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Entlastetes Einsitzventil Die vorliegende Erfindung betrifft ein entlastetes
Einsitzventil mit einem Hauptventilkörper und einem mit der Ventilspindel starr
verbundenen Vorhubventilkörper, wobei der Boden des Hauptventilkörpers mit Ausgleichsöffnungen
zum Durchtritt von Medium von der Strömungsseite her in eine Mischkammer und umgekehrt
versehen ist.
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Es sind Einsitzventile mit Entlastung durch Druckausgleich bekannt,
mit einem als Rohrschieber ausgebildeten Hauptverschlußstück und einem in einer
Querwand des Hauptverschlußstückes angeordneten Sitz für ein mit der Ventilspindel
fest verbundenes Vorhubventilverschlußstück und mit einer am über das Vorhubventil
hinausragenden Spindelende fest angebrachten tellerförmigen Schirmwand, die mit
dem Hauptverschlußstück einen Ringraum bildet, welcher Ringraum zum Verhindern des
Flatterns des Hauptverschlußstückes während der öffnungsbewegung durch Erzeugung
eines Kraftschlusses zwischen Hauptverschlußstück und Schirmwand mittels Mediumdruck
mit dem Abströmraum des Ventils verbunden ist.
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Es gehört ferner zum Stande der Technik, in der Bodenfläche der Schirmwand
eines entlasteten Ventils Bohrungen zum Durchtritt des Mediums vorzusehen, welche
für den Ausgleich von Druckkräften über der Bodenfläche der Schirmwand sorgen.
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Bei praktisch allen Ausführungen von entlasteten Einsitzventilen ist
ein Hauptventilkörper und ein mit der Ventilspindel starr verbundener Vorhubventilkörper
vorhanden. Als bisher noch nicht gelöstes Problem ergibt sich dabei, daß der Hauptventilkörper
relativ zur Ventilspindel rattern kann. Zur Vermeidung dieses Nachteiles ist es
bekannt (deutsche Auslegesehrift 1147 095), zwischen Haupt- und Vorhubventilkörper
durch Erzeugung eines Unterdruckes eine feste Verbindung herzustellen. Bei Ausführungen
dieser Art ist aber am Ventilkörper keine Stelle zu finden, der für alle Betriebszustände
ein eindeutig tiefster oder höchster Druckwert zugeordnet werden kann. Es ist daher
nicht möglich, über den ganzen Regelbereich das Rattern des Ventils zuverlässig
zu verhindern.
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Bei einer ähnlichen Ausführung (deutsche Auslegeschrift
1174 589) wird ein vollständiger Druckausgleich beiderseits einer
Querwand im Hauptventilkörper hergestellt. Dies bewirkt zwar eine Verkleinerung
der für die Verstellung des Ventils notwendigen Kraft, hat jedoch keinen Einfluß
auf eine eventuell vorhandene Neigung zum Rattern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem entlasteten Einsitzventil
eine über den ganzen Regelbereich ratterfreie, sicher wirkende Verbindung zwischen
dem Haupt- und dem Vorhubventilkörper zu schaffen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß der gesamte Flächeninhalt der Ausgleichsöffnungen so groß ist, daß in jeder
offenen Ventillage das Produkt aus dem mittleren Druck des Mediums in der Mischkammer
mal der dem Entlastungsraum zugewandten Fläche des Entlastungskolbens mindestens
annähernd gleich dem über die der Strömung zugewandte Bodenfläche integrierten Produkt
aus örtlichem Druck mal zugehörendem Flächenelement der Bodenfläche ist.
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Ein derart ausgebildetes Einsitzventil erlaubt die Bildung eines eindeutigen
Mittelwertes bei jeder Ventillage, der dem mittleren effektiven Druck auf die Unterseite
der Bodenfläche entspricht. Es ist dadurch möglich, den Druck über dem Hauptventilkörper
so einzustellen, daß bei keinem Betriebsfall ein Rattern auftritt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anschließend an Hand von
Figuren erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Schnittdarstellung
durch die Längsachse eines entlasteten Einsitzventils, F i g. 2 eine Ansicht
von der Strömungsseite her auf den Hauptventilkörper gemäß F i g. 1,
F
i g. 3 Druckverlaufkurven für verschiedene Ventilhübe in Abhängigkeit des
Ortes des entlasteten Einsitzventils gemäß den F i g. 1 und 2 für verschiedene
Betriebszustände.
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Das Gehäuse 1 eines entlasteten Einsitzventils gemäß den F
i g. 1 und 2 trägt einen Ventilaufsatz 3, in welchem eine Ventilspindel
5 geführt ist. Sie ist mit
einem Vorhubventilkörper
7 in einem Hauptventilkörper 9 starr verbunden Beim Schließen des
Ventils werden der HauptventilUrper 9 und der Vorhubventilkörper
7 durch die Ventilspindel 5 auf ihre Sitze 11 und
13 gepreßt und schließen den Durchfluß von einem Zuströmraum 15 zu
einem Abströmraum 17.
Der. Druck des Betriebsmittels im Entlastungsraum
19 unterstützt die schließende Ventilkraft.
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Beim öffnen des Ventils wird zuerst der Vorhubventilkörper
7 angehoben, bis er an der ringförmigen Fläche 25 eines Entlastungskolbens
33 im Hauptventilkörper 9 zum Aufsitzen kommt und nun den Hauptventilkörper
mitnimmt. Dieser wird entlastet, sobald bei beginnendem- Vorhub der Vorhubventilkörper
7 die Verbindung des Entlastungsraumes 19
zum Abströmraum
17 freigibt.
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Zum Vorhubventilkörper 7 gehört ein Einsatz 12, welcher im
Hauptventilkörper 9 befestigt, während der Ventilsitz zum Hauptventilkörper
9 als Einsatzdüse 10 mit einem Diffusorteil ausgebildet ist. Die Bodenfläche
des Hauptventilkörpers 9 ist mit öffnungen 31 versehen. Die Einsatzdüse
10, in Form einer Lavaldüse, hat einen engsten Düsenquerschnitt
35.
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Dieses entlastete Einsitzventil funktioniert wie folgt: Bei geöffnetem
Vorhubventil 7 wird der Entlastungsraum 19 des Hauptventilkörpers
über die Bohrungen 21 mit der Mischkammer 29 verbunden.
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Der in dieser Mischkammer 29 herrschende mittlere Druck pL,
stellt -einen Mittelwert des über die Bodenfläche 14 des - - Ventilbodens
16 integrierten Druckes p = F (R) dar; denn die Ausgleichsöffnungen
31 im Ventilboden 16 sind derart angeordnet und dimensioniert, daß
injedem Betriebszustand die Beziehung
mit R, als Sitzradius des Hauptventilkörpers 9 mindestens annähernd gültig
ist.
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Durch öffnungen 31 entsteht eine Ausgleichströmung in die und
aus der Mischkammer 29 derart, daß sich in dieser ungefähr überall ein gleicher
mittlerer Druck PE einstellt. Die sehr unterschiedlichen Druckfelder auf der Außenfläche
des Ventilbodens 16 werden durch diese Öffnungen 31 über die Mischkammer
29 miteinander verbunden. Die öffnungen 31 beeinflussen die Strömung
durch das Ventil nicht merklich.
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Wie auch während der verschiedenen Regulierphasen und Betriebsbedingungen
die Druckfelder auf dem Ventilboden 16 verlaufen mögen: es wirkt stets eine
der Kraft dieser Drücke entsprechende Schließkraft auf den Entlastungskolben
33, da im Entlastungsraum 19 ebenfalls der Druckmittelwert PE herrscht.
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Genaue Untersuchungen und durchgeführte Messungen an einem entlasteten
Einsitzventil gemäß den F i g. 1 und 2 haben gezeigt, daß in einem Einsitzventil
mit einem Diffusoreinsatz gemäß der Einsatzdüse 10 mit günstiger Strömungsführung
eine Strömung wie in einer Lavaldüse mit dem dort bekannten Druckverlauf erzeugbar
ist. In F i g. 3 ist der Druckverlauf längs der äußeren Bodenfläche 14 des
Hauptventilkörpers 9 über den Radius R und längs der Achse der Einsatzdüse
10 für verschiedene Ventilhübe und Gegendrücke aufgetragen.
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In F i g. 3 sind vier mit a-a:" a-a., a-a. und a-a4 bezeichnete,
mögliche Druckverlaufkurven für die Drücke p., pa 1, pa
2, Pa 3 und Pil 4 bei vollem Hub des Hauptventilkörpers
9 dargestellt. Im Diagramm bezeichnen: PO = Druck im Zuströmraum
15,
paK7 pbl" pb"- = fl - p" : kritische
Drücke, Pai, Pbi : Werte von Gegendrücken pc,.
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Bei ganz geöffneter Lage des Hauptventilkörpers 9
befindet sich
der engste Querschnitt im Strömungskanal an der Stelle des engsten Düsenquerschnitts
35,
im sogenannten Diffusorhals. Bei genügend tiefem Gegendruck pG am Austritt
der Einsatzdüse 10 entsteht an dieser Stelle des Düsenquerschnitts
35 eine Strömung, welche Schallgeschwindigkeit aufweist. In ihr herrscht
der kritische Druck ß - po.
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Wenn der Gegendruck pG unter diesen kritischen Druck p"K fällt, so
ändert sich die Druckverteilung am Hauptventilkörper 9 des Ventils nicht,
da, ungeachtet der Größe dieses Gegendruckes PC, im engsten Düsenquerschnitt
35 Schallgeschwindigkeit herrscht.
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Sinkt der Gegendruck pG unter den kritischen Druck PaK, so entsteht
an irgendeiner Stelle in der Einsatzdüse 10, welche strömungsmäßig gesehen
nach dem engsten Düsenquerschnitt 35 liegt, ein Verdichtungsstoß, wie dies
die Kurvenverläufe al, a., a. und a4 beispielsweise zeigen.
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Bei kleineren Ventilhüben liegt dagegen die engste Stelle des Strömungskanals
zwischen dem Hauptventilkörper 9 und der Einsatzdüse 10, beispielsweise
am Hauptventilkörper 9 auf dem Radius Rk.
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Auch hier ergeben sich entsprechende Druckverlaufkurven
b, b-b., b-b., b-b., b-b. und b-b4 für die Drücke pl, 0,
Pb 1, Pb 2, Pb 3 und PbI(, wobei bei kritischem Gegendruck
pl"( gerade Schallgeschwindigkeit an dieser engsten sich mit dem Öffnungshub verschiebenden
Stelle herrscht. Bei sehr tiefem Gegendruck pc, stellt sich im ganzen Diffusor der
Einsatzdüse eine überschallströmung mit einem der Linie b entsprechenden
Druckverlauf ein.
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Steigt der Gegendruck pc, dagegen an, dann wandert ein Verdichtungsstoß
in den Diffusor hinein. Bei einem Gegendruck PC,= Pb o gelangt dieser Verdichtungsstoß
an die engste Stelle des Diffusorhalses. Solange der Gegendruck pc, kleiner ist
als dieser kritische Druck pl, , an der engsten Stelle, hat der Gegendruck
PC, keinen Einfluß auf die Druckverteilung am Ventilkegelboden des Hauptventilkörpers
9. Steigt dagegen der Gegendruck pa über den kritischen Wert Pb
0, dann läuft der Verdichtungsstoß über die Ventilkontur mit zunehmendem
Gegendruck allmählich gegen die engste Stelle bei Rk- In diesem Bereich entstehen
bei Änderungen des Hubes oder Gegendruckes beträchtliche Änderungen des Druckverlaufes
am Boden des Hauptventilkörpers 9,
und damit ergeben sich entsprechende Änderungen
der nach oben am Ventil angreifenden Druckkräfte. Insbesondere kann man ohne die
erfindungsgemäße spezielle Ausbildung und Anordnung der öffnungen 31 in der
Bodenfläche des Hauptventilkörpers 9 keine Stelle am Hauptventilkörper
9 finden, die für alle Betriebszusfände einen eindeutig zugeordneten, tiefsten
oder höchsten Druck definiert.
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Aus diesem Grunde genügt es nicht, wie dies schon versucht wurde,
Ausgleichsbohrungen in die Bodenfläche eines entlasteten Ventils zum Durchtritt
des Mediums vorzusehen. Wenn diese Bohrungen nicht im erfindungsgemäßen Sinne ausgeführt
werden, so läßt sich der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Zweck nicht
erfüllen.
Sofern aber die Ausgleichsöffnungen 31 derart ausgeführt
werden, daß mindestens annähernd die Beziehung
herrscht, so kann bei gleichzeitig optimaler Entlastung des Ventils erreicht werden,
daß die Dampfkräfte auf den Hauptventilkörper 9 in allen Betriebszuständen
des Ventils eine eindeutig nach unten gerichtete Kraft ergeben, womit der gewünschte
Kraftschluß zwischen der Ventilspindel 5 und dem Hauptventilkörper
9 in allen Regulierphasen erreicht wird. Dieser optimale Entlastungszustand,
bei welchem angestrebt wird, stets eine positive, geringe, möglichst gleichmäßige
Schließkraft zu erhalten, stellt sich selbst bei überschallströmung und Druckstößen
ein, sofern beim Ausführen der Bohrungen Ausgleichsöffnungen 31 im vorbeschriebenen
Sinne diesen Phänomenen Rechnung getragen wird.
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Im Gegensatz dazu trägt eine bekannte Ausführung eines entlasteten
Einsitzventils z. B. dem Auftreten von Druckstößen nicht Rechnung, welche z. B.
in der Ventilbodenmitte auftreten und welchen keine Mög-
lichkeit geboten
wird, die diesem Druckstoß entsprechende Schließkraft durch Ausgleich zu erzeugen,
wie das in jedem Falle die beschriebene Konstruktion sicherstellt.
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Kräftemessungen an einem derart beschaffenen Ventil haben ergeben,
daß der Entlastungsdruck gemäß der vorerwähnten Beziehung tatsächlich angenähert
erreicht wird. Für das bei den Versuchen verwendete Ventil wurden die Ausgleichsöffnungen
31
auf konzentrischen Kreisen angeordnet, wobei die Zahl der öffnungen auf
den einzelnen Kreisen dem Durchmesser des betreffenden Lochkreises proportional
gewählt wurde. Wichtig ist dabei, daß die äußersten öffnungen möglichst nahe an
den Dichtkreis herankommen.
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An Stelle eines entsprechend bearbeiteten Hauptventilkörpers
9 wäre es natürlich auch möglich, einen entsprechenden Siebboden aus regelmäßig
perforiertem Blech in einen Ventilkörper einzuschweißen.