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Zweiwegeventil für eine der Gasturbine eines als Gasturbinenanlage
ausgebildeten Gaserzeugers nachgeschaltete Heißgasleitung Die Erfindung betrifft
ein Zweiwegeventil für eine Heißgasleitung, die der Gasturbine eines als Gasturbinenanlage
ausgebildeten Gaserzeugers nachgeschaltet ist. Ein derartiges Ventil besitzt eine
Ventilkammer mit einer Einlaßöffnung und zwei Auslaßöffnungen, wobei die eine Auslaßöffnung
mit einem Gasverbraucher, z. B. einer Rückstoßdüse, in Verbindung steht und die
andere Auslaßöffnung in die Außenluft führt. Im Innern der Ventilkammer ist ein
drehbares Ventilglied vorgesehen, das den Strom der heißen Gase durch das Ventil
hindurchleitet.
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Derartige Zweiwegeventile sind an sich bekannt, und zwar beispielsweise
für die Steuerung der Auspuffgase von Brennkraftmaschinen der Turbo- oder Kolbenbauart.
Bei Flugzeugtriebwerken, beispielsweise Strahltriehwerken, hat man derartige Ventile
benutzt, um einen Teil des dem Hauptstrahlrohr zugeführten Gases abzuzweigen und
so den erzeugten Schub zu regulieren. Bei Kolbenmaschinen, deren Auspuffgase zum
Antrieb einer Turbine dienen, hat man mit solchen Ventilen die Auspuffgase vor dem
Eintritt in die Turbine wahlweise in die freie Luft ableithar gemacht.
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Bei allen diesen Anwendungsgebieten ist es wichtig, daß sich der
Durchflußquerschnitt des Ventils beim Umschalten nicht ändert, und daher hat man
die Form des Ventilgliedes in bezug auf die Abmessungen und die Anordnung der Öffnungen
in der Ventilkammer so gewählt, daß der effektive Gesamtdurchgangsquersc}lnitt durch
das Ventil im wesentlichen unverändert bleibt, wenn das Ventil aus einer Arbeitsstellung
in die andere bewegt wird.
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Es hat sich gezeigt, daß derartige Zweiwegeventile noch keinen zufriedenstellenden
Betrieb ermöglichen, wenn es sich darum handelt, daß das Ventil die von einem Gaserzeuger
der eingangs erwähnten Art gelieferten, eine hohe Temperatur und große Geschwindigkeit
aufweisenden Gase wahlweise entweder einem Gasverbraucher, z. B. einer Rückstoßdüse,
oder unmittelbar der Außenluft zugeführt werden sollen. Der Erfindung liegt die
Erkenntnis zugrunde, daß die sich in einem solchen Falle ergebenden Schwierigkeiten
behoben werden können, wenn man in der in die Außenluft führenden Auslaßleitung
ein Drosselorgan vorsieht, das so einstellbar ist, daß sich in beiden Arbeitsstellungen
des Ventilgliedes ein etwa gleich großer Riickdruck auf den Gaserzeuger ergibt.
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Der Grund hierfür ist aller Wahrscheinlichkeit nach in der Tatsache
zu sehen, daß als Gaserzeuger benutzte Gasturbinen sehr empfindlich gegen Änderungen
des Auslaßdrucks sind. Bei plötzlichem Anwachsen des Gegendrucks wird die einwandfreie
Arbeitsweise des Verdichters gestört, und das gleiche ist der Fall, wenn plötzlich
der Gegendruck sinkt.
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Ist beispielsweise der Gaserzeuger für einen bestimmten Gegendruck
entworfen, etwa für die Verhältnisse, die sich ergeben, wenn die Hubschraube eines
Helikopters mittels Rückstoßdüsen angetrieben werden soll, die einen beträchtlichen
Gegendruck für die Turbine erzeugen, so hat sich gezeigt, daß das Anlassen der Kraftanlage
Schwierigkeiten bereiten kann. Hierbei ist der Turbinenauslaß über das entsprechend
geschaltete Zweiwegeventil unmittelbar mit der Atmosphäre verbunden, und die Abgase
erfahren dementsprechend einen nahezu vernachlässigbaren Gegendruck.
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Durch die Maßnahme nach der Erfindung werden diese Schwierigkeiten
behoben. Mit Hilfe des Drossel-Organs, das in der in die Außenluft führenden Auslaßleitung
liegt, kann dort nach dem Anlassen, jedoch vor dem Umschalten des Zweiwegeventils,
der gleiche Gegendruck aufgebaut werden, den die als Gaserzeuger wirkende Gasturbine
auch später im normalen Betriebe erfährt, so daß mit einem Zweiwegeventil nach der
Erfindung dafür gesorgt ist, daß dann in beiden Stellungen stets die gleichen Druckverhältnisse
herrschen.
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Zweckmäßig ist das einstellbare Drosselorgan in der Auslaßöffnung
angeordnet, die senkrecht zur Einlaßöffnung gerichtet ist. Auf diese Weise wird
der Vorteil erreicht, daß das genannte Zweiwegeventil in sämtlichen Einstellungen
keine vermeidbaren I)rosselverluste im Gasstrom hervorruft. Zwar könnte das Drosselorgan
auch in dem Auslaß vorgesehen
werden, der dem Einlaß direkt gegenüberliegt,
doch würde dies bedeuten, daß der Verbraucher an den senkrecht zur Einlaßöffnung
gerichteten Auslaß angeschlossen sein muß, so daß im Betriebsfalle die Gase im Ventil
durch die notwendige Umlenkung um 90= einen Druckverlust erleiden. Dieser wird vermieden,
vvenn das Drosselorgan in die senkrecht zur Einlaßöffnung gerichtete Auslaßöffnung
gelegt wird.
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Als einstellbares Drosselorgan wird mit Vorteil eine symmetrische
Drosselklappe benutzt. Es steht zwar grundsätzlich nichts im Wege, ein Drosselorgan
beliebiger Bauart zu verwenden, doch ist eine solche ssmmetrische Drosselklappe
ein einfaches und zweckmäßiges Steuerorgan, das den Vorteil einer leichten Bedienbarkeit
besitzt, da es als symmetrisches Glied beziiglich des vom Gasstrom ausgeübten Drucks
entlastet ist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels eines Zweiwegeventils hervor, das zur Verwendung
in einer Kraftanlage geeignet ist, die eine Breungasturbine aufweist, welche das
Gas zum Antrieb eines düsenangetriebenen Hubschraubers liefert.
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Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht des Ventils, teilweise im Schnitt;
Fig. 2 zeigt im Grundriß das innere, drehbare Ventilglied nach der Schnittlinie
II-II der Fig. 1, und Fig. 3 zeigt in größerem Maßstabe einen Schnitt längs der
Radaiallinie III-III der Fig. 1 durch das drehbare Ventilglied.
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Bei diesem Beispiel liefert ein in der Zeichnung nicht veranschaulichter
Kraftgaserzeuger, beispielsweise eine Brennkraftmaschine, seine Verbrennungserzeugnisse
in einen Kanal 10.
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Zwischen dem Kanal 10 einerseits und zwei Auslaßkanälen 11 und 12
andererseits ist das mit 9 bezeichnete Zweiwegeventil angeordnet. Die Kanäle 11
und 12 führen einerseits zu einem in der Zeichnung nicht veranschaulichten Hubschrauberrotor,
anderseits zum Auspuff. Die zu dem Hubschrauberrotor führende Leitung 11 liegt genau
dem EinlaßkanallO gegenüber, zi ogegen die Auslaßleitung 12 hierzu senkrecht gerichtet
ist. Das Ventil 9 weist eine zylindrische Ventilkammer 13 auf, deren Achse horizontal
gerichtet ist und die eine Einlaßöffnung 14 am unteren Teil der zylindrischen Seitenwandungen
besitzt. Diese Einlaßöffnung 14 steht mit dem an den Gaserzeuger angeschlossenen
Zuführungskanal 10 in Verbindung. An dem oberen Teil der zylindrischen Seitenwandung
besitzt die Ventilkammer 13, genau der Einlaßöffnung 14 gegenüberliegend, eine Auslaßöffnung
15, die mit dem senkrechten, zum Rotor führenden Kanal 11 verhunden ist. In der
zylindrischen Seitenwand der Kammer ist ferner zwischen den heiden anderen Offnungen
eine Auslaßöffnung 16 vorgesehen, die mit der horizontal gerichteten Auslaßleitung
in Verbindung steht.
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Im Innern der Ventilkammer 13 befindet sich ein drehbares Ventil,
das aus zwei in Draufsicht kreisförmigen Seitenwänden 17 und 18 besteht; beide Seitenwände
haben einen mittleren Drehzapfen 19; jeder dieser Zapfen ruht in einem Lager 20
in der benachbarten Seitenwand der Ventilkammer 13. Zwi schen den Seitenwandungen
17 und 18 des drehbaren Ventllgliedes ist senkrecht dazu eine flache, segmentförmig
angeordnete Wand 21 vorgesehen, die - in der Drehachse des Ventilgliedes gesehen
- die Ventilkammer in einen größeren und in einen kleineren
Raum unterteilt. Diese
Wand 21 wird von dazu senkrechten in Draufsicht (Fig. 1) segmentförmigen Trãgern
22 gehalten, die hinter der Wand in dem kleineren Raum des Ventilzylinders liegen.
Außerdem sind radial verlaufende Rippen 23 od. dgl. vorgesehen. die an einer zylindrischen
Außenwand 24 befestigt sind. Diese Außenwand wiederum ist an den Seitenwandungen
17 und 18 des drehbaren Ventilgliede befestigt.
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Jede der Öffnungen 14, 15 und 16 in der zylindrischein Ventilkammer
schließt einen Raumwinkel von etwa 900, an der Drehachse gemessen, ein. Die Begrenzungen
benachbarter Öffnungen haben im Axialschnitt eine im Winkelmaß, bezogen auf die
Drehachse. gemessene gegenseitige Entfernung von 100. Die segmentartige Wand 21
des drehbaren Ventilgliedes umfaßt im Axialschnitt einen Umfangswinkel von ungefähr
1000. Außerdem ist auf der der Auslaßöffnung 16 gegenüberliegenden Seite der Ventilkammer
eine Wand 25 fest angeordnet, die am Umfang der Ventilkammer gemessen eine Winkelbreite
von 700 hat und die segmentartige Ausbuchtung zwischen den einander benachbarten
Kanten der Einlaßöffnung 14 und der zum Hubschrauber führenden Auslaßöffnung 15
abdeckt. Die Wand 25 bildet also in Wirklichkeit eine Fortsetzung der Wandungen
dieser Auslaßöffnungen.
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Bei der in Fig. 1 veranschaulichten Stellung des drehbaren Ventilgliedes
schließt die Wand 21 die Ausfaßöffnung 16 ab. Bei dieser Stellung öffnet das Ventil
einen glatten Durchgang von ungedrosseltem Querschnitt zwischen der festen Wand
25 und der beweglichen Wand 21, so daß das Gas aus dem Gaserzeuger ungehindert dem
Hubschrauberrotor zuströmen kann.
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In der anderen wirksamen Stellung des drehbaren Ventilgliedes verschließt
die Wand 21 die erste Auslaßöffnung 15, die zu dem Hubschrauberrotor führt, während
die Auslaßöffnung 16 geöffnet wird. In dieser Stellung wird das Gas verhältnismäßig
plötzlich bei seinem Durchgang durch das Ventil abgelenkt. Da aber das Gas lediglich
der Auslaßleitung zugeführt wird, ist der Wirkungsgrad des Ventils unter diesen
Bedingungen von untergeordneter Bedeutung. In Zwischenstellungen ist der effektive
Gesamtdurchgangsquerschnitt durch das Ventil immer ungefähr gleichbleibend groß.
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Wegen der Wärmeausdehnungen der verschiedenen Ventilteile und der
Notwendigkeit, für eine hinreichend wirksame Gasabdichtung zu sorgen, ist das drehbare
Ventilglied mit loser Passung in der Ventilkammer 13 angeordnet und mit nachgiebigen
Dichtungsmitteln versehen, die mit der zylindrischen Seitenwandung der Ventilkammer
zusammenwirken.
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Zu diesem Zweck sind die kreisförmigen Seitenwandungen 17, 18 des
drehbaren Ventilgliedes je mit einem ringsum laufenden Wulst 30 od. dgl. versehen,
in dem sich eine Nut 31 befindet. In dieser Nut ist ein Dichtungsring 32 angeordnet,
der sich federnd nach außen gegen die Innenfläche der zylindrischen Seitenwand der
Ventilkammer legt. Die geraden Kanten der teilweise zylindrischen Außenwand 24 des
drehbaren Ventilgliedes sind gleichfalls mit Nuten 33 od. dgl. versuchen, in denen
Dichtungsstreifen 34 liegen. Diese Dichtungsstreifen werden nach außen gedrückt
und im Eingriff mit der zylindrischen Seitenwand der Ventilkammer gehalten, und
zwar durch Blattfedern 35, die innerhalb der Nuten angeordnet sind.
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Wie dargelegt, ist es unerwünscht, daß der wirksame Rückdruck auf
die Turbine des Gaserzeugers
häufigen Schwankungen unterliegt; daher
ist das Ventil mit einem Drosselorgan 36 in der Auslaßleitung 12 versehen. Mit Hilfe
dieses Drosselorgans kann diese Leitung auf einen solchen Wert gedrosselt werden,
der etwa gleich groß ist dem Drosselwert der Kanal anordnung einschließlich der
Düsen des Hubschrauberrotors. bevor das Ventil aus einer Stellung in die andere
bewegt wird. Das Drosselorgan 36 ist als symmetrische Drosselklappe ausgebildet.
Sie weist eine doppelwandige kreisförmige Platte auf und hat einen etwas kleineren
Durchmesser als die Auslaßleitung 12. Die Drosselklappe ist innerhalb dieser Auslaßleitung
neben der Auslaßöffnung schwenkbar gelagert. Die Drosselklappe sitzt auf einer Achse
37, die in Lagern der gegenüberliegenden Kanalwandungen ruht. Das eine Ende der
Achse 37 steht mit einer Steuervorrichtung in Verbindung, mit deren Hilfe die Stellung
der Drosselplatte und damit die wirksame Drosselöffnung geregelt werden kann.