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Die vorliegende Erfindung betrifft
Leitungsventile mit integrierter Ansteuerung, die sich für alle Fluidtypen
und alle Verfahrenstypen eignen und insbesondere zur Versorgung
mit Treibstoff oder Oxidationsmittel für Flüssigraketenmotoren dienen,
ob kryotechnisch oder nicht.
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Solche Leitungsventile, deren erster
Zweck es ist, die Druckverluste des Fluids bei dem Kreislauf zu
minimieren, sind meist in ihrer Ruhestellung geschlossen und umfassen
eine integrierte pneumatische Steuerung. Wenn man gleichzeitig den
dynamischen Effekt des Fluids bei der Bewegung und die Möglichkeit
des Energieverlusts der Steuerung, die beide für sich zu einem Schließen des
Ventils führen, berücksichtigt,
ist es notwendig zur Gewährleistung der
offenen Position dieses Ventil mit einer Verriegelungsvorrichtung
zu versehen, die einfach (Verriegelung in der offenen Stellung)
oder doppelt (Verriegelung in der offenen und (eschlcssenen Stellung)
wirksam sein kann. 3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel eines
kryotechnischen Leitungsventils nach Stand der Technik mit einem
Kolben 84, dessen Betätigungshebel 86 mit
der Klappe 88 des Ventils verbunden ist und durch dessen
Bewegung diese Klappe geöffnet
oder geschlossen wird. Das Festhalten in dieser geöffneten
oder geschlossenen Stellung wird durch ein Verriegelungssystem sichergestellt,
das üblicherweise
eine pneumatische Einheit 90 umfaßt, die das Verstellen eines
mechanischen Stiftes 92 abwechselnd in zwei abseits der
Bahn des Kolbens und in dem Betätigungshebel 86 angebrachten
Einkerbungen 94, 96 veranlaßt. Dieses Verriegelungssystem
erfordert jedoch zahlreiche Bearbeitungsschritte, wodurch es besonders
komplex wird. Im übrigen kann
der Verlust der Verriegelungssteuerung beim Veranlassen einer Entriegelung
des mechanischen Stiftes 92 zur Folge haben, daß unter
Einwirkung einer Rückholfeder 98 der
Klappe ein unerwünschtes Schließen des
Ventils erfolgt.
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Aus der Druckschrift
FR-1531598 ist ein Leitungsventil
bekannt, bei dem ein Steuermechanismus mit einem Zentralkörper und
einem Steuerkolben das Ventil zwischen einem geöffneten und geschlossenen Zustand
hin und her bewegt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, ein Leitungsventil vorzuschlagen, das sowohl
einfach in der Ausführung
als auch zuverlässig bei
der Verwendung ist. Ein Ziel der Erfindung ist es, ein Ventil vorzuschlagen,
bei dem die Stellung der Klappe konserviert wird, wenn die Energie
zur Steuerung der Verriegelung ausfällt und dessen Herstellung
gleichzeitig besonders ökonomisch
ist.
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Diese Ziele werden erreicht durch
ein Leitungsventil mit einem Ventilkörper, in welchem über Haltearme
ein Steuermechanismus für
eine Klappe montiert ist, wobei dieser Mechanismus einen Zentralkörper umfaßt, der
mit einer zylindrischen Kam mer ausgestattet ist, in welcher ein
Steuerkolben zwischen einer einem Zustand der vollständigen Öffnung des
Ventils entsprechenden ersten Stellung und einer einem Zustand der
vollständigen
Schließung
des Ventils entsprechenden zweiten Stellung gleiten kann, wobei
das Festhalten des Steuerkolbens in der einen oder der anderen der
zwei Stellungen durch einen Verriegelungsmechanismus sichergestellt
wird, der wenigstens eine Zylindervorrichtung umfaßt, die
durch Einwirkung auf einen zylindrischen Kragen die Freigabe der
Verriegelungskugeln bewirtk, die durch einen Ring festgehalten werden,
der Aufnahmen für
die Kugeln umfaßt,
und eine axiale Blockierung einer Welle sicherstellt, die mit dem Steuerkolben
verbunden ist und zwei kreisförmige Auskehlungen
aufweist, die voneinander und von dem Weg des Steuerkolbens beabstandet
sind und dazu dienen, abwechselnd die Verriegelungskugeln aufzunehmen,
so daß das
Halten des Ventils in seiner vollständig geöffneten wie geschlossenen Stellung
gewährleistet
ist.
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Durch diese Kugelkonfiguration ist
es möglich,
auf einfache Art mit hoher Zuverlässigkeit gleichzeitig eine
Verriegelung in der geschlossenen Stellung und eine Verriegelung
in der offenen Stellung des Ventils sicherzustellen, wobei die Risiken
eines unerwünschten
Schließens,
wie sie bei Vorrichtungen nach Stand der Technik bestehen, ausgeschlossen
werden. Darüber
hinaus läßt die Einfachheit
der vorgeschlagenen Struktur hoffen, daß ihre Fertigung besonders ökonomisch
vorgenommen werden kann.
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Bei der angestrebten Ausführungsform
kann die Zylindervorrichtung wenigstens zwei Kolben umfassen, deren
Betätigungshebel
mit einer Verbindungsplatte mit Zylinderkragen verbunden sind, so daß ein simultan
auf die Kolben ausgeübter
Druck die Verstellung des Kragens bewirkt und daher die Freigabe
der Verriegelungskugeln ermöglicht.
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Vorzugsweise erfolgt das Beaufschlagen
der Kolben mit Druck über
Versorgungskanäle,
die in den Zentralkörper
des Steuermechanismus für
die Klappe gebohrt sind.
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Die Bewegungssteuerungen für den Steuerkolben
und die Zylindervorrichtungen erfolgen unabhängig voneinander über zwei
der Haltearme, wobei wenigstens einer der übrigen disponibel gebliebenen Arme
vorteilhafterweise benutzt werden kann, um eine Information über die
Stellung, geschlossen oder geöffnet,
des Ventils von einem auf dem Zentralkörper angeordneten Fühler zu übertragen.
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In einer bevorzugten Form werden
die Klappe und ihr Steuermechanismus in dem Ventilkörper über drei
Haltearme gehalten, die unter 120° angeordnet
sind.
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Es wird sich zeigen, daß die oben
beschriebene Ventilstruktur insbesondere ausgelegt ist für den Einsatz
in schwieriger Umgebung und insbesondere in kryotechnischer Umgebung
zur Versorgung mit Treibstoff oder Oxidationsmittel für Raketenmotoren.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden im Verlauf der folgenden Beschreibung
deutlich, die eine prinzipielle Darstellung ohne Beschränkung ist,
wobei auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen wird, bei denen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen doppelt
verriegelnden Leitungsventils zeigt,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen einfach
verriegelnden Leitungsventils zeigt und
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3 ein
Leitungsventil nach Stand der Technik zeigt.
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Entsprechend der Erfindung ist ein
Leitungsventil mit einer doppelten Verriegelungsvorrichtung in 1 dargestellt. Dieses Ventil
umfaßt
einen Ventilkörper 10,
der wie üblich über parallele
Flansche 12, 14 oberhalb eines (nicht gezeigten)
Eingangsrohrstückes
und unterhalb eines (nicht gezeigten) Ausgangsrohrstückes angeschlossen
wird und bei welchem senkrecht zur Längsachse des Ventilkörpers ein
Klappensitz 16 angeordnet ist. Die Klappe 18, ihre
Rückholfeder 20 und
ihr Steuermechanismus sind in einem konischen Zylindergehäuse 21 untergebracht,
das in dem Ventilkörper 10 über mehrere Haltearme
zentriert ist, wobei es sich vorzugsweise um drei Arme 22, 24 und
(den nicht dargestellten) 26 handelt, die in einem Winkel
von 120° zueinander stehen,
die leicht abnehmbar sind und über
welche die (vorzugsweise hydraulischen oder pneumatischen) Steuervorrichtungen
zum Bewegen und zur Verriegelung der Klappe 18 verlaufen.
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Die Bewegung der Klappe aus einer
vollständig
offenen Stellung in eine geschlossene Stellung erfolgt axial über einen
Betätigungshebel 28,
dessen eines seiner zwei Enden mit der Klappe verbunden ist und
der in Höhe
seines anderen Endes einen Steuerkolben 30 aufweist, unter
Einwirkung eines Steuerfluids, das von (nicht dargestellten) externen Bewegungsvorrichtungen
ausgegeben wird, der in einer zylindrischen Kammer 32 im
Zentralkörper 34 des
Steuermechanismus verschiebbar ist. Vorzugsweise erfolgt die Verbindung
von Klappe und entsprechendem Ende des Betätigungshebels mittels einer selbstzentrierenden
Vorrichtung 36, die es erlaubt, jede leichte Dezentrierung
der Klappe bezüglich
ihres Sitzes zu korriegieren. Die Vorderfläche des Steuerkolbens 30 ist
mit einer Welle 38 verbunden (wodurch so ein Kolben mit
Doppelhebel gebildet wird), die mit einer ersten und zweiten ringförmigen Auskehlung
zur Verrigelung 40, 42 versehen ist, die sich
abseits des Weges des Steuerkolbens befinden und dazu dienen jeweils
abwechselnd wenigstens eine Kugel 44, 46 aufzunehmen,
so daß mit
einem ringförmigen
Reif zur Halterung 48, einem zylindrischen Kragen, der
ein ringförmiges
Futter 50 bildet, und seiner Haltefeder 52 ein
Mechanismus für
den Betätigungshebel 28 (und
daher für
die Klappe 18) zur Verriegelung-/Entriegelung in jeder
der festgelegten Öffnungs-
oder Schließstellungen
gebildet wird.
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Der ringförmige Raum 48, der
gleitend auf der Welle 38 angeordnet ist, umfaßt wenigstens
ein Aufnahmeloch 5a, 56, in welchem wenigstens
eine Verriegelungskugel gehalten wird. Das ringförmige Futter 50, das
ebenso (leitend auf dem Ring 48 angeordnet ist, besitzt
in dem (röf3eren
Teil seiner Länge eine
Innenbohrung, die mit dem Aubendurchmesser des Rings zusammenpaßt, und
in seinem kleineren Teil der Länge
eine Bohrung mit größerem Durchmesser,
wodurch ein ringförmiger
Hohlraum 58 für die
Aufnahme der durch das Gleiten des Futters auf dem Ring unter Einwirken
der Verschiebung des Betätigungshebels 28 freigesetzten
Kugeln entsteht. Das Futter 50 hat eine Außenschulter,
auf welcher sich ein Ende der Haltefeder 52 abstützt, deren
anderes Ende sich auf dem Körper 34 des
Betätigungsmechanismus
abstützt.
Das Ende des Futters 50 (egenüber dem ringförmigen Hohlraum
ist auf einer Scheibe 60 montiert, die mit den Betätigungsstößeln 62, 64 von
wenigstens zwei Kolben 66, 69 befestigt ist, die symmetrisch
in bezug auf die Achse des Ventils angeordnet sind in zwei Zylindern 70, 72 gleiten
können,
die in den Zentralkörper 34 gebohrt
wurden. Ein zentraler Versorgungskanal 80, der über ei nen
der Haltearme 24 dieses Mechanismus verläuft, kommuniziert
mit den Versorgungskanälen 74, 76, 78,
die in den Körper
in Höhe
der Kolbenzylinder 66, 68 gebohrt wurden, um direkt
auf eine Fläche
vor diesen Kolben ein Steuerfluid von einer (nicht dargestellten) externen
Steuereinheit zur Verriegelung/Entriegelung zu bringen.
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Die Steuerung der Bewegung der Klappe (Steuerung
der Öffnung
des Ventils) wird sichergestellt über einen dieser Haltearme,
z.B. durch den Arm 22, durch einen Versorgungsdruckkanal 82,
der direkt in die Kammer 32 des Zentralkörpers 34 mündet, in
dessen Innerem sich der Steuerkolben 30 unter Einwirkung
der Bewegungsvorrichtungen bewegen kann.
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Selbstverständlich umfaßt das Ventil außerdem einen
oder mehrere Stellungsfühler
(wie in 2 mit der Bezugsziffer 158 dargestellt)
in Form von Elektromagneten oder Induktionsspulen, um feststellen
zu können,
ob die Stellung des Ventils offen oder geschlossen ist. Die Information über die Stellung
kann vorteilhafterweise über
einen der Haltearme übertragen
werden, insbesondere über
jenen, der weder für
die Steuerung der Öffnung
des Ventils noch für
die Steuerung der Verriegelung/Entriegelung benutzt wird. Desgleichen
wird wenn nötig der
Arm gleichermaßen
mit einem zentralen Kanal versehen, der in der Zylinderkammer 32 des
Zentralkörpers 34 endet
und dazu dient, Luftaustausch mit dieser Kammer sicherzustellen.
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Die außerordentlich einfache Funktion
des oben beschriebenen Ventils ist die folgende. In einem ersten
stabilen Zustand, der als Ruhezustand bezeichnet werden kann, in
welchem sich das Ventil in einer vollständig geöffneten Stellung befindet,
ist die Rückholfeder 20 der
Klappe zusammengedrückt
und der Kolben 30 am unteren Anschlag. Die Verriegelungskugel 44, 46 ist
in ihrer Aufnahme 54, 56 in Höhe der ersten ringförmigen Aushöhlung 40 fixiert und
verriegelt die Welle 38, die Haltefeder 52 ist
entspannt und die Betätigungskolben
für die
Verriegelung 66, 68 sind ihrer Ruheposition oben
am Anschlag auf dem Grund ihres jeweiligen Hohlraums 70, 72.
Das Schließen
des Ventils wird mittels Varriegelungs-/Entriegelungsmechanismus
gesteuert, der ein Steuerfluid in den Hauptversorgungskanal 74 injiziert,
welches Fluid nachfolgend durch die Zusatzversorgungskanäle 76, 78 ströme und in
die Zylinder der Kolben gelangt, so daß diese an ihren unteren Anschlag
gedrückt
werden. Diese simultane Bewegung der Kolben verursacht eine entsprechende
Bewegung der Scheibe 60 und daher des Futters 50,
an weichem sie befestigt ist. Die Haltefeder 52 wird zusammengedrückt und
die freigesetzten Verriegelungskugeln weichen in den ringförmigen Hohlraum 58 aus,
so daß die
Welle 42 freigesetzt und nach hinten zurückgestoßen wird,
wobei sie bei ihrer Bewegung den Betätigungshebel 28 und
unter der Einwirkung der Klappenrückholfeder 20 die
Klappe 18 mitnimmt, mit der sie über eine Selbstzentrierungsvorrichtung 36 verbunden
ist. Diese Rückstoßbewegung ergibt
sich, wenn der Steuerkolben 30 den oberen Anschlag erreicht,
wobei die Klappe 18 somit in ihrem Sitz 16 positioniert
wird. Die Verriegelung dieser geschlossenen Stellung wird durch
die Rückkehr
der Kugeln 44, 46 in ihre jeweilige Aufnahme in
Kontakt mit der zweiten ringförmigen
Auskehlung 42 der Welle sichergestellt. Mit dem freigegebenen
ringförmigen Hohlraum 58 kann
das Futter 50 (und die Scheibe 60 sowie die Kolben,
die mit dieser verbunden sind) in ihre ursprüngliche Stellung unter Einwirkung
der Haltefeder 52 zurückkehren.
Das Ventil befindet sich in einem neuen stabilen Zustand, welchen
die Dyanamik des Fluids wie der Verlust jeder Steuerenergie (Versorgung
mit Stuerfluid zur Verriegelung kann im übrigen von der Freigabe der
Verriegelungskugeln an unterbrochen sein) in keiner Weise beeinflussen.Desgleichen
wird die Druckbeaufschlagung des Versorgungsdruckkanals 82 ohne
Effekt auf das Ventil bleiben, da die Verriegelungskugeln 44, 46 (über das
Futter 50) in einer festen Position gehalten werden. Die
Rückkehr
der Klappe in ihre ursprüngliche geöffnete Stellung
erfordert daher vorher eine neue Injektion von Steuerfluid (via
Kanäle 74, 76, 78),
um eine Freisetzung der Kugeln zu bewirken, wobei die Bewegung der
Klappe nachfolgend sehr einfach realisiert wird, indem über den
Versorgungsdruckkanal 82 auf den Steuerkolben 30 eingewirkt
wird. Der ursprüngliche
Ruhezustand, der der vollständigen Öffnung des
Ventils entspricht, ergibt sich, wenn der Steuerkolben 30 an
den unteren Anschlag gelangt und die erste ringförmige Auskehlung 40 über den Aufnahmen
für die
Kugeln 54, 56 positioniert und somit deren erneute
Blockierung bewirkt.
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2 zeigt
eine andere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Ventils
mit einer einfach wirkenden Verriegelungsvorrichtung. Die unterschiedlichen
Elemente, die dieses Ventil bilden, sind im wesentlichen dieselben
mit einem Ventilkörper 100 mit Klappensitz 102.
Die Klappe 104, ihre Rückholfeder 106 und
ihr Steuermechanismus 108 werden in dem Ventilkörper von
drei Haltearmen 110, 112 und (nicht dargestellt) 114 gehalten,
die vorteilhafterweise in einem Winkel von 120° zueinander angeordnet sind. Die
axiale Bewegung der Klappe 104 wird durch einen Betätigungshebel 116 bewirkt,
dessen eines Ende mit der Klappe über eine Selbstzentrierungsvorrichtung 118 verbunden
ist, und dessen anderes Ende die Form eines Steuerkolbens 120 hat,
der sich in einer Zylinderkammer 122 in dem Zentralkörper 124 des
Steuermechanismus der Klappe bewegen kann. Die Vorderfläche dieses
Steuerkolbens ist mit der Welle 126 verbunden, die eine
ringförmige
Auskehlung zur Verriegelung 128 hat, die dazu dient wenigstens
eine Verriegelungskugel 130, 132 aufzunehmen,
wodurch eine Sperre für
diese Welle entsteht. Jede Kugel wird in Position gehalten durch
einen Ring 134, der gleitend auf der Welle 126 angeordnet ist und
der die Aufnahmen 136, 138 für diese Kugeln umfaßt. Die
Freigabe der Verriegelungskugeln wird sichergestellt durch einen
inneren ringförmigen
Hohlraum 142 eines zylindrischen Kragens 140,
der auf diesem Ring gleiten kann. Dieser Kragen 140 ist
an einem Ende befestigt und steht über die Innenfläche seiner
Basis mit dem Ende eines Betätigungshebels 144 für einen
Kolben 146 in Kontakt, der in einem Zylinder 148,
der mit dem Zentralkörper 124 verbunden ist,
unter Einwirkung eines hydraulischen oder pneumatischen Druckes,
der über
einen Versorgungskanal 150 ausgeübt wird, bewegbar ist. Die
Verbindung zwischen diesem Versorgungskanal und der externen Steuereinheit
zur Verriegelung/Entriegelung kann über einen der Haltearme durch
einen Versorgungskanal 152 oder eventuell über eine
flexible Leitung 154 erfolgen. Eine Haltefeder 156,
die auf einer Außenschulter
des zylindrischen Kragens 140 ruht, erlaubt die Mitnahme
des Kragens in seine Ruheposition ohne Einwirkung der Zylindereinheit 144, 146, 148.
Eine Anzeige der Stellung des Kolbens 120 erfolgt durch
einen Fühler 158,
der vorteilhafterweise in dem Körper 124 über der
einen oder der anderen der Extremstellungen dieses Steuerkolbens
angebracht ist, wobei die Meldung dieser Stellung über einen
der Haltearme übertragen
werden kann.
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Wie in der vorigen Ausführungsform
wird die Steuerung zur Öffnung
des Ventils über
einen der Haltearme 110 über einen Versorgungsdruckkanal 160 sichergestellt,
der direkt in die Kammer 122 des Zentralkörpers 124 mündet, in
dessen Innerem sich der Steuerkolben 120 unter Einfluß der hydraulischen
oder pneumatischen Bewegungsvorrichtungen bewegen kann.
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Die Funktion dieses Einfachverriegelungsventils
gleicht in ihrem Prinzip der oben beschriebenen. Ebenso wird das
Schließen
des Ventils über
die Injektion eines Steuerfluids in Höhe des Zylinders 148 des
Kolbens 146 aus dem zentralen Versor gungskanal 152 über die
Leitungen 154, 150 bewirkt. Seine Beaufschlagung
mit Druck bewirkt durch die Bewegung des Kolbens eine Bewegung des
Betätigungshebels 144 und
gleichzeitig des zylindrischen Kragens 140, auf welchem
jene sich abstützt.
Die Haltefeder 156 wird zusammengedrückt und die so freigesetzten
Verriegelungskugeln 130, 132 bewegen sich in den
ringförmigen
Hohlraum 142, so daß die
Welle 126 ebenfalls freigesetzt und unter Einwirkung der
Rückholfeder
der Klappe 106 nach hinten zurückgestoßen wird. Diese Rückstoßbewegung
erfolgt, wenn der Steuerkolben 120 an den oberen Anschlag
gelangt, wodurch die Klappe 104 in ihrem Sitz 102 positioniert
wird. In dieser extremen Stellung des Steuerkolbens werden die Verriegelungskugeln
in dem ringförmigen
Hohlraum gehalten und die Haltefeder bleibt zusammengedrückt. Die Öffnung des Ventils
kann danach erfolgen, indem einfach über den Versorgungsdruckkanal 160 auf
den Kolben 120 eingewirkt wird. Der ursprüngliche
Ruhezustand, der der vollständigen Öffnung des
Ventils entspricht, ergibt sich, wenn dieser Kolben zum unteren
Anschlag zurückkehrt,
wodurch aufs Neue die kreisförmige Auskehlung 128 über den
Verriegelungskugeln 130, 132 positioniert wird.
Jene erlauben durch das Absinken in diese Auskehlung 128 eine
Rückkehr
des zylindrischen Kragens unter Einwirkung der Feder 156 in
seine Ursprungsposition und die Blockierung der Welle 126.