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Ventil Die Erfindung bezieht sich auf ein zum Absperren, insbesondere
schlagartigen Absperren strömender Medien geeignetes Ventil. In vielen Fällen kommt
es darauf an, daß ein Ventil, z. B. nach Art einer Rückschlagklappe, rasch anspricht,
um die Strömung zu unterbrechen. So sind beispielsweise in Zusammenhang mit Dampfturbinen
Drosselklappen gebräuchlich, ebenso in Kraftanlagen Rückschlagventile und andere
Schließorgane für überhitzten Dampf. Wenn bei derartigen Ventilen der Schließvorgang
eingeleitet ist, so vollzieht sich unter dem Druck des abzusperrenden Mediums das
endgültige Abschließen schlagartig, wobei unter Umständen gewaltige Kräfte auftreten,
die im Laufe der Zeit Deformationen des Ventilsitzes sowie der beweglichen Ventilklappe
hervorrufen. Dadurch besteht die Gefahr, daß das Ventil nicht mehr voll funktionsfähig
oder ganz unbrauchbar wird.
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Es ist bereits früher vorgeschlagen worden, bei einem Ventil mit schlagartiger
Schließbewegung eine Kante oder Lippe aus nachgiebigem Material am Ventilsitz bzw.
an der Ventilklappe vorzusehen. Die Energie des Aufschlages wird dann durch Verformung
des aus nachgiebigem Material gestalteten Körpers verzehrt. Obwohl derartige Vorrichtungen
für einige bestimmte Anwendungen brauchbar sind, haben sie sich doch in den Fällen
als ungeeignet erwiesen, wo größere Kräfte auftreten. Darüber hinaus ist nicht nur
der reinen mechanischen Schlagbeanspruchung Rechnung zu tragen, sondern vielfach
muß noch berücksichtigt werden, daß das strömende Medium nicht nur hohe Drücke,
sondern häufig auch hohe Temperaturen aufweist. Die Materialien müssen dann zum
einwandfreien Arbeiten des Ventils auch für eine hohe Temperaturbeanspruchung ausgelegt
sein.
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Die Erfindung löst die Aufgabe, ein derartiges Ventil zu schaffen,
bei dem hohe Aufschlagkräfte während des Schließvorganges abgefangen werden müssen.
Das Ventil nach der Erfindung zeichnet sich durch eine hohe Lebensdauer aus und
erlaubt in häufiger Wiederholung ein schlagartiges Schließen.
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Zum Abfangen der hohen Aufschlagkräfte während des Schließvorganges
ist an sich bereits ein Ventil bekanntgeworden, dessen im wesentlichen scheibenförmiger
beweglicher Ventilkörper in Schließstellung an einem im Ventilgehäuse befindlichen
ringförmigen Ventilsitz anliegt und bei dem zumindest eines der beim Schließvorgang
aufeinanderprallenden Teile in Richtung der Schließbewegung nachgiebig im Sinn einer
getrennt von der Dichtfläche möglichen elastischen Verformbarkeit ausgebildet ist.
Die bekannte Ventilanordnung sieht eine elastische Abstützung des ringförmigen Ventilsitzes
im Ventilgehäuse vor, wobei geeignete Federn im Ringspalt hinter dem Ventilsitz
untergebracht sind. Diese Federn befinden sich aber an einer Stelle, an der sich
leicht aggressive Bestandteile des strömenden Mediums festsetzen können, die dort
Aggressions- oder Korrosionsnester zu bilden imstande sind. Weiterhin hat die versteckte
Anordnung solcher Federn noch den Nachteil, daß sich dort eindringende Fremdkörper
festsetzen und die Federbewegung hemmen können. Dadurch wird die Funktionssicherheit
dieser bekannten Anordnung beeinträchtigt.
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Demgegenüber besteht die Erfindung, bei der ebenfalls getrennt von
der Dichtfläche elastisch verformbare Teile verwendet sind, darin, daß der elastisch
verformbare Teil längs einer konischen Führungs-und Auflauffläche eine Gleitbewegung
in der Weise auszuführen imstande ist, daß beim Schließvorgang längs der Gleitstrecke
zunächst die Energie des Aufpralls durch Dämpfung verzehrt wird, sich hieran aber
eine rückläufige Bewegung unter energetischer Entspannung anschließt, bis die ursprüngliche
Stellung zumindest angenähert wieder erreicht ist. Die Erfindung ermöglicht damit
ein gegenüber der zuvor geschilderten bekannten Anordnung wesentlich robuster und
funktionssicherer arbeitendes Ventil.
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Wenn unter Einwirkung der Aufschlagkraft ein Gleiten des elastisch
verformbaren Teiles in axialer Richtung erfolgt, so kann dabei mit Vorteil ein ringförmiger
Teil innen bzw. außen mit konischen Flächenteilen
versehen sein,
wobei die elastische Deformation auf einer Ringspannung beruht, die auf den Ringkörper
einwirkt. Im Ruhezustand befindet sich dieser Teil in einer bestimmten Lage, während
bei der Schlagbeanspruchung ein Aufgleiten in axialer Richtung unter Zunahme der
elastischen Dehnungs-oder Druckspannungen auftritt.
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Die Erfindung kann in einfacher Weise dadurch realisiert werden, daß
der Ventilsitz bzw. ein mit ihm oder dem beweglichen Ventilkörper verschiebbar verbundener
Teil ringförmig ausgebildet ist und innen bzw. außen eine konische Oberfläche aufweist,
die mit einer konischen Gegenfläche zusammenwirkt. Dabei ist der Konizitätswinkel
wenigstens einer der beiden konischen Flächen so bemessen, daß sein Tangens größer
ist als der Koeffizient der statischen Reibung zwischen den beiden aufeinandergleitenden
konischen Oberflächen. Auf diese Weise wird eine Relativbewegung zwischen Ring und
Gegenkörper ermöglicht, wobei in der einen Richtung beim Schließen des Ventils die
Energie des Aufpralls durch Dämpfung verzehrt wird, während sich hieran eine rückläufige
Bewegung anschließt, bei der sich das aus dem Ring und seinem konischen Sitz bestehende
System energetisch entspannt und seine ursprüngliche Stellung wieder einnimmt.
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Die Mantellinien der korrespondierenden konischen Flächen definieren
mit ihrem Winkel zur Drehachse der Konizitätswinkel. Die Bemessung dieses Winkels
ist von Bedeutung, denn der Winkel muß mindestens so groß sein, daß sein Tangens
größer ist als der Koeffizient der statischen Reibung zwischen den beiden konischen
Gleitflächen. Bekanntlich hängt dieser Reibungskoeffizient von den Materialeigenschaften
und der Oberflächenbeschaffenheit ab.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
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F i g. 1 bis 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in verschiedenen
Darstellungen, während F i g. 5 eine abgewandelte Ausführungsform veranschaulicht.
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Im einzelnen zeigt F i g. 1 einen Schnitt in axialer Richtung durch
ein Klappventil, wobei der Augenblick desAufpralls derVentilklappeveranschaulichtist;
F i g. 2 zeigt einen Teilausschnitt aus der Darstellung von F i g. 1 in vergrößertem
Maßstab, wobei das Ventil unmittelbar nach dem Aufprall gezeichnet ist; F i g. 3
zeigt das Klappventil in geschlossenem Zustand, wobei aber der verschiebbare Teil
wieder in seine Ruhelage zurückgekehrt ist, nachdem die beim Aufprall aufgetretenen
Kräfte abgefangen worden sind; F i g. 4 zeigt einen Querschnitt durch das in F i
g. 1 dargestellte Ventil längs der Linie IV-IV in verkleinertem Maßstab. In den
F i g. 1 bis 4 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ventil handelt es sich um ein
Klappventil, wobei die Erfindung aber durchaus nicht auf diese Art von Ventilen
beschränkt ist. Die Erfindung eignet sich auch für andere Ventilarten, bei denen
ebenfalls eine Dämpfung des Aufpralls wünschenswert ist.
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Das Ventil 10 weist ein Ventilgehäuse 11 auf, in welches ein Strömungskanal
12 einmündet, wobei die Strömungsrichtung durch den Pfeil 13 angegeben ist. i Auf
der Abströmseite des Ventils liegt im Strömungskanal 12 ein ringförmiger Ventilsitz
14 in einer passenden Ausnehmung 15 im Ventilgehäuse 11. Auf diese
Weise kann der Ventilsitz leicht ausgewechselt werden. Der Ventilsitz 14 besteht
vorzugsweise aus einem anderen Material als das Ventilgehäuse 11. Dabei hängt die
Auswahl des Materials von den Um-5 gebungs- und Arbeitsbedingungen für den Ventilsitz
ab.
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Der bewegliche Ventilkörper ist bei den dargestellten Ausführungsbeispielen
als Ventilklappe ausgebildet, die in den F i g. 1 bis 4 mit °26 bezeichnet ist.
Die Ventilklappe ist an zwei Armen 17 befestigt, die schwenkbar mit einer Welle
18 in Verbindung stehen, welche drehbar in einem Teil 20 des Ventilgehäuses gelagert
ist und senkrecht zur Achse 26 des Strömungskanals 12 verläuft.
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Die Ventilklappe 16 enthält einen scheibenförmigen Zentralkörper 22
mit einer am äußeren Umfang konisch gestalteten Fläche 23, auf der ein Ring 24 mit
konischer Oberfläche 25 aufliegt. Der Ring 24 ist nicht geteilt und wird vom Zentralkörper
22 konzentrisch getragen. Die Mantellinien der konischen Oberflächen 23 und 25 schneiden
sich mit der Achse 26 in Strömungsrichtung unter dem Winkel B. Dieser Winkel heißt
Konizitätswinkel -und ist deshalb so groß wie der Öffnungswinkel A, wie aus F i
g. 1 ersichtlich ist. Der Ring 24 wird auf dem Zentralkörper 22 durch eine Scheibe
28 gehalten, die einen etwas größeren Durchmesser als die konischen Flächen 23 und
25 hat. Zu diesem Zweck ist der Ring 24, wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, mit einer
Aussparung 29 versehen. Der Ring 24 kann nicht vom Zentralkörper 22 heruntergleiten,
weil die hintere Endfläche 36 der Aussparung 29 dann gegen den Außenrand der Haltescheibe
28 zu liegen kommt.
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Die konische Fläche 23 besitzt einen größeren mittleren Durchmesser
und eine größere Länge als die konische Gegenfläche 25. Dadurch ragt in der Ruhelage,
wie F i g. 3 zeigt, der Ring 24 mit seiner Vorderkante 30 über die Scheibe
28 hinaus. Die Vorderkante 30 schließt mit dem Ventilsitz 14 in einer Ebene senkrecht
zur Achse 26 ab. Der Ring 24 ist außerdem so gestaltet, daß er in axialer Richtung
einen Spielraum 31 zwischen seiner rückwärtigen Stirnfläche 32 und einer Anschlagfläche
33 am Zentralkörper 22 läßt.
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Die konischen Flächen 23 und 25 sind außerdem so bemessen, daß, wenn
der Ring 24 in seiner entspannten - Lage ist (F i g. 3); der Spielraum 31 am größten
ist. Die beiden konischen Flächen sollen dann gerade genau aufeinanderpassen, sie
sollen rela= tiv zueinander gleiten können, wenn eine große Kraft in axialer Richtung
auf sie einwirkt.
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Die Ventilklappe 16 ist weiterhin mit einer öffnung 37 in der Mitte
versehen. Der Hebel 38, der mit der Welle 18 verkeilt ist, trägt an seinem freien
Ende einen Zapfen 39. Dieser Zapfen 39 paßt in die Öffnung 37, um diese verschließen
zu können. Auf diese Weise wird ein Entlastungs- oder Hilfsventil gebildet. Über
das Ende des Hebels 38 greift ein mit der Ventilklappe 16 fest verbundenes Joch
40 mit einem kuppenförmigen Vorsprung 41, wobei durch Einhaltung eines Abstandes
zwischen diesen Teilen der Hebel 38 eine gewisse Beweglichkeit bezüglich der Ventilklappe
16 erhält.
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In F i g. 1 ist der geöffnete Zustand der Ventilklappe 16 durch strichpunktierte
Linien angedeutet. In geöffnetem Zustand ist die Ventilklappe 16 aus dem Strömungskanal
12 in eine Kammer 43 geschwenkt, die durch einen Deckel 44 gegen die
äußere
Atmosphäre abgeschlossen ist. Somit steht die Kammer 43 in direkter Verbindung mit
dem Strömungskanal 12 und unterliegt dem Druck des strömenden Mediums.
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Im Betriebzustand kann das Ventil 10 durch entsprechende nicht
näher bezeichnete Maßnahmen an der Welle 18 geöffnet gehalten werden. Soll jedoch
die Strömung unterbrochen werden, so wird die Welle 18 freigegeben. Die Ventilklappe
16 schwenkt jetzt zusammen mit dem Hebel 38 im Uhrzeigersinn in die Schließstellung.
Diese Bewegung vollzieht sich z. B. infolge der Schwerkraft. Wenn die Ventilklappe
16 in den Strömungskanal 12 einzuschwenken beginnt, wird ihre Weiterbewegung durch
das strömende Medium beschleunigt, so daß das Schließen mit einem starken Aufprall
erfolgt.
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Im Augenblick des Schließens trifft die Ventilklappe 16 mit dem Ring
24 auf den Ventilsitz 14 mit großer Wucht auf, wodurch der Ring 24 zurückgeschoben
wird und die in F i g. 2 gezeigte Lage annimmt. Dadurch wird die Aufprallenergie
gedämpft. Während dieser Rückwärtsbewegung unterliegt der Ring 24 einer Ringspannung,
da seine konische Fläche 25 elastisch gedehnt wird. Wie schon erwähnt wurde, ist
diese Rückwärtsbewegung sehr klein, so daß der Ring 24 nicht über die Grenzen seiner
elastischen Deformationsmöglichkeit hinaus beansprucht wird.
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Obwohl der Koeffizient der statischen Reibung zwischen den beiden
konischen Flächen 23 und 25 nichtkritisch ist, ist er doch wichtig im Hinblick auf
die Auswahl des Konizitätswinkels B. Genauer gesagt muß der Konizitätswinkel B mindestens
so groß sein, daß sein Tangens größer ist als der Koeffizient der statischen Reibung
zwischen den beiden konischen Flächen 23 und 25. Dies ist wesentlich, um zu gewährleisten,
daß sich der Ring 24 auch dann noch in einem Zustand der Instabilität befindet und
nicht klemmt, wenn er die Energie des Aufpralles durch seine Bewegung nach hinten
aufgenommen und die in F i g. 2 gezeichnete Lage erreicht hat. Die Rückkehr in die
der Entspannung entsprechende Lage, also in die Ruhelage, ist gesichert, wenn die
inneren Spannungen, denen der Ring 24 unterworfen wird und die den elastisch
deformierten Ring in seine ursprüngliche Gestalt zurückzuzwingen trachten, größer
sind als die Reibungskräfte, die diesen Vorgang behindern. Schließlich nimmt der
Ring 24 die in F i g. 3 gezeigte Lage ein und dichtet gegen den Ventilsitz 14 wirksam
ab, so daß das Ventil geschlossen ist, zumal auch der Zapfen 39 durch den auf dem
Hebel 38 lastenden Strömungsdruck die Öffnung 37 in der Klappe 16 abdichtet.
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Das Material, aus dem der Ventilsitz 14 und der Ring 24 bestehen,
kann so gewählt werden, wie es die Arbeitsbedingungen erfordern. Man wird vorzugsweise
Metalle wählen, die eine ausreichende Elastizität besitzen und hohen inneren Spannungen
bei hoher Temperatur ohne dauernde Verformung durch Aufschlagkräfte widerstehen.
Sie können mit den erforderlichen Toleranzen hergestellt werden, wodurch ein einwandfreies
Arbeiten gewährleistet wird.
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Um das Ventil zu öffnen, wird die Welle 18 entgegen dem Uhrzeigersinn
gedreht, wodurch zunächst der Hebel 38 bis zum Anschlagen gegen den Jochvorsprung
41 bewegt wird. Dadurch wird zuerst das Entlastungsventil (37, 39) geöffnet.
Das bisher abgesperrte Medium gelangt jetzt durch das Entlastungsventil in den Abströmraum,
so daß sich die Druckdifferenz zwischen Vorder- und Rückseite der noch geschlossenen
Ventilklappe 16 verringert. Einer weiteren Drehung des Hebels 38 entgegen dem Uhrzeigersinn
setzt die Strömung dann keinen großen Widerstand mehr entgegen, so daß die Ventilklappe
16 ohne Aufwendung großer Verstellkräfte in die Endlage in die Kammer 43 geschwenkt
werden kann. Dadurch wird der Ventilsitz 14 freigegeben, und das strömende Medium
kann hindurchtreten.
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F i g. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung in
vereinfachter Darstellung. Bei dem Ventil 60 mit dem Ventilgehäuse 61 und dem Abströmungskanal
62 für das in Richtung des Pfeiles 63 fließende Medium sind die Maßnahmen, die bei
der in den F i g. 1 bis 4 veranschaulichten Ausführungsform an der Ventilklappe
getroffen sind, jetzt am Ventilsitz angewendet. Demgemäß trägt die Ventilklappe
64, die von Armen 65 so gehalten wird, daß eine Schwenkbewegung um die Achse 66
möglich ist, und die im übrigen in gleicher Weise wie in F i g. 1 bis 4 gestaltet
sein kann, nicht den dort vorhandenen Ring 24. Die Ventilklappe 64 kann also aus
einem einzigen Stück gefertigt sein, so daß die Fläche 67 sich unmittelbar gegen
den ringförmigen Ventilsitz 68 anlegt, wodurch das strömende Medium abgesperrt wird.
Hier weist nun der Ventilsitz 68 eine konische Fläche 69 auf, die in einer konischen
Gegenfläche 70 in der Wandung des Ventilgehäuses 61 liegt. Der Ventilsitz 68 wird
in der konischen Gegenfläche 70 von einer Reihe Stifte 71 in seiner Bewegungsfreiheit
begrenzt. Diese Stifte ragen durch die konische Fläche 70 in eine ringförmige Aussparung
72 im Ventilsitz 68 und hindern diesen am Herausgleiten.
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Die Mantellinien der konischen Oberfläche 69 des Ventilsitzes
68 und die der konischen Gegenfläche 70
in der Gehäusewandung schneiden
sich in einem Punkt in der Mittelachse des Abströmraumes. Beide Flächen haben dieselben
Eigenschaften wie die konischen Oberflächen 23 und 25 der in den F i g. 1 bis 4
dargestellten Ausführung, d. h., der Konizitätswinkel der konischen Oberflächen
hat einen so großen Wert, daß ein Tangens größer ist als der Reibungskoeffizient
der zwei konischen Flächen.
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Außerdem sind die konischen Flächen so gestaltet, daß sie im entspannten
Zustand die in F i g. 5 gezeigte Lage einnehmen. In diesem Zusammenhang sei erwähnt,
daß die axiale Länge der Aussparung 72 größer ist als der Querschnitt der Stifte
71, so daß eine Bewegung des Ventilsitzes 68 nach links in axialer Richtung möglich
ist, wenn ein Aufschlag der Ventilklappe 64 erfolgt, und nach rechts, wenn die Energie
des Aufschlages vernichtet worden ist.
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In dieser Ausführung wird jedoch der Ventilsitz 68
auf Druck
beansprucht, wenn er die Energie des Aufpralls aufnimmt, so daß durch die damit
verbundene Deformation sein Umfang während dieses Zeitabschnittes leicht verringert
wird. Nachdem die Energie des Aufpralls aufgezehrt worden ist, überwinden die Spannungen
im Ventilsitz 68 die Reibungskräfte zwischen den beiden konischen Flächen und zwingen
den Ventilsitz, sich nach rechts in seine Ausgangsposition zu bewegen, die er im
entspannten Zustand innehatte.