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Schnellschlußventil, insbesondere Turbinenschnellschlußventil Auf
vielen Gebieten der Technik liegt die wichtige Aufgabe vor, S:offströme jeglicher
Art in Rohrleitungen und Kanälen in einer möglichst kurzen Zeit abzusperren. Dies
ist besonders wichtig in solchen Fällen, in denen diese Stoffströme gleichzeitig
Energieträger sind. So ist e3 z. B. bei Dampfturbinen besonders wichtig, im Falle
eines Lastabwurfes die weitere Dampfzufuhr in möglichst kurzer Zeit zu unterbinden,
um zu verhindern, daß der Maschinensatz auf eine gefährliche Überdrehzahl kommt.
DieselbenAufgaben Hegen auf dem G.bi--te der Atomenergie bei verschiedenen Reaktorbauformen
vor. Es kommt also darauf an, Ventile zu bauen und zu verwenden, die eine möglichst
kleine Schließzeit haben, d. h., es muß dafür Sorge getragen werden, daß die Zeitspanne
zwischen dem Zeitpunkt des Schließbefehls und dem tatsächlichen Abschluß des Ventils
möglichst gering ist und z. B., und zwar auch für groß; Ventile, kleiner als (),2
Sekunden ist.
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Die hierfür verwendeten Ventile erfordern einen recht hohen mechanischen
Aufwand, weil die erforderliche Schließkraft in möglichst kurzer Zeit und in g#nüg-nder
Größe zur Verfügung stehen muß. Es ist hierbei zu beachten, daß die Einschaltung
und Inbetriebsetzung der Energiespeicher ebenfalls eine gewisse Zeit benötigt, weil
die betreffenden Massen erst in Gang gesetzt und b;-schleunigt werden müssen, wodu,-eh
die Schließzeit des Ventils entsprechend vergrößert wird.
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Gemäß de= Erfindung soll also ein Schnellverschlußventil geringen
mechanischen Aufwandes und sehr kleiner Schließzeit geschaffen werden, wobei Drossel-
und Stoßverluste sehr gering bzw. praktisch nicht vorhanden sein sollen. Dabei wird
von einem Schnellschlußventil mit einem Verschlußteil, auf das Strömungskräfte im
Schließsinne wirken, ausgegangen, d. h. auf solch ein Schnellschlußventil bezieht
sich die Erfindung. Solch ein Schnellschlußventil ist bekannt.
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Dieses bekannte Ventil ist ein bei Rohrbruch selbsttätig sich schließendes
Ventil. Es schließt gegebenenfalls schnell, aber erstens nur unter der Wirkung einer
Geschwindigkeitserhöhung des zu unterbrechenden Stroms, und zweitens wird die Schließkraft
nur durch einen starken Drosselverlust gewonnen; die Druckdifferenz zwischen der
Abflußseite des Verschlußteils und der Zufiußseite entsteht durch die Drosselung
zwischen Verschlußteil und Ventilsitz.
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Es ist auch ein Schieber bekannt, der bei überschreiten einer bestimmten
Strömungsgeschwindigkeit des zu unterbrechenden Stroms schließt, wobei die Schließkraft
durch eine venturiartige Ausbildung des Durchströmkanals den Unterdruck zum Betätigen
des Verschlußteils ohne Stoßverlust liefert. Dieser Schieber schließt aber sehr
langsam, weil das Medium zum Schließen durch Leitungen zu einem Stehzylinder geführt
werden muß. Außerdem ist durch die Leitungen und den Stehzylinder mit Stellkolben
der Aufwand groß, was gemäß der Erfindung verhindert werden soll.
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Zur Lösung der genannten Aufgabe ist das Schnellschlußventil, auf
das sich die Erfindung bezieht, gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch einen Ventilteller
von größerem Außendurchmesser als dem der Abströmöffnung und eine feststehende Gehäusewand
auf der der Abströmöffnung abgekehrten Seite des Ventiltellers, die mit dem Ventilteller
einen Raum (Gegenraum) einschließt, der mit dem Zuströmraum des Durchflußkanals
des Ventils in Verbindung steht und von stagnierendem Medium .erfüllt ist, wobei
der Durchflußkanal venturiartig gestaltet ist und seine engste Stelle zwischen dem
Ventilteller und der Abströmöffnung hat.
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Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung wird die Schließkraft latent
von der Geschwindigkeit des durch das Ventil strömenden Mediums geliefert; die Schließkraft
kommt unter dem Einfluß einer Betätigung von außen sofort zur Wirkung; sie steht
bei geöffnetem Ventil sozusagen an und muß nicht erst aufgebaut werden. Der Unterdruck,
der die Schließkraft erzeugt, ergibt trotzdem keinen Drossel- oder Stoßverlust.
Es werden geringstmögliche Schließzeiten erzielt. Nach dem Schließen steht der Druck
des zwischen der genannten feststehenden Gehäusewand und dem Ventilteller befindlichen
Mediums abdichtend auf dem Ventilteller. Sämtliche Zwischenglieder fallen fort,
wie zu bewegende feste Massen und Flüssigkeitsströme; der Aufwand ist gering.
Vorzugsweise
ist der Ventilteller bei geöffnetem Ventil eingeklinkt. Im Augenblick des Loslassens
des Ventiltellers wird dieser durch denSog äußerst schnell in Schließrichtung bewegt.
Bei besonderen Ausführungsformen kann auch unter Wegfall des Einklinkens die Schließbewegung
nach Ansteigen der Durchströmgeschwindigkeit bei Erreichen eines bestimmten Wertes
derselben erfolgen.
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Vorzugsweise liegen die der Abströmöffnung zugekehrte Oberfläche des
Ventiltellers und die dieser Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche, der die Abströrnöffnung
enthaltenden Gehäusewand parallel zueinander, und zwar insbesondere senkrecht zur
Ventilachse. Diese einfache Bauart ergibt eine eindeutige Abnahme des sich längs
des Ventiltellers erstreckenden Teiles des Durchflußkanals des Ventils, also des
Saugraumes, bis zur genannten engsten Stelle.
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Der Ventilteller kann mit einem von einem Druckmedium beaufschlagbaren,
Ventilöffnungskraft, zusätzliche Ventilschließkraft oder Ventilregelkraft erzeugenden
Kraftkolben gekoppelt sein. Diese Kopplung erfolgt insbesondere über eine Ventilspindel.
Zum Beispiel kann auf diesem Wege das Ventil bei einem Verklemmen der beweglichen
Organe gewaltsam geschlossen werden. Das Ventil kann aber auch damit gleichermaßen
ein Schnellschluß- und Regelventil sein. Es ist also dann durch entsprechende Beaufschlagung
des Kraftkolbens die Durchflußmenge regelbar, wobei bei jeder Stellung des Ventiltellers
die Schnellschlußbereitschaft vorhanden ist.
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Das Schnellschlußventil gemäß der Erfindung wird insbesondere als
Schnellschlußventil einer Dampfturbine angewendet.
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In der Zeichnung sind in Fig. 1. bis 8 Ausführungsbeispiele des Schnellschlußventils
gemäß der Erfindung dargestellt. Die Ventile sind in Fig. 1 und 3 bis 8 im Längsschnitt
dargestellt, während Fig.2 einen achssenkrechten Querschnitt durch ein herzförmiges
Einströmgehäuse des in Fig. 1 dargestellten Ventils zeigt. Sämtliche dargestellte
Ventile weisen ein herzförmiges Einströmgehäuse auf.
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Bei dem in Fig. 1 im fast voll geöffneten Zustand dargestellten Schnellschlußventil
ist mit 86 ein scheibenförmiger Ventilteller, mit 90 eine Abströmöffnung und mit
87 eine Ventilspindel bezeichnet. Der Durchflußkanal des Ventils besteht aus einem
Ringraum 80 als Zuströmraum, einem Saugraum 88 und einem sich axial erstreckenden
Abströmraum 91, ist venturiartig gestaltet und hat seine engste Stelle zwischen
dem Ventilteller 86 und der Abströrnöffnung 90. Der Ringraum 80 umgibt die Ventilachse
82, erstreckt sich längs dieser und geht'in den Saugraum 88 über. Der Ringraum 80
ist radial innen von einem feststehenden Kegelkörper 81 begrenzt, dessen Achse mit
der Ventilachse 82 zusammenfällt und dessen Basis eine feststehende Gehäusewand
83 auf der der Abströmöffnung 90 abgekehrten Seite des Ventiltellers 86 ist. Diese
Gehäusewand 83 schließt mit dem Ventilteller 86 bzw. mit dessen Oberfläche 84 einen
Gegenraum 93 ein, der auf seinem ganzen Umfang mit dem Ringraum 80 in Verbindung
steht, von stagnierendem Medium erfüllt ist und auch bei voll geöffnetem Ventil
eine axiale Erstreckung hat, die sehr klein gegenüber seiner Erstreckung quer zur
Ventilachse 82 ist. Der Außendurchmesser des Ventiltellers 86 ist etwa doppelt so
groß wie der Innendurchmesser des Ventilsitzes 94. Die der Abströrnöffnung 90 zugekehrte
Oberfläche 85 des Ventiltellers 86 und die dieser Oberfläche 85 gegenüberliegende
Oberfläche 169 der die Abströmöffnung 90 enthaltenden G;.häusewand 164 liegen parallel
zueinander.
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Dem Ringraum 80 (Zuströmraum) ist strömungsmäßig ein im ventilachssenkrechten
Schnitt herzförmiges (siehe Fig. 2) Einströmgehäuse 79 vorgeschaltet. Es ist herzförmig,
damit das Medium dem Saugraum 88 symmetrisch zugeführt wird und sich dadurch die
Strömungskräfte in voller Größe entfalten können (die Zuführung des Mediums kann
allgemein bei Ventilen meist nicht axial erfolgen). Das gleiche wird erreicht, wenn
das Strömungsmedium im Ringraum 80 (Zuströmraum) und Saugraum 88 (oder im Saugraum
88) einen Drall aufweist. Dies wird z. B. dadurch erzielt, daß dem Ringraum 80 (Zuströmraum)
strömungsmäßig ein Einström-Spiralgehäuse an Stelle des herzförmigen Einströmgehäuses
79 vorgeschaltet ist. Wenn kein Ringraum 80 als Zuströmraum vorhanden ist, kann
dem Saugraum 88 ein Einström-Spiralgehäuse oder ein Einström-Leitapparat vorgeschaltet
sein. Es können auch der Saugraum 88 und der Abströmraum 91 je ein Spiralgehäuse
aufweisen, oder der Drall kann für beide Räume getrennt auf andere Weise erzeugt
werden. Durch den Drall im Saugraum 88 wird die Geschwindigkeit des Mediums im Saugraum
88 noch mehr gesteigert, als das schon durch die venturiartige Gestaltung des Durchflußkanals
mit der genannten engsten Stelle der Fall ist. Da der sich axial erstreckende Abströmraum
91 als Diffusor ausgebildet ist, verbessert der im Saugraum 88 existierende Drall,
der sich in diesen Abströmdiffusor fortpflanzt, u. a. auch den Wirkungsgrad des
Abströmdiffusors.
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Der Strömungsverlauf innerhalb des Einströmgehäuses 79 und des Durchflußkanals
80, 88, 91 ist durch Pfeile 92 gekennzeichnet. Um die Führung der Ventilspindel
87 weitgehend abzudichten, befindet sich im Bereich der Oberfläche 84 ein Ventilsitz
95, der bei voller (Öffnung des Ventils die Spindelführung vom Ringraum 80 trennt.
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Gemäß Fig. 3 ist einem Schnellschlußventil gemäß der Erfindung ein
weiteres Schnellschlußventil gemäß der Erfindung strömungsmäßig nachgeschaltet.
Diese beiden Ventile weisen bewegungsgekoppelte Ventilteller 97 und 98 auf. Diese
Ventilteller 97 und 98 sind derartig bewegungsgekoppelt, daß die Durchströmquerschnitte
an den Ventiltellern 97 und 98, also die Saugräume 88 und 96, in jeder Phase der
Ventiltellerbewegung voneinander verschiedene Größen haben. Der gegenseitige axiale
Abstand der beiden Ventilteller 97 und 98 ist größer als der der beiden Ventilsitze
165 und 104. Die beiden Ventilteller 97 und 98 sitzen fest auf einer einzigen, axial
durchgehenden Ventilspindel 106. Bei jeder Stellung der Ventilspindel 106
ist axial der Saugraum 96 kleiner als der Saugraum 88 (Abstände 103 und 102). Bei
dieser Ventilbauart wird eine sehr große Schließkraft über einen weiten Bereich
der Ventilspindelstellung erreicht. Die Kräfte, die auf die Ventilteller 97 und
98 wirken, sind verschieden groß, und die resultierende Kraft in der Ventilspindel
106 hat bei einer bestimmten Ventilspindelstellung einen Höchstwert über
einen weiten Bereich.
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Das Strömungsmedium strömt in Richtung 100 in ein herzförmiges Einströmgehäuse
79 und von diesem durch einen Ringraum 80, einen Saugraum 88, eine Abströrnöffnung
90, einen Ringraum 107, einen Saugraum 96, einen Abströmöffnung 108 und einen Abströmdiffusor
99, den es in Richtung 101 verläßt.
Fig. -1 zeigt ein Schnellschlußventil
gemäß Fig. 1 und 2, das ein Vorhubventil zum Öffnen des Ventils mit weitgehend kleiner
Kraft aufweist. Auf dem unteren Ende einer hohlen Ventilspindel 112 sitzt fest ein
kleines hohles Vorhubventilgehäuse 115, das mit öffnungen 116 versehen ist. Das
Vorhubventilgehäuse 115 sitzt fest auf der Ventilspindel 112. Am Vorhubventilgehäuse
115 wiederum sitzt fest ein Ventilteller 111. Innerhalb der Ventilspindel
112 ist eine an ihrem unteren Ende einen Vorhubventil-Absperrkörper 114 aufweisende
Vorhubventilspinde1113 vorgesehen. Bei geschlossenem Hauptventil wird zuerst der
Vorhubventil-Absperrkörper 114 angehoben, wodurch Medium aus dem Ringraum
80 über die Öffnungen 116 und einen dann offenen Vorhubventil-Durchströmquerschnitt
117 in einen Abströmdiffusor 91 strömt. Hiermit ist ein Druckausgleich verbunden,
so daß der Ventilteller 111 jetzt mit geringer Kraft vom Ventilsitz 118 abgehoben
werden kann.
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Beim Schnellschlußventil gemäß Fig. 5 weist eine Ventilspindel
119 ebenfalls zwei Ventilteller auf. Sie sind mit 122 und 123 bezeichnet.
Auch hier sind in jeder Phase der Ventilteller- oder Ventilspindelbewegung die Abstände
der Ventilteller 122 und 123 von den zugehörigen Ventilsitzen verschieden groß.
Ein diffusorförmiger Abströmraum schließt sich hier erst an den zweiten Ventilsitz
125 an. In einem herzförmigen Einströmgehäuse 79 ist ein Sieb 120 rund um die Ventilachse
82 vorgesehen.
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Das Schnellschlußventil gemäß Fig.6 hat einen Ventilsitz
166 und eine Abströmöffnung 90 aufweisenden Ventilsitzkörper 127,
der im Gehäuse axial geführt ist. Dieser Ventilsitzkörper 127 setzt sich
im wesentlichen aus einem im Abströmtei1170 des Gehäuse axial geführten Rohrteil
171 und einem einen Sitz 166 aufweisenden Flansch 168 zusammen. Der Außendurchmesser
dieses Flansches 168 ist etwa doppelt so groß wie der Innendurchmesser des Ventilsitzes
166; somit wirkt der das Ventil schließende Sog auf den Flansch 168 genauso wie
auf den Ventilteller 126. Die Außendurchmesser dieses Flansches 168 und des Ventiltellers
126 sind gleich groß. Der Rohrteil 171 ist innen diffusorartig ausgebildet.
Ein weiterer Sitz 167 ist vorgesehen. Bei dieser Bauart ist die Schließgeschwindigkeit
noch weiter gesteigert. Durch den Sog wird während der Schließbewegung des Ventiltellers
126 der Ventilsitzkörper 127 gegen den Ventilteller 126 bewegt. Da
nach Aufeinandertreffen der Druck im Abströmraum (Diffusor) sinkt, werden die beiden
Körper zusammen in die endgültige Schlußstellung bewegt, in der der Ringkörper
168
auf dem Sitz 166 liegt.
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Das Schnellschlußventil gemäß Fig.7 dient auch als Regelventil. Die
Änderung der Stellung einer Spindel 128 erfolgt beim Regeln durch Steuerung einer
Nocke 129. Die Bewegung der Nocke 129 wird über eine Rolle 130 auf einen Hebel 131
übertragen, an dem an einer Achse 132 die Ventilspindel 128 eingreift. Im Schnellschlußfall
wird durch einen bei überdrehzahl sich radial nach außen bewegenden Schnellschlußkörper
133. eine Stange 134 angehoben, wodurch ein Winkelhebel 135 die Stange 131
freigibt. Ein Ventilteller 136 bewegt sich dann durch die Strömungssogkraft in kurzer
Schließzeit auf einen Ventilsitz 137.
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Auch Fig. 8 zeigt ein kombiniertes Schnellschluß-Regelventil. Ein
Ventilsitzkörper 127 ist wie beim Ventil gemäß der Fig. 6 geformt und auch wie dort
angegeben bewegbar. Die Änderung der Stellung einer Ventilspindel 138 erfolgt
im Regelfall auf hydraulischem Wege, indem zwei Kolben 139 und 140 durch Druck von
Steueröl in den Räumen 141 und 142 mehr oder weniger beaufschlagt werden. Zwischen
den Kolben 139 und 140 befindet sich eine Druckfeder 143, die sich entsprechend
den für die Änderung der Durchflußmenge notwendigen Änderungen der Drücke in den
Räumen 141 und 142 mehr oder weniger zusammendrückt. Das Ventil kann auch gesteuert
werden, indem der Druck in einem der beiden Räume 1.41 und 142 geändert wird. Im
Schnellschlußfall wird das Steueröl aus den Räumen 141 und 142 abgelassen, wodurch
der Ventilsitzkörper 127 und der Ventilteller 144 durch den Sog nach einer sehr
kurzen Schließzeit aufeinandertreffen. Der Schließvorgang wird durch die Kraft der
Druckfeder 143 unterstützt. Zur weiteren Unterstützung kann zusätzlich Flüssigkeit
in einen Raum 146 gedrückt werden. Zum gewaltsamen Schließen, z. B. bei gegenseitiger
Verklemmung der Ventilspindel 138 und einer Hohlspindel 145, wird Druckflüssigkeit
in den Raum 146 gedrückt, wodurch die beiden Kolben 139 und 140 sich voneinander
wegbewegen. Zwischen der Ventilspindel 145 und dem Ausströmgehäuse 147 kann an der
Stelle 148 oder 149 ein Ventilsitz vorgesehen sein, wie dies auch z. B. zwischen
dem Ventilteller 144
und einem feststehenden Regelkörper 150 im Bereich
der Ventilspindel 138 möglich ist. Da gemäß Fig. 8 die Führung und die Abdichtung
der Ventilspindel 138 auf der Abströmseite des Ventils liegt, sind die Leckverluste
stark vermindert. Dies ist insbesondere bei geschlossenem Ventil der Fall, da der
Druck innerhalb des Ausströmgehäuses 147 wesentlich kleiner ist als der Druck am
Ende des Zuströmraumes 80.