DE1067652B

DE1067652B - Druck-Reduzierventil zur geraeusch- und vibrationsarmen Drosselung stroemender gasfoermiger Medien, insbesondere zur Druckreduzierung von Dampf

Info

Publication number: DE1067652B
Application number: DES54097A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Eberhard Dipl-Phys; Dr Rer Nat Ernst-Aug Dipl-Phys
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1955-05-28
Filing date: 1955-05-28
Publication date: 1959-10-22

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung befaßt sich mit einem Druck-Reduzierventil zur geräusch- und vibrationsarmen Drosselung strömender gasförmiger Medien, insbesondere zur Reduzierung von Dampf auch bei hohen Drücken, Druckgefällen und Durchsätzen, z. B. bei einem Druck von 150 atü und höher in der Zuleitung, einem Druckverhältnis von 6:1 und mehr und bei Durchsätzen von 180 t/h und darüber.

In den üblichen Drosselvorrichtungen wird der zu reduzierende Dampf beim Durchgang durch eine Verengung mit nachfolgendem Expansionsraum entspannt. Bei diesem Reduziervorgang' entstehen Geräusche und Vibrationen, die mit wachsendem Durchsatz und wachsendem Druckgefälle erheblich ansteigen können und des öfteren nicht nur zu stärkster akustischer Belästigung, sondern auch zur Zerstörung des Ventils, nachgeschalteter Einbauten und von Rohrleitungen geführt haben. Als Abhilfe wurde bei hohem Druckgefälle eine Aufteilung in Stufen mit kritischem oder fast kritischem Druckgefälle vorgenommen. Die Stufen werden teilweise durch andere Drosselvorrichtungen als Ventile, wie z. B. Lochzylinder, Blenden, Siebe oder Lochplatten, die auch eine gleichrichtende Wirkung haben können, gebildet.

Weiterhin wurde versucht, durch Doppelsitzventile mit gegeneinander gerichteten Dampfstrahlen eine Verminderung der Geräusche und Vibrationen zu erreichen.

Die Verwendung von Siebplatten ist in Verbindung mit Sicherheitsventilen an sich bereits bekannt. Bei einem mit Gegendruckkammer und Hilfsventil versehenen bekannten Sicherheitsventil befinden sich im Ausflußrohr in Hintereinanderschaltung drei Drosselplatten, welche mit Bohrungen versehen sind und somit Siebplatten darstellen. Diese Siebplatten sollen hierbei vornehmlich als Drosselvorrichtung der Druckentspannung dienen. Es besteht hierbei nicht die Absicht, diese Drosselplatten zur Geräuschminderung heranzuziehen. Dies wäre auch schon aus dem Grunde nicht möglich, weil dabei der Plattenabstand im Verhältnis zur Weite der Durchbrechungen so groß ist, daß sich Freistrahlen ausbilden können. Jedoch sind dort die Durchtrittsöffnungen in den einzelnen Platten versetzt zueinander vorgesehen.

Es ist weiterhin eine Anordnung bekanntgeworden, +5 die sich auf den Auspuff eines Verbrennungsmotors bezieht. Hierbei soll eine Geräuschdämpfung bewirkt werden, und zwar erfolgt die Schallabsorption mit Hilfe von schallschluckenden Materialien, wie Watte, Filz, Glaswolle usw., die zur Erhaltung der Formbeständigkeit von durchlöcherten Metallhülsen, z. B. in Kugejform, umgeben sind. Der Druckabfall beim Durchströmen soll dabei naturgemäß wegen des damit verbundenen Leistungsverlustes möglichst gering ge-Druck-Reduzierventil zur geräusch-
und vibrationsarmen Drosselung
strömender gasförmiger Medien,

insbesondere zur Druckreduzierung
von Dampf

Anmelder:
Siemens-Sctiuckertwerke
Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. Eberhard Koppe
und Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. Ernst-August Müller,
Göttingen,
sind als Erfinder genannt worden

halten werden. Somit soll eine Drosselwirkung möglichst vermieden werden.

Es ist weiterhin eine Einrichtung zur Dämpfung von Geräuschen in Druckleitungen bekanntgeworden. Es handelt sich dabei um eine Bauform, bei der dem Verschlußstück ein von Sieben begrenztes Rohrstück vorgeschaltet ist, welches lose Masseteilchen aus festem Werkstoff enthält. Solche Masseteilchen können als Glasperlen ausgebildet sein oder auch aus Schrot oder facettierten Körperchen bestehen. Einrichtungen zur Dämpfung der Turbulenz in der ankommenden Strömung oder auch zum Herausnehmen von Drallbewegungen im Zwischenstrom, also zum Beruhigen der Strömung, werden auch bei Reduzierventilen häufig angewendet. Wie weit sie dabei zu einer Dämpfung der Schallschwingungen beitragen, ist bei der Betrachtung der vorliegenden Erfindung insofern uninteressant, als hierbei von einer der Absperrstelle nachgeschalteten Reduziereinrichtung ausgegangen wird, bei der die Turbulenz in der Reduziereinrichtung nicht gedämpft, sondern gerade zur Druckreduzierung herangezogen werden soll.

Schließlich ist noch eine Vorrichtung zum Dämpfen von Stößen strömender Gase oder Flüssigkeiten durch in die Druckmittelleitung eingeschaltete querliegende Leitflächen bekanntgeworden, die das strömende Mittel radial ausbreiten. Eine solche Vorrichtung soll

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dem Schutz von Rohrleitungen, Manometern usw. vor plötzlichen Druckstößen dienen. Dies wird bei der bekannten Vorrichtung dadurch erreicht, daß die steile Vorderfront eines solchen Druckstoßes im Druckmittel abgebaut wird. Die einander gegenüberliegenden Leitflächen sind dabei mit ineinandergreifenden, quer zur radialen Strömungsrichtung liegenden Wellungen versehen, die die Reibung des strömenden Mittels an den Leitflächen erhöhen und den Strömungsweg zwischen den Leitflächen verlängern. Eine Drosselung ist dabei nicht erwünscht und soll sogar weitgehend vermieden werden.

Im Gegensatz zu einem Teil der genannten bekannten Anordnungen, bei denen bereits vorhandener Schall durch Absorption herabgesetzt werden soll, kommt es bei der Erfindung darauf an, bei der Druckreduzierung von gasförmigen Medien das Entstehen von Schall überhaupt zu verhindern. Den geschilderten bekannten Ausführungsformen von Drosselvorrichtungen ist weiterhin gemeinsam, daß Freistrahlen hoher Geschwindigkeiten auftreten, deren kinetische Energie durch Freistrahlvermischung in Wärme übergeführt wird. Die durch den ungeregelten Zerfall des Freistrahls und den Vermischungsvorgang erzeugten Druckschwankungen sind die Hauptquelle der Ge- ^a5 räusche und Vibrationen.

Weitere starke Geräusch- und Vibrationsquellen treten bei ungünstigem Aufprall der Freistrahlen auf die Wände des Ventilgehäuses oder auf ungünstig angebrachte Einbauten auf.

Eine schließlich noch zu nennende, Beachtung verdienende Störquelle stellen Hohlräume auf der Niederdruckseite des Ventilgehäuses dar. die durch die obenerwähnten Einbauten geschaffen werden. In diesen Hohlräumen können sich bei ungünstigen Abmessungen Hohlraumschwingungen ausbilden. Befindet sich in der Apparatur ein schwingfähiger Teil mit einer Eigenfrequenz, die in der Nähe einer solchen Hohlraumschwingung liegt, so kann die Apparatur sehr schnell zerstört werden.

Der Erfindung liegen Überlegungen zugrunde, daß das Auftreten von Druckschwankungen, die beim ungeregelten Zerfall von Freistrahlen und beim Vermischungsvorgang erzeugt werden, und die Geräusche und Vibrationen hervorrufen, zunächst vermieden werden muß. Die Freistrahlvermischung darf also zur Entspannung des Dampfes nicht mehr herangezogen werden, sondern das strömende Medium wird bei niedriger Geschwindigkeit in einem labyrinthartigen \^erzweigungssystem unter ständigen Rieh- 5<> tungs- und gegebenenfalls Geschwindigkeitsänderungen durch innere turbulente und molekulare Reibung auf einen vorgegebenen Enddruck entspannt. Die Freistrahlvermischung als Hauptquelle der Störungen wird dabei für die Entspannung des Dampfes gar nicht mehr herangezogen.

Abgesehen davon, daß als Drosselstrecke ein labyrinthartiges Verzweigungssystem mit den geschilderten Eigenschaften verwendet wird, das sich vorzugsweise unmittelbar an den Ventilsitz des Verschluß-Stückes anschließt, wodurch das Auftreten einer Freistrahlwirkung der geschilderten Art vermieden wird, hängen die bei der Reduzierung entstehenden Geräusche und Vibrationen stark von der Strömungsgeschwindigkeit und von den geometrischen Abmessungen des labyrinthartigen Verzweigungssystems ab, d'e wiederum die Strömungsgeschwindigkeit beeinflussen.

Aus diesen Überlegungen heraus sieht die Erfindung vor, bei einem Druck-Reduzierventil der oben 7»

beschriebenen Bauweise die einzelnen ebenen oder gewölbten Platten, welche mit geringem Abstand übereinandergeschichtet und mit gegeneinander versetzten Durchtrittsöffnungen versehen, das Labyrinthsystem bilden, in besonderer Weise zu gestalten und anzuordnen. Die Erfindung besteht in einer solchen Gestaltung und Anordnung der Platten sowie in einer Verteilung und Anzahl der Durchtrittsöffnungen, daß einerseits bei maximalem Durchfluß eine vorgegebene Strömungsgeschwindigkeit an keiner Stelle der gesamten Reduziervorrichtung erreicht oder überschritten wird, andererseits aber der freie Querschnitt der einzelnen Durchtrittsöfrnungen klein, insbesondere kleiner als 100 mm² ist.

Wie bereits erwähnt, hängen die bei der Reduzierung von Dampf hohen Druckes entstehenden Geräusche und \^ribrationen sehr stark von der Strömungsgeschwindigkeit ab. Sie wachsen mit einer hoben Potenz der Geschwindigkeit an. Durch geeignete Bemessung der Durchtrittsöffnungen und der Abmessungen des Labyrinthsystems läßt sich jedoch die Geschwindigkeit bei maximalem Durchfluß in allen Teilen der gesamten Reduzierapparatur einschließlich der etwa vorhandenen Regelteile unter einer vorgegebenen Geschwindigkeit erhalten. Auf diese Weise können die Geräusche und Vibrationen auf praktisch jedes gewünschte Maß herabgesetzt werden.

Durch unmittelbares Heranrücken des Labyrinthsystems an die Absperrstelle können die die Wellenlänge der Hohlraumschwingungen bestimmenden Abmessungen so klein gemacht werden, daß für deren Anregung praktisch lceine anfachenden Frequenzen mehr in der Strömung vorhanden sind. Wenn man bei Betrachtung des eingangs genannten bekannten Sicherheitsventils, bei dem im Ausflußrohr eine Anzahl Drosselplatten eingesetzt sind, das Zusammenwirken dieser Drosselplatten als Labyrinthsystem ansprechen wollte, so befindet sich dieses nicht unmittelbar hinter dem Ventilsitz des Verschlußstückes, so daß bei der bekannten Anordnung ein Freistrahl auftreten kann und somit mit der Entstehung von Hohlraumresonanzen im hörbaren Bereich zu rechnen ist.

Weiterhin sind die Drosselplatten bei dem bekannten Sicherheitsventil nicht als Labyrinthsystem im Sinne der vorliegenden Erfindung aufzufassen, bei dem also nicht eine Schichtung einzelner Lochplatten schlechthin eine Art Labyrinth bildet, sondern bei dem für das Verzweigungs system ganz bestimmte geometrische Abmessungen notwendig werden, um dadurch die gewünschten Bedingungen zu erfüllen. Es kommt bei der Erfindung darauf an, daß die Labyrinthwirkung durch besondere Eigenschaften der das Verteilungssystem aufbauenden Platten mit ihren Öffnungen sichergestellt wird. So kann zur Verstärkung der Labyrinthwirkung eine besondere Oberflächengestaltung der Platten vorgesehen sein. Dementsprechend können die Platten mit Erhöhungen oder Vertiefungen versehen werden. Es ist dabei besonders zweckmäßig, die Plattenoberflächen gegenüber einer Durchtrittsöffnung der benachbarten Platte muldenartig zu vertiefen, wobei gegebenenfalls die Muldenränder zugeschärft sind. Weiterhin kann vorteilhaft die Plattenoberfläche zwischen den Durchtrittsöffnungen stark aufgerauht sein.

Bezüglich der Anzahl und Verteilung der Durchtrittsöffnungen kann eine weitgehende Beeinflussung der Labyrintheigenschaften bewerkstelligt werden. So kann es zweckmäßig sein, das Verhältnis des gesamten Durchtrittsquerschnittes einer Schicht zur Gesamt-

Claims

fläche der Platte größer als 1:6, insbesondere 1:4 zu bem essen. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die Strömungsquerschnitte in den aufeinanderfolgenden Platten im Sinne der Erhaltung einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit zunehmen zu lassen. Dies kann insbesondere durch Erhöhung dar Anzahl der Einzelbohrungen erfolgen. Auch die Bemessung des Abstandes zwischen den einzelnen Platten bedarf einer Beachtung. So kann es zweckmäßig sein, den Plattenabstand in einer solchen Abhängigkeit von der Größe der einzelnen Öffnungen in den Platten zu bemessen, wie dies weiter unten noch näher ausgeführt werden soll. Die Austrittsfläche des Labyrinthsystems ist zweckmäßig mindestens gleich dem endgültigen Querschnitt des Abflußrohres hinter dem Ventil. Die Austrittsöffnungen der letzten Platte können kleiner als 25 mm2 sein. Im übrigen sei noch darauf hingewiesen, daß das Labyrinthsystem gegebenenfalls auch aus einer oder mehreren Schichten porösen Materials bestehen kann, wie es an sich in Anwendung zur Drosselung schlechthin bereits bekannt ist. An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel in seinen für die Erfindung wesentlichen Teilen für ein geräuscharmes regelbares Reduzierventil nach der Erfindung. Unmittelbar unterhalb des Ventilkegels ν befindet sich ein aus mehreren Platten s bestehendes Verzweigungssystem. Der Dampf tritt durch die erste Platte ^1, durch eine große Zahl von öffnungen a hindurch und trifft dann auf die nächste Platte ss, deren öffnungen a so angebracht sind, daß den Öffnungen der ersten Plattej1 verschlossene Teile der nächsten Platte s2 gegenüberstehen. Der Dampf wird dadurch aufgestaut und zu einem Geschwindigkeits- und Richtungswechsel gezwungen. Dieser Vorgang wiederholt sich bei der in gleicher Weise angeordneten Platte Sii und den weiteren darauffolgenden Platten. Die durch die Geschwindigkeits- und Richtungswechsel verursachte turbulente Reibung im Innern der Strömung sorgt für die Entspannung des Dampfes; sie wird durch eine geeignete Formgebung der Plattenoberflächen erhöht, wobei in die Strömung ragende Spitzen besonders wirksam sind. Wie vorgenommene Körperschallmessungen gezeigt haben, ist es günstig, wenn man den Abstand zwischen dem Ventilsitz des Verschluß Stückes und Beginn der obersten Plattex1 gerechnet. Durch geeignete bemißt, daß diese Entfernung e, wie oben erwähnt, -gering, d. h. nicht größer wird als 2|/^ wobei f den wirksamen Querschnitt der Austrittsöffnung des Absperrteiles darstellt. Das Maß e ist dabei bis zum Beginn der obersten Platte s, gerechnet. Durch geeignete Bemessung des Abstandes 3 zwischen den einzelnen Platten s und durch bestimmte Bemessung der Öffnungen a können noch weitere Verbesserungen der geräuschdämpfenden Wirkung hervorgerufen werden. Man wird im allgemeinen bestrebt sein, die einzelnen öffnungen klein zu halten. Der gesamte freie Durchtrittsquerschnitt einer Platte kann von Platte zu Platte durch Hinzunahme neuer öffnungen — wie dies in der Zeichnung dargestellt ist — oder durch Vergrößerung der einzelnen öffnungen so erweitert werden, daß die Geschwindigkeit des Dampfes im gesamten Svstem einschließlich des Austritts aus dem System niedrig bleibt, was sich "bei Messungen als sehr vorteilhaft erwies. Es hat sich als günstig herausgestellt, den gesamten freien Querschnitt der Öffnungen in einer Platte etwa gleich einem Viertel der gesamten Plattenfläche zu wählen. Der freie Querschnitt der einzelnen Durchtrittsöffnungen in einer Platte kann gegebenenfalls kleiner als 100 mm2 gewählt werden. Die Erweiterung des Systems von Platte zu Platte gestattet es, schon am Ende des Reduzierventils den Querschnitt q des endgültigen Abflußrohres zu erreichen. Damit kann die Baulänge des Ventils kurz gehalten werden; die nachgeschalteten diffusorartigen Erweiterungsstücke, die ihrerseits oft durch Ablösung der Strömung an der Wand als Schallquelle wirken können, werden vermieden. Wie die Versuche weiterhin gezeigt haben, treten bei einem solchen Dampfdruck-Reduzierventil nach der Erfindung durch Vermeiden der bei den üblichen bekannten Drosselvorrichtungen auftretenden Freistrahlvermischung und durch die Ausnutzung der inneren turbulenten Reibung, an deren Stelle nunmehr praktisch keine unerwünschten Geräusche und Vibrationen mehr auf. Durch die Anordnung des Labyrinthsystems unmittelbar hinter der Absperrstelle ließen sich in der Praxis unerwünschte Hohlraumschwingungen im Hörbereich vollständig vermeiden. Wenn man als Drosselstrecke ein labyrinthartiges Verzweigungssystem verwendet, so können die hierin hervorgerufenen ständigen Geschwindigkeits- und Richtungsänderungen auch durch andere Vorrichtungen als die oben beschriebenen verwirklicht werden. Dementsprechend können auch andere Anordnungen der Platten angewendet werden, z. B. eine Folge koaxialer Zylinder. Weiterhin ist es möglich, auch andere Führungen der Öffnungen a in den Platten vorzusehen als dies in der Zeichnung dargestellt ist. Dabei ist beispielsweise an schräge oder gewundene öffnungen zu denken. Patentansprüche:

1. Druck-Reduzierventil zur geräusch- und vibrationsarmen Drosselung strömender gasförmiger Medien, insbesondere zur Druckreduzierung von Dampf, mit sich vorzugsweise unmittelbar hinter dem Ventilsitz des Verschlußstückes anschließender Drosselstrecke, die durch ein labyrinthartiges Verzweigungssystem gebildet ist und in geringem Abstand übereinandergeschichtete ebene oder gewölbte Platten mit gegeneinander versetzten Durchtrittsöffnungen enthält, gekennzeichnet durch eine Gestaltung und Anordnung der Platten, sowie eine Verteilung und Anzahl der Durchtrittsöffnungen, daß ohne Erreichen oder Überschreiten einer vorgegebenen Strömungsgeschwindigkeit an irgendeiner beliebigen Stelle der gesamten Reduziervorrichtung bei maximalem Durchfluß der freie Querschnitt der einzelnen Durchtrittsöffnungen klein, insbesondere kleiner als 100 mm² ist.

2. Ventil nach Ansoruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des gesamten Durchtrittsquerschnittes einer Platte zur Gesamtfläche derselben größer als 1:6, zweckmäßig 1:4 ist.

3. \^rentil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstärkung der Labvrinthwirkung die Plattenoberfläche mit Erhöhungen oder Vertiefungen versehen ist.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenoberfläche an Steven, welche einer öffnung der benachbarten Platte