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Absperrventil mit stromlinienförmigem Ventil-Verschlußstück Die vorliegende
Erfindung betrifft ein Absperrventil mit einem allseitig umströmten stromlinienfönnigen
Ventilverschlußstück, welches durch eine außerhalb des Gehäuses befindlIche Betätigungseinrichtung
über in sich bekannte, achsparallel verschiebbare Betätigungsstangen und über radial
sich erstreckende, frei stehende, strömungsgünstig profilierte VerbindunRsteile
axial verschiebbar ist.
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Wegen seines gün2tigen Strömungswiderstandes eignet es sich als Absperrvorrichtung
für stetig mit hohen Geschwindigkeiten und Drücken strömende Medien an Stelle von
normalen Absperrventilen oder Absperrschiebern und ist besonders als Regelventil
geeignet.
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Eine Absperrvorrichtung bildet in einer Rohrleitung immer ein Hindernis
mit erhöhtem Durchflußwiderstand bzw. mit größerem Druckverlust. Besonders übliche
Ventile ergeben wegen mehrfacher Umlenkung teils sehr hohe Widerstände, die im allgemeinen
ein Vielfaches eines sehr guten, gleich großen Schiebers betragen können.
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Da Schieber zur Regelung aus allgemein bekannten Gründen (starke Wirbelbildung
bei Drosselstellungen, Korrosionsgefahr, einseitiger Druck auf das Verschlußstück
u. a.) nicht in allen Fällen geeignet sind, ist es notwendig, die Durchflußwiderstände
auch in Ventilen, die zum Regeln am besten geeignet sind, bedeutend herabzusetzen.
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Eine Lösung dieser Aufgabe erstrebt die vorliegende Erfindung.
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Die bisher bekanntgewordenen Ausführungen von Ventilen der eingangs
angegebenen Art haben in ganz großen Abmessungen für Wasserturbinenanlagen, Talsperren
u. ä. eine praktische Verwendung gefunden. Die für mittlere und kleine Nennweiten
bisher bekanntgewordenen Ausführungen weisen offenbar noch Nachteile auf, so daß
sie in der Praxis bisher nicht bekanntgeworden sind.
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Die Grundform dieser Ventile enthält jedoch außerordentliche Entwicklungsmöglichkeiten
in sich, vor allem in ihrer Anwendung bei hohen Mediendrücken und Geschwindigkeiten,
auch in Verbindung mit feinsten Regelmöglichkeiten, ohne die Nachteile, welche die
bisherigen Absperrventile und Schieber für dieses Gebiet aufweisen.
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Die vorliegende Erfindung beseitigt die bestehenden Nachteile und
hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Strömungswiderstände soweit wie möglich zu
senken und auch den Antrieb so zu gestalten, daß er für kleine und mittlere Nennweiten
brauchbar ist, sowie auch die baulichen Einzelheiten in eine einfache praktische
und wirksame Form zu bringen. Die Aufgabe wird zunächst dadurch gelöst, daß als
Verbindungsteile zwischen dem Ventilverschlußstück und den Betätigungsstangen vorzugsweise
zwei Tragflügel mit stromlinienförmigen, symmetrischen und tiefen Profilen und trapez-
oder rhombusfönnigem Grundriß vorgesehen sind und deren freie, als stimseitige Augen
ausgebildete Enden unmittelbar und fest mit den Enden der durch die Gehäusewand
geführten Betätigungsstangen verbunden sind.
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Bei den bisher bekanntgewordenen Verschlußstückausführungen dieser
Art werden als radiale Verbindungsteile zwischen dem Verschlußstück und den Betätigungsstangen
bzw. der Betätigungseinrichtung Arme, Stangen, Traversen oder hakenförmige Stäbe
benutzt, die für die Belange einer einwandfreien Strömungsführung mit geringsten
Strömungswiderständen nicht geeignet erscheinen, da sie entweder überhaupt keine
Strömungsprofilierung oder nur eine unvollkommene, nur das gegebene zu kurze Profil
ausnutzende und nur ini Durchströmraum strömungsgünstig gestaltete Form aufweisen.
Dadurch und durch die kurze Profiltiefe kann ein kleinster Strömungswiderstand nicht
erreicht werden. Durch die kurzen Profiltiefen wird auch meist das erforderliche
Widerstandsmoment der Verhindungsteile zum Dichtschließen des Ventils nicht aufgebracht.
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Zwar ist die Verwendung von stromlinienförmigen Profilen für Rippen
zum Befestigen von Einsatzkörpern im Gehäuse allgemein bekannt. Jedoch bestehen
zwischen solch beidseitig befestigten Rippen an feststehenden Körpern und frei stehenden
Tragflügeln am beweglichen Objekt grundsätzliche Unterschiede. Auch ist die Vollkommenheit
der Profilierung
und die Güte der Oberfläche bei dies -en durch
Gießverfahren hergestellten, meist schwer zugänglichen Rippen wesentlich geringer
als bei den vorzugsweise im Gesenk geschmiedeten und nachträglich bearbeiteten Tragflügeln
nach der Erfindung.
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Durch die Befestigungsart der radialen Verbindungsteile nach außen
mit den Betätigungsstangen bzw. den Betätigungseinrichtungen entstehen bei den bekannten
Ventilen bei kleinen Nennweiten ebenfalls beachtliche Nachteile, die eine praktische
Verwendung bei kleineren Ventilgrößen verhindern.
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So ist eine gelenkige Verbindungsart für große Ventile bekanntgeworden,
die direkt im Strömungsraum liegt, was zwar den Vorteil vollkommen glatter Ventilgehäuse
ohne Schlitzführungen bringt, was aber bei mittleren und kleinen Ventilen, deren
radiale Breite des Strömungsraumes sehr klein ist, nicht möglich ist. Jedoch bringt
diese Anordnung den Nachteil höherer Strömungswiderstände an den Verbindungsstellen
mit sich, was bei großen Abmessungen mit kleinen Durchflußgeschwindigkeiten ohne
weiteres in Kauf genommen werden kann, aber für kleinere Ventile mit hohen Geschwindigkeiten
kaum tragbar wäre.
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Ferner sind zwei weitere Verbindungen bekanntgeworden, die nur durch
mehrfach radial durchbrochene Ventilgehäuse (Druckgehäuse) ermöglicht werden, was
wohl bei niederen Drücken anwendbar, bei hohen Drücken jedoch in mehrfacher Hinsicht
sich bekanntlich nachteilig auswirkt.
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Des weiteren ist eine Verbindungsart über Ringarmierung bekannt, die
zur Hubbetätigung große tote Ringkammern benötigt, was sich ebenfalls bei höheren
Drücken auf die Ventilgrößen- und Gewichte- nachteilig auswirkt.
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Diese Nachteile werden erflndungsgemäß, wie oben dargelegt, dadurch
beseitigt, daß die freien Enden der Tragflügel als stimseitige Augen ausgebildet
sind, in welchen die durch die Stimgehäusewand geführten Betätigungsstangen befestigt
sind.
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Durch diese Anordnung ist eine einwandfreie Verbindung aus dem Druckraum
nach außen mit dem Antrieb hergestellt, wodurch auch das Ventilgehäuse so über die
Flügelaugen und über die Betätigungsstangen auf den erforderlichen Strömungsquerschnitt
eingezogen werden kann, daß jeder tote Raum vermieden wird und kleinste Abmessungen
und Gewichte neben weiteren günstigen Vorteilen, wie Vermeidung von radialen Gehäusedurchbrüchen
und toten Ringkammern, erzielt werden.
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Weiterhin ergeben die bekannten Befestigungsarten der radialen Verbindungsteile
nach innen mit dem Verschlußstück nicht für alle Fälle anwendbare Verhältnisse.
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So ist eine Ausführung bekannt, bei welcher als Verbindungsteile Stangen
kreuzweise durch das Ventilgehäuse in das Verschlußstück eingeschoben werden. Dies
ist jedoch nur bei großen Ventilen anwendbar, da die Stangen im Kreuzpunkt nachträglich
befestigt werden, wozu große, hohle und zugängliche Verschlußstücke notwendig sind.
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Eine weitere Konstruktion zeigt gelenkige Verbindungen, wobei jedoch
Führungen am Verschlußstückkörper benötigt werden, was zusätzlichen, wenn auch geringen
Querschnittsraum erfordert, bei Stromlinienformen jedoch nicht anwendbar ist und
wodurch der Strömungsraum durch die vorhandenen Führungsrippen nicht mehr maschinell
bearbeitet werden kann. Ferner ist eine weitere Ausführung bekannt, bei welcher
ein Armkreuz im Verschlußstück befestigt ist. Dies erfordert dort jedoch eine Teilung
und Verschraubung des Verschlußstückes und des gesamten Ventilkörpers in _der Kreuzebene
zum Einbringen des Armkreuzes, was unvorteilhaft ist.
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Demgegenüber zeigt die Erfindung eine Ausführung, die für kleine und
große Ventile anwendbar ist und darin besteht, daß das Verschlußstück und bei zusammengesetztem
Verschlußstück (Abb. 4) die Verschlußstücknabe mit den Tragflügeln aus einem Stück
besteht, wobei das Verschlußstück bzw. die starkwandige Nabe mit den Tragflügeln
im Gesenk geschmiedet oder durch Gießen herstellbar ist.
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Die scharfe Abströmkante der Tragflügel ist bei geschlossenem Ventil
den größten auftretenden Zugspannungen ausgesetzt. Um sie vor allem bei größeren
Ventilausführungen festigkeitsmäßig zu entlasten, ist es vorteilhaft, einen stromaufwärts
breiteren Parallelschnitt mit der größten Zugspannung zu belasten. Dies erfolgt
am einfachsten dadurch, daß das Flügelprofil von einem ungefähr elliptisch-rechteckigen
Kern gebildet wird, der eine Stromlinienverkleidung aus nichtrostendem Stahlblech
oder einem dem Durchflußmittel entsprechenden Werkstoff erhält, wobei dieser tragende
Kein ebenfalls mit der Verschlußstücknabe aus einem Stück besteht.
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Eine vorteilhafte einfache Zusammensetzung des Ventilverschlußstückes
ist, wo notwendig, in mehr facher Hinsicht empfehlenswert. Bei der vorliegenden
Anordnung der Verschlußstückbetätigung läßt sich eine einfache und gute Aufteilung
des Verschlußstückes leicht durchführen, und zwar dadurch, daß die An- und Abströmspitze
gemeinsam und zentrisch miteinander in der Verschlußstücknabe fest verschraubt sind,
wobei der Verschlußstücksitzring von der Anströmspitze zentriert und gleichzeitig
durch die Abströmspitze als Mutter mitverschraubt ist.
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Eine weitere und gute Aufteilung des Verschlußstückes ist dadurch
gekennzeichnet, daß die An- und Abströmspitze auf Gewindebolzen der Verschlußstücknabe
aufgeschraubt sind, wobei die Anströrnspitze gleichzeitig den Verschlußstücksitzring,
der durch den Gewindebolzen zentriert wird, mitverschraubt.
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Zwar sind Verschlußstücke bekanntgeworden, bei welchem eine Profilmutter
als Teil der Anströmspitze ausgebildet ist, während der Gewindebolzen die eigentliche
Anströmspitze darstellt, wobei der Verschlußstücksitzring auf einer eigenen Zentrierung
aufgeschoben ist. Alle drei Teile: der Gewindebolzen, die Profilmutter und der Sitzring,
bilden zusammen mit dem Verschlußstückkörper die Anströmspitze und erfordern gemeinsame
Bearbeitung, wenn eine glatte Anströrnfläche gewährleistet werden soll. Dies wird
vor allem beim notwendigen Wechsel des Sitzringes kostspielig oder eventuell ungenau.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführung überdeckt die Anströmspitze den
Gewindebolzen vollständig unter gleichzeitiger Zentrierung und Verschraubung des
Sitzringes auf dem Gewindebolzen. Dadurch ist die meist kegelige Anströmfläche ein
einheitliches Ganzes, wodurch die unerwünschten Ablösungen und Wirbel beim Anströmen
weitgehend vermieden werden und die kegehgen Sitzringe leicht angepaßt werden können.
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Die bisher bekannten Betätigungseinrichtungen für Verschlußstücke
mit radialen Verbindungsteilen zur
axialen Verschiebung sind wohl
für große Ventile, teilweise vermittels hydraulischer Antriebe, befriedigend gelöst,
jedoch für mittlere und kleine Ventilarten sind noch keine zufriedenstellenden Antriebslösungen
vorhanden, sei es, daß die Gleichmäßigkeit der Verschiebung nicht immer gewährleistet
ist, oder sei es, daß bei der Betätigung die Abdichtung und die Reibungskräfte Schwierigkeiten
erzeugen, oder sei es, daß allgemeine Unzulänglichkeiten dieser Antriebe hinderlich
im Wege stehen.
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Eine einfache und wirksame Antriebskonstruktion, welche die vorstehenden
Schwierigkeiten vermeidet, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die zum
Betätigen des Verschlußstückes nach außen ragenden Enden der Betätigungsstangen
mit einer axial verschiebbaren Antriebsmutter fest verbunden sind, wodurch ein geschlossener,
starrer Betätigungs-und Führungsrahmen gebildet ist, der alle axial verschiebbaren
Teile enthält und über die Antriebsmutter durch eine zentrisch auf dem Ventilgehäusekopf
geführte, drehbare Gewindebüchse beweglich ist, wobei die drehbare Gewindebüchse
axial unverschiebbar gelagert und die verschiebbare Antriebsmutter durch Führungsbolzen
am Drehen verhindert ist.
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Bei dieser Anordnung des Antriebes erfolgt die Schließung des Ventils
über die Betätigungsstangen normalerweise mit Zugkräften entgegen der Strömungsrichtung,
was in Verbindung mit der günstig gelegten Trennfläche des Ventils ganz besonders
bauliche Vorteile ergibt. Es wird unter anderem möglich, das Rohrleitungsende z.
B. auch bei abgenommenem Ventilgehäuse abzuschließen, da sämtliche Teile, die zum
Verschluß notwendig sind, auf dem -Ventilgehäusekopf sitzen. Damit ist auch die
volle Zugänglichkeit, Prüfung und Betrachtung des unter Druck stehenden Verschlusses
ohne Ventilgehäuse direkt gegeben.
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Weiterhin wird der Ventilgehäusekopf in axialer Richtung beim Schließen
nur mit Druckkräften auf kürzeste Entfernung beansprucht, wogegen das Ventilgehäuse
frei von Verschlußkräften bleibt.
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Ferner ist das Ventilgehäuse bautechnisch zu einem einfachen, erweiterten
Druckrohr von fast untergeordneter Bedeutung geworden, welches nur durch die Hubraumtaschen
unterbrochen wird und dessen Strömungsraum (Bohrung) maschinell auf Drehbänken leicht
bearbeitbar ist, weil derselbe völlig frei und ohne Rippen ist, und es kann sowohl
in Schmiedestahl (schweißtechnisch) wie in Gußausführung in einfachster Weise hergestellt
werden.
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Die Schließung des Ventils könnte auch durch Druckkräfte in den Betätigungsstangen
erfolgen, jedoch wären vorstehende und weitere Vorteile nicht mehr gegeben und zudem
besondere konstruktive Maßnahmen erforderlich. Das Ventil kann natürlich auch von
der anderen Seite, vermutlich mit weniger günstigem Widerstandswert, durchströmt
werden.
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Nun ist zwar ein wesensähnlicher Antrieb bekanntgeworden mit einem
Handrad als Mutter (Gewinde in der Nabe), mit einem Gleitring zur Betätigungsübertragung,
mit einem Viergelenkrahmen, der über ein Zwischenglied auf das Verschlußstück wirkt
und ein dehnbares Wellrohr erforderlich macht. Dies kann jedoch mit dem Antrieb
nach der Erfindung nicht verglichen werden, da die Einfachheit und der Anwendungsbereich
für hohe Drücke nicht gegeben sind, die Rohrleitung beweglich angeordnet werden
muß, da sie die öffnungs- und Schließbewegung mitmacht, die Zugstangen gleichzeitig
die gesamten Rohrkräfte aufnehmen müssen" die radialen Verbindungsteile nicht direkt
am Verschlußstück, sondern an diesem Zwischenglied sitzen und zwischen Verschlußstück
und Zwischenglied eine Stange notwendig ist, so daß die ganze Bauart große Abweichungen
aufweist.
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Beim erfindungsgemäßen Ventil ist der Leitungsflansch aufschraubbar
angeordnet, um das Aufschieben der Ventilantriebsteile zu ermöglichen. Damit man
bei Reparaturen dieser Teile das ganze Ventil nicht ausbauen muß oder um Ventile
mit angegossenem Flansch verwenden zu können, ist auch eine zerlegbare Anordnung
vorgesehen, bei der die Betätigungsteile des Antriebes, wie Handrad, Gewindebüchse
und Antriebsmutter, geteilt ausgeführt sind.
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Auch sind Antriebe mit senkrechter Spindel anwendbar. Bei größeren
Ventilen werden an Stelle der zentralen Antriebsteile andere Antriebe mechanischer,
elektrischer oder hydraulischer Art angeschlossen.
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Die leichte Abdichtbarkeit des flachen Kegelsitzes empfiehlt einerseits
die Verwendung eines empfindlichen, leichtgängigen Antriebes. Dieser wird erfindungsgemäß
am besten dadurch erreicht, daß sich die Gewindebüchse für die Betätigung des Ventilverschlußstückes
beim Schließen des Ventils am Ventilgehäusekopf über ein Kugellager abstützt. Um
die Anpressung auch vollelastisch durchführen zu
können, ist es möglich, gleichzeitig
mit dem Kugellager auch eine Druckfeder einzuschalten. Wird die Druckfeder allein
zwischengeschaltet so kann das Ventil auch als Sicherheitsventil verwendet werden.
Eine Verwendung als Rückschlagventil ist ebenfalls möglich.
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Andererseits empfiehlt die leichte Abdichtbarkeit des flachen Kegelsitzes
Antriebe, die selbst auf zuviel Kraftaufwendung ansprechen. Dies wird erfindungsgemäß
erreicht durch Zwischenschaltung von Rutschelementen zum Schutze gegen überlast,
wobei zwischen der Gewindebüchse und dem Antrieb (z. B. Handrad) eine selbstauslösende,
einstellbare überlastkupplung angeordnet ist, welche die Antriebsverbindung nach
Erreichung des erforderlichen Schließdruckes selbsttätig löst. Durch einen einschaltbaren
Mitnehmerbolzen ist als Sicherungsmaßnahme eine starre Kupplung möglich.
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Zwar werden Rutschkupplungen allgemein vielfach verwendet, doch ist
bei dieser Ventilart noch keine Anwendung bekanntgeworden. Außerdem wird hier gemäß
der Erfindung eine arteig'ene'Oberlastkupplung zur Anwendung gebracht, die darin
besteht, daß die überlastkupplung aus einer federbelasteten Reibkupplung im Handrad
besteht, deren getriebener Teil (Kupplungsflansch) mit der Gewindebüchse fest verbunden
und mit Rastzähnen versehen ist, während der antreibende Teil des Handrades unter
einstellbarem Federdruck in die Rastzähne eingreifen kann, wobei durch einen einschaltbaren
Mitnehmerbolzen eine starre Kupplung herstellbar ist.
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Durch die Ausbildung der freien Tragflügelenden zu stimseitigen Augen,
in welchen die freien Enden der achsparallelen Betätigungsstangen befestigt sind,
ist es andererseits, wie schon früher erwähnt, nun auch möglich geworden, das VentilgeSäuse
so über
die Flügelaugen und den Betätigungsstangen auf den Strömungsquerschnitt
einzuziehen, daß das gan c
Ventilgehäuse (Druckgehäuse) in einfachster Weise
über das fertig eingebaute Ventilverschlußstück ohne radiale Gehäusedurchbrüche,
aufgeschoben werden kann, wobei erfindungsgemäß das Ventilgehäuse von der Trennfläche
ausgehende Sacklängsbohrungen als Hubräume für die Befestigungsaugen an den Tragflügelenden
hat.
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Zwar ist eine Ausführung bekannt, bei welcher das Ventilgehäuse ebenfalls
in einfacher Weise über das fertig eingebaute Ventilverschlußstück aufgeschoben
werden kann. Jedoch ist dort eine Einziehung auf Strömungsquerschnitt, wie bei der
Erfindung, wegen der vorhandenen Ringarinierung der radialen Verbindungsteile unmöglich,
da diese Ausführung einen großen schädlichen Ringraum, als Hubraum erfordert.
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Eine weitere Ausführung ist bekanntgeworden, bei welcher das Ventilgelfäuse
ebenfalls in einfachster Weise über das fertig eingebaute Ventilverschlußstück auch
ohne Sacklängsbohrungen aufgeschoben werden kann. Dies ist jedoch nur bei ganz großen
Ventilausführungen von Wasserturbinenanlagen ausgeführt, bei welchen es möglich
wurde, die radialen Verschlußstückverbindungen mit den Betätigungsstangen in dem
großen radialen Wasserraum unterzubringen, was bei mittleren und kleinen Ventilgrößen
wegen der zu niedrigen radialen Strömungsräume nicht mehr möglich ist.
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Auch eine dritte Ausführung kann nicht als Vergleich herangezogen
werden, da es sich zwar auch um über Betätigungsstangen (Kolben) eingezogene Ventilgehäuse
handelt, die jedoch im Mittelteil desselben angeordnet und beidseitig offen sind
zur Anflanschung von Druckzylindern und außerdem radiale Gehäusedurchbrüche notwendig
machen zur Einführung der radialen Verbindungsteile.
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Bei großen Ventilen werden neben den allgemeinen Teilen auch die Eigengewichte
der Ventilverschlußstücke und die Querkräfte des durchfließenden Stronies auf dieselben
immer größer und somit auch die einzelnen Teile des ebenen Betätigungs- und Führungsrahmens,
besonders die Betätigungsstangen und deren Lager.
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U in die Anwendung des dreiflügeligen Ventilverschlußstückes,
einschließlich des prismatischen Betätigungsrahmens mit seiner größeren Stabilität,
aber auch mit seinem größeren Stim- und Durchflußwiderstand bei größeren Ventilen,
möglichst lange zu
vermeiden, kann eine einfache zusätzliche Führungshilfe
angewendet werden, die es ermöglicht, den ebenen Betätigungsrahmen über einen größeren
Bereich mit seinen günstigen Strömungsverhältnissen beizubehalten und die Teile
des Betätigungsrahmens in gewissen Grenzen verhältnismäßig kleiner und leichter
zu gestalten. Diese zusätzliche Führungshilfe besteht nun erfindungsgemäß darin,
daß die Befestigungsaugen der Tragflügelenden mit ihrer zylindrischen Oberfläche
in den Sacklängsbohrungen des Gehäuses mit Lagerspiel gleiten.
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Die Anwendung des dreiflügeligen Verschlußsysteins bietet jedoch,
abgesehen von den Nachteilen des etwas größeren Stim- und Durchflußwiderstandes
und des damit zusammenhängenden größeren Bauaufwandes, ganz besondere Vorteile,
besonders für größere und große Ventile. Dadurch ergibt sich eine höhere radiale
Innendruckbelastung des Ventils bei gleicher Nennweite und gleichen Wandstärken,
weil die für die Berechnung des Gehäuses maßgebende lichte Seitenlänge (Seite im
gleichseitigen Dreieck gegenüber dem Durchmesser des umschriebenen Kreises bei der
zweiflügeligen Ausführung) wesentlich kürzer ist und weil diese Seitenlänge durch
die Einziehung größtenteils nach innen gewölbt ist und dadurch festigkeitsmäßig
weit höhere Drücke anwendbar werden, und ferner eine wesentlich höhere statische
Stabilität und Festigkeit des dreiflügeligen Verschlußsystems, wodurch die Führung
und Betätigung des Verschlußstückes bei größeren Ventilen besonders begünstigt wird,
was sich auch in einer gleichmäßigeren Verschlußabdichtung auswirkt.
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Bei der Anwendung im Grenzgebiet sind daher die Vorteile beider Systeme
sorgfältig gegeneinander abzuwägen.
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Die Hauptaufgabe, die dem Erfindungsgegenstand zugrunde liegt, ist,
wie eingangs schon erwähnt, die Strömungswiderstände soweit wie nur irgendmöglich
herabzusetzen.
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Hierzu gehört neben einer guten strömungstechnischen Durchbildung
des Verschlußstückes und des Ventilgehäuses auch eine gute Durchbildung des Stromeinlaufes
in das Ventilgehäuse.
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Da der Stromeinlaufteil einen beachtlichen Anteil am Gesamt-Durchflußwiderstand
hat, bedarf es günstigster konstruktiver Durchgestaltung der Einströmungsteile,
um diese Widerstandsanteile soweit wie möglich zu senken.
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Bei den bisher allgemein marktgängigen Absperrventilen erfolgt die
Einströmung hinter dem Ventilsitz in eine, meist plötzliche Erweiterung mit einer
Richtungsänderung um 90' und darüber. Dies ergibt bekanntlich einen bedeutenden
Druckverlust, und eine an sich gute Rohrströmung wird hierdurch total verwirbelt,
was sich auch in der Folge strömungstechnisch noch nachteilig auswirkt.
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Bei den wenigen bisher bekanntgewordenen Ventilausführungen der hier
behandelten Art sind, abgesehen von den ganz großen Typen mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten,
die Einströmungsteile, wie Düsen, Erweiterungen, Ventilsitze, und die anschließenden
Stromlinienformen in die Gehäuse eingegossen, wobei teure, schwierige und eventuell
ungenaue Gußstücke entstehen, wobei in einem Fall die Einströmung in die Erweiterung
hinsichtlich Verluste einer plötzlichen Erweiterung gleichkommt und im anderen Falle
die Einströmung durch eine vorgeschaltete kegelige Düse erfolgt. Diese Düse ist
im vorderen Teil des Ventilgehäuses im Flanschteil eingegossen und geht ohne Ventilsitzmarkierung
direkt in den Strömungsraum des Ventilgehäuses über.
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Eine solche Düse bildet bei genügend langer, gerader und freier Rohrstrecke
im Anschluß einen Strahlkem aus, der etwa dem Ergänzungskegel der Düse entspricht.
Kann sich dieser Strahlkern nicht ausbilden und trifft vorzeitig auf das Verschlußstück
auf, dann müssen durch mehr oder weniger starke Ablenkungen auch entsprechend höhere
oder geringere Verluste in Kauf genommen werden. Diese normale Art von Düsen beschleunigen
die Strömungsgeschwindigkeit über den ganzen Regelbereich, auch bei voller öffnung,
so daß hier bei diesem Falle der Strahl ebenfalls mit dieser erhöhten Geschwindigkeit
mehr oder weniger steil auf das Verschlußstück auftrifft, unter Verlusten abgelenkt
und mit der noch immer erhöhten Geschwindigkeit das Verschlußstück
umströmt,
wobei die Durchflußwiderstände im Quadrat der Geschwindigkeit steigen, was bei dauernd
,mit hohen Geschwindigkeiten strömenden Mitteln trotz guter Stromlinienform (die
ja für hohe Geschwindigkeiten gedacht ist) sehr nachteilig werden kann, so daß die
vorgeschaltete konische Dauerdüse sich hier nicht zum Vorteil auswirkt.
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Bei vorliegender Erfindung werden die beschriebenen Nachteile erfindungsgemäß
dadurch vermieden und der übergang in die plötzliche Erweiterung des Ventilgehäuses
dadurch überbrückt, daß in der Bohrung des Ventilgehäusekopfes eine au#swechselbare
Ventilsitzbüchse angeordnet ist, welche im Anschluß an den Ventilsitz einen kegeligen
Diffusor trägt und somit im Zusammenwirken mit der verstellbaren kegeligen Anströmspitze
des Verschlußstückes eine zusammengesetzte, auswechselbare Ventilsitzdüse bildet,
die aus einer regelbaren Ring-Einströmdüse, einem Ventilsitz als engstem Querschnitt
und aus einem gleichzeitig regelbaren Ring-Diffusor besteht, der zugleich als überbrückungsglied
in das erweiterte Ventilgehäuse dient.
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Im Zusammenwirken mit der verstellbaren kegeligen Anströmspitze des
Verschlußstückes mit der Ventilsitzdüse ergibt sich im Einströmteil, welcher einerseits
von der Bohrung des Ventilgehäusekopfes und der Ventilsitzbüchse, andererseits von
der kegeligen Anströmspitze gebildet wird, eine Düsenform, welche außen eine parallele
(zylindrische) Begrenzung und innen durch die kegelige Spitze die Verengung erhält
(nur bei Teilmengen), so daß bei parallelem Zustrom ein divergierender Ringstrahl
ensteht, entgegen den normalen Düsen, bei welchen sich ein Strahlkern ausbildet.
Strömungstechnisch ergibt dies den Vorteil einer wesentlich geringeren Ablenkung
des Strahles am Verschlußstück und damit geringere Strömungswiderstände.
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Im Ventilsitzquerschnitt ergibt sich ein maximaler Geschwindigkeitswert
bei fast geschlossenem Ventil (bei kleinsten Teilmengen belanglos), der mit zunehmender
öffnung abnimmt, bis bei voller öffnung keinerlei Geschwindigkeitserhöhung gegenüber
der Rohrströmung mehr vorhanden ist (Düse aufgehoben), wodurch geringste Strömungsverluste
bei voll geöffnetem Ventil erreicht werden.
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Im Diffusorteil ist eine sanfte und stetige Erweiterung der Ringquerschnitte
vorhanden, so daß der optimale Erweiterungswinkel nicht überschritten wird und Ablösungen
und Wirbelverluste bei allen öffnungsverhältnissen weitgehend vermieden werden und
weiterhin eine mäßige Vergrößerung bei der Einströmung ins Ventilgehäuse entsteht,
so daß bei der Umströmung des Verschlußstückes günstige und geglättete Strömungsverhältnisse
vorliegen.
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Weiterhin ermöglicht der Diffusor einen sanften, fast stoßfreien übergang
auf die Ventilgehäusewand, so daß die gesamte Einströmung mit geringsten Verlusten
verbunden ist und eine Feinstregelung über den ganzen Regelbereich ohne die bisher
bekannten Nachteile einer starken Wirbelbildung mit Korrosionserscheinungen erzielbar
ist.
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Bei großen Ventilen, die wegen der erschwerten Bedienbarkeit normalerweise
mit eingezogenen Querschnitten (kleineren Abmessungen) und daher mit erhöhten Durchgangsgeschwindigkeiten
arbeiten, wie vorstehend ausführlich erläutert, sind auch hier die Ventilsitzdüsen
eingezogen, so daß venturirohrartige Ventilsitzdüsen entstehen, die ebenfalls mit
der regelbaren Anströmspitze des Verschlußstückes zusammenwirken, wobei die Düsenwirkung
auch bei voll geöffnetem Ventil nicht aufhebbar ist, so daß auch hier ständig erhöhte
Geschwindigkeiten und folglich auch höhere Durchflußwiderstände vorhanden sind und
in Kauf genommen werden müssen.
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Auswechselbare Ventilsitze sind nun zwar allgemein bekannt, sowohl
für den Zweck der leichten Austauschbarkeit (Ventilsitzringe) als auch zum Zweck
der Verschlußstückeinführung ins Gehäuse (Ventilsitzbüchsen), wie angeführte Beispiele
zeigen. Beim Erfindungsgegenstand handelt es sich jedoch nicht um solche einfachen
Ventilsitze, sondern um zusammengesetzte, auswechselbare Ventilsitzdüsen (Einsatzdüsen),
bestehend aus Einströmteil, Ventilsitz und anschließendem Diffusor im
Zusammenwirken mit dem Verschlußstück, was in dieser Art bisher nicht bekanntgeworden
ist.
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Zwar ist auch noch -eine Ausführung bekannt, bei welcher eine kegelige
Einströmdüse in das Ventilgehäuse eingegossen ist, die der vorstehenden Ausführung
jedoch nicht gleichgesetzt werden kann und die auch nicht die gleiche Wirkung (Strahlkem
hat), wie vorstehend beschrieben. Bei der an diese Düse anschließenden Begrenzung
des Strömungsraumes, welche im Einlauf etwa durch eine Äquidistante zur Stromlinienform
des Verschlußstückes gebildet ist (bei voller öffnung), kann im Vergleich mit dem
Erfindungsgegenstand auch von einem Diffusor nicht gesprochen werden.
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Erfindungsgemäß ist die auswechselbare Ventilsitzdüse am Diffusorkopf
mit Ausnehmungen versehen, in welche sich beim Schließen des Ventils die, Tragflügel
einschieben. Diese Maßnahme soll nur dem Zweck dienen, die Baulänge des Ventils
zu kürzen. Wird jedoch geringster Strömunc",swiderstand angestrebt, so sollte man
dies vermeiden.
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Eine gewisse Vereinfachung der Bauweise bzw. eine Verkürzung der Baulänge
des Ventils läßt sich erfindungsgemäß auch dadurch erzielen, daß an Stelle der auswechselbaren
Ventilsitzdüse eine kegelförmige Vertiefung im Ventilgehäusekopf in Verbindung mit
einem Ventilsitzring angeordnet ist.
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Im vorstehenden ist die Ventilbauweise mit den ideal möglichen Verhältnissen
dargestellt. Der Vollständigkeit halber sei auch noch auf den Bereich der möglichen
Ventilabarten, von der idealen Langausführung bis zu dem äußersten Grenzwert der
Kurzbauweisen hingewiesen: Es ist bei dieser Ventilgattung nicht nur die der reinen
Theorie am nächsten liegende Ventilausführung mit ideal schlankem Verschlußstückkörper
mit ganz spitzen, noch zulässigen selbstlösenden, vom Klemmpunkt abhängigen Ventilsitzwinkeln
möglich, sondern auch alle Zwischenstufen mit Ventilsitzwinkeln über 601
bis zum Grenzwert von 1801 mit der kürzesten Ventilausführung.
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Sie sind dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrventil mit Tragflügel-Verschlußstück
in Kurzbauweise ausgeführt ist, wobei die Ventilsitzwinkel den Bereich von
60 bis 1801 umschließen, so daß bei letzterem die kürzeste Bauweise
mit der senkrecht zur Strömungsachse liegenden Ventilsitzdichtfläche rereicht ist,
wobei allerdings auch der Strömungswiderstand von einem Minimum beim schlanken Verschlußstückkörper
bis zu einem Maximum beim kürzesten Verschlußstückkörper ansteigend wächst. Jedoch
kann diese Kurz- bzw. kürzeste Bauweise da von Vorteil
sein, wo
engste Platzverhältnisse die in strömungstechnischer Hinsicht ideale Langbauweise.
nicht zulassen.
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Die Vielzahl der möglichen Zwischengrößen wird man, falls sich deren
Anwendung als zweckmäßig erweist, praktischerweise auf einen Ventilsitzwinkel von
60, 90 und 1801, also auf drei, vielleicht sogar nur auf zwei Typen
beschränken.
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In den Zeichnungen ist das Absperrventil nach der Erfindung in verschiedenen
Ausführungsbeispielen und Abwandlungen dargestellt. Es zeigt Abb. 1 einen
Längsschnitt (Ventil in geschlossener Stellung), Abb. 2 einen Längsschnitt durch
das gegenüber Abb. 1 um 900 gedrehte Ventil (in offener Stellung)
mit Schnitt C-D durch den Tragflügel, Abb. 3 den Querschnitt nach Linie A-B
der Abb. 1
durch das Verschlußstück mit eingezogenem Ventilgehäuse, Abb. 4
ein Ausführungsbeispiel für das mehrteilige Ventilverschlußstück im Längsschnitt,
Abb. 5 ein anderes Ausführungsbeispiel für ein mehrteiliges Ventilverschlußstück
im Längsschnitt, Abb. 6 die Anordnung von Kupplung, Feder, Kugellager, Abb.
7 die zusätzliche Gehäuseführung für das Verschlußstück bei größeren Ventilen
im Querschnitt, Abb. 8 ein Ausführungsbeispiel des Absperrventils mit rhombusförmigen
Tragflügeln ohne Ventilgehäuse in geschlossener Stellung, Abb. 9 die Anordnung
und den Querschnitt des dreiflügeligen Verschlußstückes im eingezogenen Ventilgehäuse,
für größere Ventile, Abb. 10 in räumlicher Darstellung das dreiflügelige
Verschlußsystern für größere Ventile, Abb. 11 die venturirohrartige Ventilsitzdüse
für große Ventile, Abb. 12 eine vereinfachte Anordnung der Ventilsitzdüse, Abb.
13 schematisch die Ventilzwischenstufe in Kurzbauweise mit 900 Ventilsitzwinkel
und Abb. 14 schematisch die kürzeste Ventilbauweise mit senkrecht zur Durchflußachse
liegender Ventilsitzdichtfläche (1800 Ventilsitzwinkel).
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Wie aus Abb. 1 und 2 ersichtlich besteht das Ab-
sperrventil
aus dem Ventilgehäusekopf 1, dem Ventilgehäuse 2, dem Ventilverschlußstück
3, 4, 5, den Antriebsteilen 6 bis 12 und der Ventilsitzdüse
17,
18,19.
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Der Ventilgehäusekopf 1 trägt die gesamte Betätigungseinrichtung,
das Ventilverschlußstück und die Ventilsitzdüse und somit sämtliche Teile, die zum
Verschluß der Rohrleitung notwendig sind. Der vordere Flansch 24 ist abschraubbar,
damit die Antriebsteile 7, 8, 9 und 13 aufgeschoben werden können.
Der hintere Flansch ist über Schrauben mit dem Ventilgehäuse verbunden und trägt
zentrisch in seiner Bohrung die einschraubbare Ventilsitzdüse.
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Das eingezogene Ventilgehäuse 2 umfaßt das Ventilverschlußstück
3, 4, 5 und ist, da es kreisrunde und glatte Querschnitte hat,
maschinell (auf Drehbänken) leicht bearbeitbar. Außer den bearbeiteten Flanschanschlüssen
und der Zentrierbohrung für die Düse kann es unbearbeitet verwendet werden. Es kann
aber auch zur Erzielung günstigster Durchflußzahlen feinst bearbeitet werden. Achsparallele
Sacklängsbohrungen14 als seitliche Hubraumtaschen, welche von der Flanschfläche
des Gehäuses ausgehen, sind für die Befestigungsaugen der Tragflügel vorgesehen.
Das Ventilverschlußstück 3 ist über Tragflügel 4 und deren Befestigungsaugen
5 mit den achsparaUelen Betätigungsstangen 6 verbunden. Die Tragflügel
4 tragen das Gewicht des Verschlußstückes und nehmen gleichzeitig auch eventuell
auftretende Querkräfte des durchfließenden Stromes auf, so daß das Verschlußstück
ohne direkte Lagerführung frei im Ventilgehäuse bewegbar ist (Abb. 3), wodurch
keinerlei weitere Reibung entsteht. Bei größeren bis großen Ventilen wird jedoch
von einer zusätzlichen Gehäuseführung in den Sacklängsbohrungen Gebrauch gemacht
(Abb. 7).
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Die Trape2form der Tragflügel gewährleistet die Herstellung tiefer,
strömungsgünstiger Profile mit ausreichender Festigkeit gegenüber den Zugkräften,
und ihre schrägen Kanten verbessern die An- und Abströmung.
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Die Flügelprofile sind nach dem günstigsten Widerstandswert geformt.
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Bei Medienhöchstgeschwindigkeiten sind z. B. Profile nach Abb.
11 zu verwenden.
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Bei kleinen Ventilen besteht das Verschlußstück aus einem Stück, und
bei größeren bis großen ist das Verschlußstück aus mehreren Teilen zusammengesetzt
(Abb. 4 und 5), wobei dann die starkwandige Verschlußstücknabe
31 bzw. 35 mit den Tragflügeln 4 aus einem Stück besteht.
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Bei größeren Ventilen können die Tragflügel auch aus einem tragenden,
ungefähr elliptisch-rechteckigen Kern bestehen, der mit der Nabe aus einem Stück
besteht, wobei die Stromlinienform durch eine dem Durchflußmittel entsprechende
Blechverkleidung hergestellt wird. Auch sind die Verschlußstückteile zwecks Gewichtsverminderung
soweit wie möglich hohl ausgebildet.
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Die An- und Abströmspitzen 28, 32 können nach Abb. 4 gemeinsam
und zentrisch miteinander in der Verschlußstücknabe 31 verschraubt sein,
wobei der auswechselbare Verschlußstücksitzring 33 von dem Schaft
29 der Anströmspitze 28 zentriert und durch den Gewindebolzen
30 mit der Abströmspitze 32 als Mutter mitverschraubt und durch Gewindestift
34 gesichert ist, oder können nach Abb. 5 auf Gewindebolzen 36, 37
einer Vollnabe 35 sitzen, wobei die Anströmspitze den Verschlußstücksitzring
mitverschraubt.
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Der Antrieb dient der axialen Verschiebung des Ventilverschlußstückes
im öffnungs- und Schließsinne und besteht aus den mit dem Verschlußstück fest verbundenen
Betätigungsstangen 6 und der axial verschiebbaren Antriebsmutter
7, die durch eine zentrisch auf dem Ventilgehäusekopf geführte und über ein
Handrad 9 drehbare Gewindebüchse 8 beweglich ist, wobei die drehbare
Gewindebüchse durch den Ring 13 axial unverschiebbar gelagert und die verschiebbare
Antriebsmutter 7 durch die Führungsbolzen 10 am Drehen verhindert
ist. Die Betätigungsstangen 6 sind durch Stopfbüchsen 11 und durch
Lager 12 im Gehäusekopfflansch nach außen geführt.
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Der Flansch 24 ist zum Aufschieben der Antriebsteile 7, 8, 9
aufschraubbar angeordnet. Damit man jedoch bei Reparaturen dieser Teile das ganze
Ventil nicht ausbauen muß oder daß man Ventile mit angegossenem Flansch verwenden
kann, sind diese Teile, wie Handrad 9, Gewindebüchse 8 und Antriebsmutter
7, auch in geteilter Ausführung anwendbar.
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Die leichte Abdichtbarkeit des spitzen Kegelsitzes
empfiehlt
die Verwendung eines leichtgängigen Antriebes, der zugleich auch auf zuviel Kraftaufwendung
anspricht. Zu diesem Zweck wurde einerseits nach Abb. 6 ein Kugellager
38 als Drucklager zwischen Gewindebüchse 8 und Ventilgehäusekopf
1 vorgesehen und andererseits eine selbstauslösende, einstellbare überlastkupplung,
bestehend aus Tellerfedern 40, dem einstellbaren Gewindering 41 und dem Kupplungsflansch
42, in die Nabe des Handrades 9
eingebaut. Durch einen einschaltbaren Mitnehmerbolzen
ist als Sicherheitsmaßnahme eine starre Kupplung möglich.
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An Stelle des Kugellagers kann auch eine Druckfeder 39 zwischengeschaltet
werden, so daß die Verwendung als Sicherheitsventil gegeben ist. Ebenso ist ein
Zwischenschalten beider Teile möglich zur Anwendung und Ergänzung der vorhandenen
Vorteile.
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Bei größeren Ventilen sind drei Flügel nach Abb. 9
und
10 vorgesehen, wenn höhere Drücke und eine bessere Führung des Verschlußstückes
anwendbar werden sollen.
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Die Ventilsitzdüse (Abb. 1 und 2) besteht aus der Ventilsitzbüchse
17, dem Ventilsitz 18 und dem anschließenden kegelförmigen Diffusor
19. Sie sitzt zentrisch mit Gewinde in der Bohrung des Ventilgehäusekopfes
und hat anschließend an das Gewinde einen Zentrieransatz 21, der einen dichten Sitz
mit dem Flanschteil herstellt. Der anschließende Diffusorkopf sitzt mit Schiebesitz
in der Bohrung des Ventilgehäuses, wodurch eine gute Zentrierung der Gehäuseteile
gewährleistet ist und die genaue Einhaltung einer gemeinsamen Achse für alle durchströmten
Teile ermöglicht ist. Außen trägt der Diffusorkopf einen Sicherungsstift 22 gegen
Drehung. In der Abströnikante 20 befinden sich Ausnehmungen 23, in welche
sich beim Schließen die Tragflügel 4 einschieben. Der Diffusor-Kegelwinkel ist nur
wenig größer als der Ventilsitz-Kegelwinkel; er kann auch dem Ventilsitz-Kegelwinkel
gleich sein.
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Um einen guten Stromübergang vom Diffusor auf die Ventilgehäusewand
zu erzielen, ist die Abströmkante 20 scharf oder fast scharf ausgebildet.
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Bei größeren Ventilen kann auch eine eingezogene venturirohrartige
Ventilsitzdüse nach Abb. 11 angewendet werden.
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An Stelle der auswechselbaren Ventilsitzdüse kann auch nach Abb. 12
eine kegelförmige Vertiefung 44 im Ventilgehäusekopf in Verbindung mit einem Veritilsitzring
43 angeordnet sein, was die Bauweise vereinfacht und die Uänge des Ventils vermindert,
wobei die Ausnehmungen 23 bei der Flügelform nach Abb. 12 nicht erforderlich
sind.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 8 sind rhombusförmige
Tragflügel hinter dem Schwerpunkt des Verschlußstückes angeordnet, wodurch der Vorteil
von nicht geschlitzten Diffusoren erreicht wird.
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Die vorliegende Bauweise nach Abb. 1 bis 3 erlaubt eine
vollkommene Freizügigkeit in der Gestaltung des Ventilverschlußstückes, so daß alle
Verschlußstückformen, von der längsten Idealausführung bis zur kürzesten Bauweise,
unter Beibehaltung der Bauprinzipien möglich sind. So lassen sich beispielsweise
eventuell nach neuesten Prüfstandsergebnissen gewonnene bessere Stromlinienforinen
leicht und einfach in die Praxis übertragen.
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Man wird jedoch bemüht sein, die Vielzahl der möglichen Zwischengrößen,
falls sich deren Anwendung als zweckmäßig erweist, auf einen Ventilsitzwinkel von
60, 90 und 180', also auf drei, vielleicht sogar nur auf zwei Typen zu beschränken.
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So zeigt die Abb. 13 im Schema ein Absperrventil in Kurzbauweise
mit 9011 Ventilsitzwinkel und Abb. 14 ein solches mit der kürzesten Bauweise mit
180' Ventilsitzwinkel (Grenzwert), wobei die Ventilsitzdichtfläche senkrecht
zur Strörnungsachse liegt.
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Die Strömungsrichtung ist in Richtung des ausgezogenen Pfeiles als
die Norm zu betrachten. Sie kann natürlich auch von der anderen Seite (gestrichelter
Pfeil) erfolgen, wobei jedoch die Strömungsverhältnisse ungünstig sein werden.
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In Einzelheiten kann der Gegenstand der Erfindung von den dargestellten
Beispielen abweichen, ohne aus dem Rahmen der Erfindung zu fallen.