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Ventil Die Erfindung betrifft ein Ventil mit einem durch eine Ventilspindel
verstellbaren Ventilverschlußstück und mit Ausgleich der vom durchfließenden Medium
auf das Verschlußstück wirkenden Kräfte mittels eines mechanischen Energiespeichers,
das insbesondere zur Betätigung durch einen Servomotor, vorzugsweise einen durch
einen Verstärker gesteuerten Elektromotor, geeignet ist.
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Bei großen Ventilen für hohe Drücke ist die Resultierende der vom
Medium auf das Verschlußstück ausgeübten Kräfte bisweilen so groß, daß die Beschaffung
eines genügend großen Servomotors auf Schwierigkeiten stößt. Besonders dort, wo
elektrischer Regelantrieb vorgesehen ist, darf mit Rücksicht auf die verfügbaren
Verstärker und Stellmotoren die Ventaraft nicht allzuhohe Werte erreichen. Es ist
bekannt, in solchen Fällen die Ventile mit einem hydraulischen Ausgleich zu versehen,
der einen Teil der auf das Verschlußstück und auf die Ventilspindel wirkenden Flüssigkeits-
oder Gaskräfte kompensiert.
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Der hydraulische Ausgleich der auf das Verschlußstück und auf die
Ventilspindel wirkenden Kräfte hat den Nachteil, daß dabei dynamische Kräfte, mit
denen die das Ventil durchfließende Flüssigkeit oder das Gas auf das Verschlußstück
wirkt, unberücksichtigt bleiben. Diese Kräfte können jedoch unter Umständen größer
sein als die durch den statischen Druck hervorgerufenen Kräfte. Außerdem ist der
hydraulische Ausgleich nur unter Annahme eines bestimmten wirksamen Ventilsitzdurchmessers
möglich. Ändert sich nach einem Einschleifen oder während der Tätigkeit des Ventils
der wirksame Durchmesser des Ventilsitzes, so stimmt der Kräfteausgleich nicht mehr
und kann auch nicht mehr korrigiert werden.
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Es ist an sich bekannt, Federn zur Entlastung von Ventilen zu verwenden.
Es ist dabei jedoch nicht eine Anpassung an die nach Ventilstellung veränderliche
Kraft möglich. In einem anderen Zusammenhang ist auch die Verwendung von Kurvengetrieben
bei Ventilen bekannt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der obengeschilderten
Art so auszubilden, daß es eine Vorrichtung zum selbsttätigen Ausgleich der auf
das Ventilverschlußstück vom Durchflußmedium ausgeübten Kräfte in Abhängigkeit vom
jeweiligen Druck des Durchflußmediums aufweist.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zum selbsttätigen
Ausgleich der Kräfte in Abhängigkeit vom Druck des durchfließenden Mediums zwischen
dem Energiespeicher und der Ventilspindel ein Getriebe angeordnet ist, welches ein
über den öffnungsweg des Ventilverschlußstückes veränderliches übersetzungsverhältnis
aufweist.
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Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung schematisch dargestellten
Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch eine
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils, F i g. 2 den Schnitt
A -A in F i g. 1,
Fig. 3 eine Ansicht einer anderen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Ventils, Fig. 4 eine Teilansicht des Ventils nach Fig.
3,
in entgegengesetzter Richtung betrachtet, F i g. 5 den Verlauf der
bei dem Ventil nach den F i g. 3 und 4 auf das Verschlußstück und die Ventilspindel
wirkenden Kräfte.
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In F i g. 1 ist ein Ventilgehäuse 1 an Rohrleitungen
2 und 3 angeschlossen. Im Ventilgehäuse 1 befindet sich ein Ventilsitz
4, welcher mit einem auf einer Ventilspindel 5 befestigten Verschlußstück
6 zusammenwirkt. Die Ventilspindel 5 ist in einer in einem Teil
7 angeordneten Führung 8 verschiebbar und drehbar gelagert. Zwischen
den Teilen 7, 8 und dem Ventilgehäuse 1 befinden sich Dichtungen
9. Die Ventilspindel stützt sich außerdem gegen Rollen 10,
welche um
in einem rohrförmigen Gehäuseoberteil 12 befestigte Achsen 11 (F i
g. 2) drehbar sind. Der Teil 12 ist mit dem Ventilgehäuse 1 fest verbunden.
Die Ventilspindel 5 trägt an ihrem äußeren Ende eine an deren Umfang angeordnete
Rundverzahnung 13,
in die die Verzahnung eines durch einen elektrischen
Stellmotor
14 angetriebenen Ritzels 15 eingreift. Die Ventilspindel 5 ist mit
einem räumlich gekrümmten Kurvenstück 16 versehen, gegen das sich eine Rolle
17 stüW, die auf der Kolbenstange 18 eines in einem Zylinder
19 verschiebbaren, durch eine Feder 20 belasteten Kolbens 21 drehbar gelagert
ist. Auf der Ventilspindel 5 ist außerdem mittels Keil 23 und Nut
24 ein Zahnrad 22 verschiebbar gelagert, in welches die Verzahnung 25 einer
im Gehäuseoberteil 12 verschiebbaren Stange 26 eingreift. Die Stange
26 ist mit einem in einem Zylinder 27 verschiebbaren Kolben
28 verbunden. Der Kolben 28 steht unter dem Druck einer Feder
29. Außerdem ist der linke Zylinderraum des Zylinders 27 durch eine
Rohrleitung 30 n-üt der Rohrleitung 2 des Ventils verbunden und der rechte
Zylinderraum durch eine Rohrleitung 31 mit der Rohrleitung 3. Die
Kraft der Federn 20 und 29 ist durch entsprechende Verdrehung von den Zylinderboden
des betreffenden Zylinders bildenden Gewindeteilen 19 a bzw. 27 a
verstellbar.
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Die Ventilspindel und mit ihr das Verschlußstück werden durch den
Elektromotor 14 mittels Ritzel 15
und Verzahnung 13 gehoben oder gesenkt,
und dadurch wird das Ventil in öffnendem oder in schließendem Sinne betätigt. Dabei
wird die Rolle 17 auf dem Kurvenstück 16 abgerollt, und der mit ihr
verbundene Kolben 21 entsprechend der Oberfläche des Kurvenstücks bewegt. Dadurch
wird die Feder 20 mehr oder weniger gespannt. Die je nach der Lage der Ventilspindel
veränderliche Spannung der Feder 20 ergibt eine entsprechende Komponente in der
Richtung der Achse der Ventilspindel, welche sich mit den auf das Verschlußstück
und die Ventilspindel wirkenden Kräfte addiert. Durch geeignete Ausführung des durch
das Kurvenstück mit Rolle gebildeten Getriebes und der Feder 20 kann diese axiale
Komponente derart gewählt werden, daß sie sich mit den auf das Verschlußstück und
auf die Ventilspin-del wirkenden Kräften gegenseitig aufhebt. Durch den vor
und hinter dem Verschlußstück 6 wirkenden Druck wird der Kolben
28 gegen die Kraft der Feder 29 verstellt, wodurch mit Hilfe der Verzahnung
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und des Zahnrades 22 die Ventilspindel 5 gedreht wird. Je nach den
Druckverhältnissen wird daher die Rolle 17 auf einer anderen Oberflächenlinie
des entsprechend ausgebildeten Kurvenstücks abgerollt.
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Durch geeignete Wahl des Kurvenstücks 16 können beim erfindungsgemäßen
Ventil die auf das Verschlußstück und die Ventilspindel wirkende Kräfte derart ausgewogen
werden, daß der betätigende Servomotor nur die Reibungskräfte zu überwinden hat.
Kleinere, während des Betriebes entstehende Änderungen z. B. des Ventilsitzdurchmessers
können einfach durch eine entsprechende Drehung der Ventilspindel 5 mit dem
Kurvenstück 6, oder z. B. durch Veränderung der Kraft der Federn 20 bzw.
29 ausgeglichen werden. Änderungen prinzipieller Art, z. B. beim Übertritt
von einem gasförmigen auf ein flüssiges Medium, können durch Austausch des Kurvenstückes
16 berücksichtigt werden.
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In den F i g. 3 und 4 ist eine andere Ausführung der erfindungsgemäßen
Ausführung dargestellt. Durch ein mit Anschlußrohren 51, 52 versehenes Ventilgehäuse
53 ist eine Ventilspindel 54 durchgeführt, die ein Verschlußstück
55 trägt. Zwischen Ventilgehäuse53 und Ventilspindel54 sind in bekannter
Weise Dichtungen 56 angeordnet, die durch Überwurfmuttern 57 gegen
die abzudichtenden Teile gedrückt werden. Die Ventilspinde154 ist außerhalb des
Ventilgehäuses 53 mit einer Gabel 58 versehen, in die über einen Bolzen
59 eine Stange 60 eingreift. Am anderen Ende der Stange
60 greift über einen Bolzen 61 der Arm 62 eines mit einer Welle
63 fest verbundenen Hebels -in. Die Welle 63 ist in einem mit
dem Ventilgehäuse 53 fest verbundenen Teil 64 drehbar gelagert. Auf der Welle
63 ist ein Hebel 65
befestigt, dessen Ende über eine Stange
66 und Bolzen 67 mit einem an der Welle 68 eines elektrischen
Stellmotors 69 befestigtem Hebel 70 verbunden ist. Der Stellmotor
69 ist auf dem Teil 64 befestigt. Die F i g. 4 stellt eine Teilansicht
der Einrichtung nach der F i g. 3, in entgegengesetzter Richtung betrachtet,
dar. Auf der Welle 63 ist ein Hebel 71 befestigt, welcher über eine
Stange 72 und Bolzen 73, 74 mit einem Hebel 75 verbunden ist.
Der Hebel 75 ist an einem Ende einer Torsionsfeder 76 angeordnet,
deren anderes Ende im Teil 64 mittels einer Kerbverzahnung gegen Drehung gesichert
befestigt ist.
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Die Stellung der Ventilspindel in den F i g. 3 und 4 entspricht
dem Ventil in geschlossener Stellung. Wird nun durch den Stellmotor 69 der
Hebel 70 im Sinne des eingezeichneten Pfeiles gedreht, so werden dadurch
die Hebel 60, 65 im Uhrzeigersinne gedreht, und die Ventilspindel 54 in der
Figur gehoben, d. h. im öffnenden Sinne verstellt. Gleichzeitig wird durch
diese Bewegung durch den Hebel 71 und die Stange 72 der Hebel
75 ebenfalls im Uhrzeigersinne gedreht. Dadurch wird die Torsionsfeder
76, die unter Vorspannung steht, entlastet. Bei einer entgegengesetzten Drehbewegung
des Stellmotors 69 wird die Ventilspindel in schließendem Sinne betätigt
und gleichzeitig die Torsionsfeder 76 gespannt.
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In F i g. 5 ist der Verlauf der auf die Ventilspindel wirkenden
Kräfte dargestellt. Die Linie A zeigt den Verlauf der vom das Ventil durchfließenden
Medium verursachten statischen und dynamischen Kräfte bei in Pfeilrichtung durchfließendem
Medium. Die Linie B zeigt den Verlauf der von der Feder stammenden, mit Hilfe des
durch die Hebel 75, 71, 62
und die Stangen 72 und 60 gebildeten
Getriebes übersetzten Kraft. Die Linie C stellt die vom Stellmotoi stammende
Kraft, übersetzt durch das durch die Hebel 60, 62 und die Stangen
66 und 60 gebildete Getriebe, dar. Die Linie B-C zeigt den Verlauf
der jeweiligen Summe der von der Feder und vom Stellmotor stammenden Kräfte. Zum
bequemen Vergleich der Größe der einzelnen Kräfte ist außerdem die Linie
A spiegelbildlich zu ihrem eigentlichen Verlauf in den oberen Teil des
Diagramms eingezeichnet und mit A' bezeichnet worden.
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Bei der Ausführung nach den F i g. 3 und 4 wird nicht, obwohl
dies grundsätzlich möglich wäre, ein weitgehender Ausgleich der vom Medium und von
der Feder auf die Ventilspindel wirkenden Kräfte angestrebt. Wie aus dem Diagramm
in F i g. 5 ersichtlich ist, ist die von der Feder stammende Kraft derart
gewählt, daß sie im ganzen Bereich der Stellungen des Ventilskörpers ungefähr halb
so groß ist wie die auf die Ventilspindel vom Medium wirkenden Kräfte. Die vom Stellmotor
stammende Kraft wird dabei so gewählt und übersetzt, daß diese jeweils um einen
kleinen Betrag größer ist als die von der Feder stammende Kraft. Steht das Ventil
nun unter Druck und wird es vom Medium durchflossen, so summieren sich beide Kräfte,
die von der Feder und die vom Stellmotor stammende, und reichen zusammen zur
überwindung
der vom Medium stammenden Kraft aus. Steht das Ventil dagegen nicht unter Druck,
so muß der Stellmotor einzig die Federkraft überwinden und ist, wie vorher gesagt
worden, derart dimensioniert, daß er dazu eben ausreicht. Änderungen des Arbeitsdruckes
oder des wirksamen Ventilsitzdurchmessers können bei dieser Ausführung einfach durch
Änderung der Vorspannung der Torsionsfeder, z. B. durch deren Versetzung in der
Kerbverzahnung, berücksichtigt werden.
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Bei der Ausführung nach F i g. 1 braucht die VersteRung des
Kurvenstücks nicht durch die Druckdifferenz vor und hinter dem Verschlußstück stattzufinden,
sondern diese kann auch durch andere Vorgänge, die mit der durch das Ventil durchfließenden
Menge in Zusammenhang stehen, erfolgen. So kann z. B. bei einem in einer Kesselanlage
angeordneten Ventil die Verstellung des Kurvenstücks durch ein lastabhängiges Signal
erfolgen. Die Verstellung kann aber auch bei Anlagen, welche einen im vorausbestimmten
zeitlichen Verlauf verfolgen, zeitabhängig gemacht werden, so z. B. beim automatischen
Anfahrvorgang einer Kesselanlage.