve, which shuts off the steam supply after the cylinder space has been filled with steam, and / or an outlet valve, which blocks the steam discharge after the steam has been discharged from the cylinder space, has / have a valve seat, a valve body and one on the valve body for its movement relative to the valve seat connected valve stem, which is slidably mounted in a valve stem guide according to the invention.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren exemplarisch erläutert werden.The invention is to be explained below using exemplary embodiments and the figures.
Es zeigen:
-
1 einen Teil eines Dampfexpanders im Bereich des Einlassventils, jedoch noch ohne die erfindungsgemäße Ventilschaftführung; -
2 ein Ausführungsbeispiel eines Dampfexpanders mit zwei erfindungsgemäß ausgeführten Ventilschaftführungen.
-
1 part of a steam expander in the area of the inlet valve, but still without the valve stem guide according to the invention; -
2 an embodiment of a steam expander with two valve stem guides designed according to the invention.
In der
In das Gehäuse
Der Ventilschaft
Abweichend von der vorliegenden Erfindung ist die Gleitbuchse
Am anderen Ende des Ventilschafts
Die Gleitbuchse
In der
Beim Ausführungsbeispiel gemäß der
In Richtung der Längsachse
Abweichend von der Darstellung gemäß der
Die beiden äußeren Gleitbuchsen
In der
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |