DE1284648B

DE1284648B - Steuerventil zur Begrenzung der zeitlichen Durchflussmenge auf eine maximale Groesse

Info

Publication number: DE1284648B
Application number: DEK52891A
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1964-05-08
Filing date: 1964-05-08
Publication date: 1968-12-05
Also published as: DE1284648C2; US3405907A

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerventil zur Begrenzung der zeitlichen Durchflußmenge auf eine maximale Größe, welches folgende Merkmale aufweist: Es hat einen Zuflußraum, eine Düse und einen sich erweiternden Abflußraum; das Ventil arbeitet nach dem Prinzip der kavitierenden Venturidüse, wobei in Abhängigkeit der durchfließenden Flüssigkeit ein Mindestdruckgefälle zwischen Zuflußraum und Abflußraum gegeben sein muß.
Die Unabhängigkeit des Durchflusses vom Druck im Abflußraum ist gewährleistet, solange der statische Druck im engsten Querschnitt des Steuerventils gleich dem Dampfdruck der Flüssigkeit ist. Sinkt das Druckgefälle zwischen Zu- und Abflußraum unter diesen vom Dampfdruck abhängigen Minimalwert, so ist der Durchfluß nicht mehr unabhängig vom Hinterdruck, sondern ändert sich proportional zur Wurzel aus dem Druckgefälle.
Das Verhältnis zwischen maximal zulässigem Hinterdruck, bei dem noch Kavitation auftritt, und Vordruck wird der Druckrückgewinnfaktor (englisch: recovery factor) genannt.
Aus der American Rocket Society Journal, 1952, S. 28 bis 31 ist ein Steuerventil bekanntgeworden, welches aus einem axialen Venturirohr besteht, wobei im kleinsten Durchlaßquerschnitt ein zentrisch geführter, axial verschieblicher, spitz zulaufender Steuerdorn vorgesehen ist. Die Düse ist demnach als axialer Ringspalt ausgebildet, der durch zwei konzentrische Kreise begrenzt wird, wovon der Radius des inneren Kreises entsprechend der Lage des Steuerdornes variabel ist und sich mit der Verschiebung des Steuerdornes ändert, so daß die Querschnittfläche der Düse nach einer quadratischen Funktion variiert. Beim bekannten Steuerventil ist also die Änderung der Durchflußmenge nicht linear zur Verschiebung des Steuerdornes, es sei denn, der Steuerdorn habe eine parabolische Kontur, was in der Fertigung sehr kostspielig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerventil der eingangs gegebenen Art zu schaffen, dessen Durchfluß in linearer Weise vom Verstellweg abhängt.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst: Der Zuflußraum führt auf eine verschiebliche Prallfläche; der Abflußraum ist radial angeordnet; die Düse ist als radialer Ringspalt ausgebildet, welcher in radialer Richtung in den Abflußraum übergeht und dessen Weite durch die Lage der Prallfläche bestimmt ist.
Der radiale Abflußraum ist der Diffusor des Steuerventils. Er dient der Rückwandlung von Strömungsgeschwindigkeit im Druck (Druckrückgewinn) und der stetigen Rekondensation der im engsten Querschnitt kavitierenden Flüssigkeit. Der Radialdiffusor oder auch Plattendiffusor unterscheidet sich also vom bekannten Axialdiffusor durch seine geometrische Anordnung. Diese neuartige geometrische Anordnung des Radialdiffusors zeichnet sich insbesondere auch dadurch aus, daß seine Flächendivergenz, das ist die Vergrößerung der Querschnittsfläche in Strömungsrichtung, durch einfache Anpassung des Diffusoröffnungswinkels eingestellt werden kann. Beispielsweise erhält man mit dem Diffusoröffnungswinkel von Null Grad eine konstante Flächendivergenz, was für die kavitierende Düse von hervorragendem Vorteil ist. Um diese Eigenschaft beim axialen Diffusor zu erreichen, muß dieser eine parabolische Kontur erhalten, was bei der notwendigen Oberflächengüte etwa den zehnfachen Aufwand an Fertigungskosten verursacht.
Bei diesem Steuerventil ist überraschenderweise der Druckrückgewinnfaktor, d. h. das maximal mögliche Verhältnis des Druckes im Abflußraum zum maximal möglichen Druck im Zuflußraum, unabhängig von der gesteuerten Durchflußmenge.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Prallfläche verschieblich und bestimmt die Weite des Ringspaltes. Das Steuerventil ist auf diese Weise besonders einfach aufgebaut.
Nach einer zweiten besonders zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung gehört die Prallfläche einer Membran an. Dadurch kann das Innere des Steuerventils hermetisch gegenüber dem Äußeren abgeschlossen werden, so daß giftige und aggressive Flüssigkeiten, auch flüssige Metalle, gefördert und bestimmt werden können. Dies ist bei axialen Steuerventilen, insbesondere bei hohen Drücken unmöglich, da der notwendige große Steuerweg des Dornes entweder bewegliche Dichtungen oder einen Balg erforderlich macht.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert, welches in der Zeichnung im Querschnitt dargestellt ist.
Das Steuerventilgehäuse ist im großen und ganzen rotationssymmetrisch ausgebildet. Es umschließt einen Zuflußraum 2, in dem die Flüssigkeit einen Vordruck P,, aufweist. Die Wandung des Zuflußraumes geht über eine im Querschnitt etwa viertelkreisförmige oder hyperbolische Abrundung 4 in eine Flanschplatte 3 über, die im Querschnitt flachkegelstumpfförmig ausgebildet ist. Im Bereich der Abrundung 4 ist ein Ringspalt 5 vorgesehen, der in radialer Richtung in einen Abflußraum 6 übergeht. Der Abflußraum 6, im folgenden auch Radialdiffusor genannt, ist radial angeordnet, so daß er sich in dieser Richtung erweitert. Im Abflußraum herrscht ein Hinterdruck Pl,. An den Raum 6 schließt sich ein ringförmiger Sammelkanal ? an, aus dem die Flüssigkeit durch einen Abflußstutzen 8 abgeleitet wird. Die Außenwand des Sammelkanals 7 geht in einen Flanschrand 9 über.
Der Abflußraum (Radialdiffusor) 6 wird auf der einen Seite von der Flanschplatte 3 und auf der anderen Seite von einer Membran 10 begrenzt. Der Rand der Membran 10 ist zwischen dem Flanschrand 9 und dem Außenrand eines Ventilgehäusedeckels 11 mittels Verbindungsschrauben 16 eingespannt. Der Ventilgehäusedeckel 11 weist einen zentralen Führungszylinder 15 auf, in dem ein Verstellkolben 12 geführt ist. Der Verstellkolben 12 ist an einem Ende abgerundet und liegt mit diesem Ende an der Rückseite der Membran 10 an.
Der Verstellkolben 12 dient zur Verschiebung der Membran 10, so daß sich die Weite des Ringspaltes 5 verändert und die zeitliche Durchflußmenge gesteuert werden kann. Die Verstellung des Kolbens 12 erfolgt in Anpassung an die vorgesehene Anwendung. In dieser Hinsicht können in der Kolbenaussparung 14 Federn mit vorbestimmter Charakteristik untergebracht werden, die Kolbenaussparung 14 kann mit dem Raum 2 kommunizieren, schließlich kann die Verstellung des Verstellkolbens 12 oder unmittelbar der Membran 10 auch durch eine Stellschraube bewirkt werden, die gegen die Rückseite der Membran oder gegen den Verstellkolben 12 drückt. Die Schraubensteigung ist zweckmäßig so gewählt, daß der gesamte Steuerbereich des durch den veränderbaren Ringspalt gebildeten Durchlaßquerschnitts etwa einer ganzen Schraubendrehung entspricht. Auf einer linearen Skala, z. B. auf dem kreisscheibenförmigen Schraubenkopf, kann dann die lineare veränderliche Breite des Ringspaltdurchlasses und damit die jeweilige Durchflußmenge abgelesen bzw. eingestellt werden.
Die im Zuflußraum 2 strömende Flüssigkeit prallt im Bereich des Kolbens 12 gegen die Membran 10 und wird nach außen gelenkt. Die Flüssigkeit durchtritt dabei den Ringspalt 5 (engster Querschnitt) und gelangt in den Abflußraum (Radialdiffusor) 6. Im Ringspalt 5 tritt eine mindestens teilweise Verdampfung der Flüssigkeit auf, was zu einer Vergrößerung des spezifischen Volumens führt. Der Abflußraum (Radialdiffusor) 6 erweitert sich stetig vom Ringspalt (engster Querschnitt) 5 an. Die Erweiterung ist so getroffen, daß die Kondensation des Sattdampfgemisches in genügend langer Zeit und unter dauernder Gleichgewichtseinstellung ablaufen kann. Durch die Ausbildung der Flanschplatte 3 wird diesen Erfordernissen Rechnung getragen, welche je nach den Gegebenheiten flach konvergent oder eben oder flach divergent ausgebildet wird.
Unter Fortfall der Membran 10 kann im übrigen auch der Kolben 12 als Prallfläche dienen.
Die Membran 10 kann aus Kunststoff oder Metall sein. Sie kann fest in ein Ventilgehäuse eingeschweißt werden, so daß eine vollkommene Abdichtung des Inneren gegenüber dem Äußeren gegeben ist.
Ohne einen Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben, seien von den möglichen Anwendungsgebieten die folgenden genannt: Hinterdruckunabhängige Treibstoffsteuerung (Gesamtdurchfluß und Mischungsverhältnis) an Raketentriebwerken oder anderen Verbrennungsmaschinen; von der Last unabhängige Vorschubsteuerung an hydraulischen Geräten, insbesondere an Werkzeugmaschinen; Durchflußsteuerung von dünnflüssigen bis dickflüssigen Medien, auch von aggressiven Flüssigkeiten oder flüssigen Metallen, insbesondere in der Reaktortechnik oder im Gießereiwesen (Aluminiumguß). Das neue Steuerventil ist überall dort angebracht, wo einfache Drosselventile unbrauchbar, Druckwagen, Regelpumpen und ganze Regelkreise zu teuer oder zu umständlich oder wegen des zu fördernden Mediums nicht verwendbar sind.

Claims

Patentansprüche: 1. Steuerventil zur Begrenzung der zeitlichen Durchflußmenge auf eine maximale Größe, welches folgende Merkmale aufweist: a) es hat einen Zuflußraum, eine Düse und einen sich erweiternden Abflußraum; b) das Ventil arbeitet nach dem Prinzip der kavitierenden Venturidüse, wobei in Abhängigkeit der durchfließenden Flüssigkeit ein Mindestdruckgefälle zwischen Zuflußraum und Abflußraum gegeben sein muß, gekennzeichnet durch c) der Zuflußraum (2) führt auf eine verschiebliche Prallfläche (10); d) die Düse ist als radialer Ringspalt (5) ausgebildet, welcher in radialer Richtung in den Abflußraum (6) übergeht und dessen Weite durch die Lage der Prallfläche bestimmt ist; e) der Abflußraum (6) ist radial angeordnet.
2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallfläche einer Membran (10) angehört.
3. Steuerventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (10) im Ventilgehäuse dichtend eingefügt ist.
4. Steuerventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil im Bereich der Prallfläche einen Kolben (12) aufweist, der an der Rückseite der Membran (10) anliegt und deren Lage steuert.
5. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den Abflußraum (6) ein konzentrisch ringförmiger Sammelkanal (7) anschließt.
6. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine dem gewünschten Strömungsverlust entsprechende Oberflächenrauhigkeit des Abflußraumes (6).