DE2008765B2 - Selbstreinigendes ventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein selbstreinigendes Ventil für Regulierung und Absperrung von Flüssigkeiten und Gasen, insbesondere Feststoffteilchen enthaltende Fluide, dessen Verschlußteile jeweils mit mindestens zwei schneidenförmigen Ringkonen versehen sind, die bei Annäherung des Ventiltellers an den Ventilsitz in labyrinthartigen Eingriff kommen. Zweck dieser Konuslabyrinth-Elemente ist es, zwei der hauptsächlichsten an Ventilen bestehenden Schwierigkeiten zu überwinden: Einmal die Steuerung von Fluiden, die harte, kleinkörnige Verunreinigungen oder Suspensionen von Teilchen enthalten, welche normalerweise, zwischen die Sitze geratend, eine Dichtbeeinträchtigung direkt (oder indirekt durch Abnutzung der Sitzflächen) hervorrufen, - zum anderen die Minderung oder Verhinderung von Kavitationsschäden infolge lokalisierter Strömungs-Übergeschwindigkeiten, wie sie an Drossel- und Absperrflächen auftreten bei Bewältigung hoher Druckenergien.

Selbstreinigende Ringkonen-Ventile wurden insbesondere als »Cone Labyrinth Valves« nach US-Patent 3185438 bekannt. Ihre Anwendungsgebiete erstreckten sich auf verflüssigte Gase, geschmolzene Metalle, Festkörper-Suspensionen u. ä. Die hier als Dichtelemente dienenden konusring-förmigen Lippen erbrachten gegenüber konventionellen Teller/ Ό Sitz-Aggregaten einen technischen Fortschritt, der jedoch durch ihren gleichen Aufbau beschränkt war, so daß Unvollkommenheiten des Eingriffssystems zu folgenden Nachteilen führten:

Verformungen der flexiblen Konen konnten Selbsthemmungen beim Ventilöffnen verursachen.

Die gleichartigen Querschnittsprofile benachbarter Konen erlaubten nicht eine Funktionstrennung von Dichten und Drosseln und erzwangen so Kompromisse zwischen Dichtreinigungs-Wirkung, Regelge- -° nauigkeit und Lebensdauer bei höherem Druckgefälle.

Die nicht genügend berücksichtigte Bedeutung eines zu kleinen Verhältnisses von Freiwinkel 7 zu Eingriffswinkel 8 der Dichtlippen führte gelegentlich zur Preß-Erhärtung von angeschwämmten Verunreinigungen mit Verstopfungsgefahr.

Die Zerschneidung von faserförmigen Beimischungen in Flüssigkeiten war unvollkommen.

Die Funktionen des Reinigens und Dichtens der so Konusschneide begrenzten sich gegenseitig zufolge der sich widersprechenden Forderungen nach maximaler Schärfe und limitierter Flächenpressung.

Die Bewältigung des Problems von eingeschlossenen Flüssigkeitsresten in den Labyrinthkammern war )^r> noch ungelöst.

Demgegenüber liegt der Anmeldung die Aufgabe zugrunde, die mit den ringförmigen Schneiden versehenen Verschußteile (Ventil-Teller und -Sitz) so auszubilden, daß die Schneiden ein verbessertes Ein-■lo griffsverhalten haben, mit dem die vorstehend aufgezeichneten Nachteile vermieden werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ringkonen 3, S eines Ventilteils 1 untereinander und/oder gegenüber denen 4, 6 des anderen Ventilteils 2 in Länge, Konizität, Material, Maße und/oder Anstellung unterschiedlich ausgebildet sind.

Die damit erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß:

die Gefahr der Selbsthemmung beim Ventilöffnen ^r)() beseitigt ist,

die Funktionen von Dichten und Drosseln getrennt perfekter ausgeführt und verschleißärmer möglich sind,

feine Preß-Härtung von Verunreinigungen mit ^r>5 Verstopfungsmöglichkeit verhindert wird,

die Zerscherung von faserförmigen Beimischungen in Flüssigkeiten besser gesichert ist,

ein kleinerer unterster Durchmesser von Festkörper-Partikeln noch schabend (reinigend) erfaßt werden kann von einer spezifisch in Funktionstrennung des Reinigens und Dichtsitzens ausgebildeten Schneide der Ringkonen,

das Problem von eingeschlossenen Flüssigkeitsresten beseitigt ist,

Verbesserungen der Verformungs-, Reibungs- und Verschleißverhältnisse der Eingriffselemente durch differenzierte Verwendung von Materialien oder Materialvergütungen möglich sind.

Die Erfindung wird an Hand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert:

Fig. 1 zeigt schematisch den Querschnitt eines ixlbstreinigenden Ventils, dessen Verschlußteile: Sitzaggregat 1 und Telleraggregat 2 ausgestattet sind mit Konusringschneiden verschiedener Form und Anordnung entsprechend den zu erfüllenden Teilaufgaben wie Drosseln, Scheren, Reinigen, Dichten, Kammerdruck-Ausgleichen, wobei Details ergänzend und eingehender in den Fig. 2 bis 8 dargestellt sind. Siezaggregat 1 ist im Ventilgehäuse eingesetzt, Telleraggregat 2 mit der Hubspindel verbunden. Die Durchflußrichtung ist vorteilhaft durch den Sitz zum Teller. Die verschiedenen, folgend aufgeführten Lösungselemente hängen z. T. voneinander ab; sie können einzein oder als Gesamtheit in beliebiger Kombination zum Einsatz gebracht werden.

Fig. 2 stellt das Querschnittsprofil zweier Dichtlippen im Eingriff dar. Lippe 3 weist in Strömungsrichtung, ist dünn und/oder von elastischerem Material und wird bei ausreichend hohem (Strömungs)-druck leicht mit der Strömung ausgebogen (so daß sogar eine Art Sicherheitsventilwirkung erreicht werden könnte). Lippe 4, gegen den Strom weisend, ist vergleichsweise starr, dicker, kürzer, und ihr Material hat nötigenfalls einen höheren Elastizitätskoeffizienten, so daß ihre Auslenkung unter hydraulischer Belastung vernachlässigbar ist. Die Gefahr einer Selbsthemmung durch Servowirkung (Dichtkraftverstärkung mit zunehmendem Flüssigkeitsdruck) unter der angegebe- jo nen Ventildurchströmrichtung ist ausgeschlossen zufolge der funktionsgemäßen Lippenanordnung in verschiedener Gestalt- und Material-Elastizität. Bei vertauschter Lippenflexibiiität (wirkungsgleich mit umgekehrter Strömungsrichtung) bestünde die Möglichkeit, daß auf einer zu langen Anfangsstrecke des Öffnungshubes die Lippen klebend und dichtend aneinandergleiten. Dasselbe würde bei gleicher Lippen-Anfangsflexibilität passieren, da während des öffnens die hydraulisch belastete Flankenfläche auf -to der der Strömung entgegengerichteten Lippe sich vergrößert und damit auch deren Auslenkungskraft anwächst. Es würde so lange kein Strömungsquerschnitt freigegeben werden, bis schließlich die angepreßte Lippe bei weiterem Ventilhub nach Verzögerung abrupt von der Gegenfläche abgleitet. Das aber führte zu einem Stoßeffekt und einer Unstetigkeit im Drosselverlauf. Beim Ventilschließen könnte dieser Effekt fehlen oder eine andersartige Unstetigkeit existieren. Das Drosselprogramm würde eine unerwünschte Hysteresis aufweisen und für Regelzwecke unbrauchbar sein. Mit der Beseitigung der Selbsthemmung nach Fig. 2 ist dieser Mißstand nun behoben.

Fig. 3 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt der Verschlußteile aus Fig. 1 im Eingriffszustand, wobei zwei Gestaltungsformen der Ringkonen als elastische Dichtelemente 3, 4 und als starrere Drosselkörper 5,6 innerhalb eines Ventils angeordnet sind. Die Dichtelemente stellen für ihren Zweck spezifisch konstruierte, Schneidenringkonen (Fig. 2, 4, 5, 6, 7, 8) dar, in gleicher oder verschieden hoher Ebene konzentrisch zu den Flächenringkonen angeordnet. Letztere haben als massiger, erosions- und wärmeleitungstechnisch überlegener Drosselkörper die Aufgabe der Druckenergie-Vernichtung während des Regelvorganges vor dem Dichtschließen zu vollziehen und so die empfindlicheren Dichtschneiden vor Kavitation zu schützen. Die relativ niedrigen Schneidringkonen kommen erst dann in Wirkposition, wenn die Wände der Flächenringkonen sich schon fast berühren und nur noch eine verschwindende Kapillarstrommenge dazwischen durchfließt. Ein Dichtschließen der Schneiden kann nur noch später unter geringeter Spaltstrom- und Kontaktbeanspruchung erfolgen. Das Drosselkonen-Aggregat läßt sich in extremer Konfiguration und wenn zweckmäßig in mehr oder weniger örtlicher Trennung vom Dichtkonensystern derart ausgestalten, daß Strömungsform und -geschwindigkeit über den ganzen Operationsbereich eines Hochleistungsventils; niemals die Kavitationsund Verschleißgrenzen erreichen. Der Energieumsatz findet dabei ausschließlich durch Laminarströmungs-Reibung in der Kapillarschicht zwischen den Konuswänden statt. Deren Abstand zwischen Null und einem Maximalwert ist während der Ventilbetätigung bis zum Erreichen der Nenndurchflußmenge regelbar. Der obenerwähnte zweite Zweck der Eingriffsverbesserung des Konuslabyrinth-Systems: die Unterdrückung von Kavitationsschäden ist also mit den erfindungsgemäß ausgebildeten Drosselkonen dadurch erreicht, daß die Druckenergie in einer beschleunigungsarmen Strömung, auf stetigem Wege und ohne Geschwindigkeitserhöhung, allein durch kapillar-laminare Zähigkeitsreibung »vernichtet«, d. h. in Wärme umgesetzt wird. In konventionellen Armaturen jedoch ist ein mit Kavitations-Erosion verbundener Prozeß der Durchflußregelung angewendet, bei dem die Ventildichtsitze und -kegel zur Drosselarbeit herangezogen werden, um die Druckenergie auf dem Umweg über lokale Geschwindigkeitserhöhung und anschließend extrem kavitierende Verwirbelung auf niedriges Potential zu bringen.

Fig. 4 demonstriert den verbessernden Einfluß der richtigen Wahl des Freiwinkels 7 in einer Dichtlippenpaarung. Bekannte Konusformen 3, 4 haben den Nachteil, daß sie eingefangene Kontamination 9 b^im Ventilschließen weiterhin zusammenpressen können (Fig. 4a). Dies läßt sich verhindern (Fig. 4b), wenn der in Durchflußrichtung schabende Konus 3 so gestaltet ist, daß sein Freiwinkel 7 zur Flanke des gegenüber liegenden Konus 4 größer als der Eingriffswinkel 8 zwischen dieser Flanke und der Hubrichtung ist. Die Innenflanke des Konus 3 bewegt sich so während des Schließens von einem etwaig angesammelten Fremdkörperkuchen 9 hinweg. Dieser wird dann beim nächsten Offnungszyklus leichter fortgespülit, als wenn er vorher komprimiert worden wäre.

Fig. 5 erläutert den »ziehenden Schnitt« der als Doppel-Ringmesser sich begegnenden Teller/Sitz-Konen beim Ventilschließen. Um diesen Schereffekt zu erzielen, ist die Schneidenkontur mindestens eines Ringkonuspartners aus der quer zur Achsrichtung liegenden, waagerechten Ebene um einen kleinen Winkel herausgekippt (Fig. 5 a) und/oder wellenförmig so ausgebildet (Fig. 5 b), daß zwei oder mehr »wandernde« Scherpunkte 10,11,12,13 entstehen. Faserförmige Beimischungen im strömenden Medium (z. B. Zellulosebrei, Asbest- oder Metallwollefasern in Reibbelagpasten usw.), die in bekannten Ventilen Schwierigkeiten verursachen, werden hier zwischen den scherenden Konen zerschnitten und weggeschabt, worauf die Schneiden des einen Ringmessers, elastisch sich anschmiegend, auf der sauberen Konusl'lanke des anderen zum Dichtsitz kommen.

Fig. (!»zeigt im Querschriittsprofil den Eingriffsvor-

gang einer Lippenpaarung, bei der die Teilaufgabe des Sitzreinigens (Fig. 6a) von der des Dichtsitzens (Fig. 6b) getrennt ist. Dadurch ermöglicht sich eine schärfere Ausbildung der Reinigungsschneide 14 ohne unvorteilhafte Erhöhung von deren Flächenpressung. Die elastischere vordere Schneidenzone schabt mit ihrer begrenzten Federkraft auf der Gegenflanke, während der weiter zurück sitzende, später zum Eingriff kommende Wulst 15 seine Dichtfunktion unter der erforderlichen höheren Kontaktkraft infolge der steiferen Ringfederung des Konusstumpfes erfüllt. Die empfindlichere Schneide bleibt dabei durch die Stützwirkung des Ringwulstes von der Kraftsteigerung entlastet. Der kleinste Partikeldurchmesser, der ohne Gefahr des Untergezogenwerdens grade noch von der schabenden Ringkonenschneide verdrängt wird, ist von deren Schneidenradius abhängig und läßt sich bei dessen Verkleinerung, d. h. bei schärferer Schneide, weiter herabsetzen. Dichtflächenreinigung und Dichtsitz werden damit verbessert.

Fig. 7 zeigt das aus den beiden Teilen Reinigungsschneide 16 und Ringwulstlippe 17 zusammengesetzte Querschnittsprofil eines Dicht-Reinigungs-Konus. Außer erleichterten Herstellungstechniken bietet diese Konstruktion auch funktionell Vorteile durch separate Materialwahl und voneinander unabhängiges Federungsverhalten der Teilkonen. Diese können auf der ganzen Berührungsfläche oder auch nur in deren unterem Teil durch Löten, Fusionsschweißen usw. verbunden sein.

Fig. 8 demonstriert drei Lösungen für das Problem des Abkapseins von Flüssigkeitsresten in den Konus-

labyrinthkammern. Je zwei sich berührende Paare von Dichtkonen bilden eine Ringkammer 18, die Gas oder Flüssigkeit unter Druck einschließen kann. Wenn bei zu kraftvollem Ventilschließen oder bei möglicher Zersetzung des Kammermediums eine ungewöhnliche, gefährliche Drucksteigerung sich ergeben sollte, läßt sich erfindungsgemäß durch bemessene Elastizität und konsekutiven Kontakt der Mehrfachschneiden eine Entlastung herbeiführen. Die notwendige nichtgleichzeitige oder nicht-gleichkräftige Dichtberührung benachbarter Ringkonenpaare geschieht durch deren unterschiedliche Profilhöhen 19, Eingriffswinkel 20 oder Radialteilung 21. Bei initialem Druckabriegeln z. B. der mittleren Kammer sind deren Konuswände durch den Druck in den nachfolgend geschlossenen Nachbarkammern teilweise entlastet. Zusätzlich kann stromauf- oder stromabwärts eine abgestufte Sicherheitsventil-Wirkung von Kammer zu Kammer durch Betonung der Schneidennachgiebigkeit vorgesehen werden.

Lebensdauer und Dichtvollkommenheit der Ringkonen lassen sich durch Oberflächenbehandlung, die die elastischen Eigenschaften des Kernmaterials nicht verändern, erhöhen. Es kommen Verfahren wie Härten, Diffundieren, Schichtumwandlung usw. zur Verminderung der Reibung und des Verschleißes ir Frage. Bei extremer Korrosions- und Erosionsbeanspruchung hat sich erfindungsgemäß die Anwendung von Oberflächenschichten aus Mo-Sulfid, Chromkarbid, Ni-Fluorid, Elektrographit und Elektrooxyd, ins besondere in den Kontaktzonen, als vorteilhaft erwie sen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Selbstreinigendes Ventil für Regulierung und Absperrung von Flüssigkeiten und Gasen, insbesondere Feststoffteilchen enthaltende Fluide, dessen Verschlußteile jeweils mit mindestens zwei schneidenförmigen Ringkonen versehen sind, die bei Annäherung des Ventiltellers an den Ventilsitz in labyrinthartigen Eingriff kommen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkonen (3, 5) eines Ventilteils (1) untereinander und/oder gegenüber denen (4, 6) des anderen Ventilteils (2) in Länge (19), Konizität (20), Anstellung (7), Radialteilung (21), Masse und/oder Material unterschiedlich ausgebildet sind.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastizität de/ stromaufwärts weisenden Ringkonen (4) z. B. des Tellers (2) geringer gewählt ist als die der stromabwärts weisenden Konen z. B. des Sitzes (3).

3. Ventil nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Ringkonen mit voneinander abweichender Masse und Schneidenschärfe im gleichen Dichtaggregat angeordnet sind (3, 4, 5, 6).

4. Ventil nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Strömungsrichtung weisenden Dichtschneiden-Konen (3) einen Freiwinkel (7) besitzen, der größer als der Eingriffswinkel (8) ist.

5. Ventil nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidenkonturen der Ringkonen aus einer geometrischen Ebene wellenförmig herausgehoben sind.

6. Ventil nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit besonders scharfer Schneide (14) ausgebildete Ringkonen im geringen Abstand von ihrer hochelastischen Berührungskanten-Zone einen Ringwulst (15) aufweisen.

7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Ringwulst und Ringschneide als separate Teile vorzugsweise aus verschiedenen Materialien (16, 17) ausgebildet sind.