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Regelbare Drossel für Gase und Dämpfe Die Erfindung bezieht sich
auf eine regelbare Drossel oder auf einen Einsatz für regelbare Drosseln für Gase
und Dämpfe.
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Es sind für die Entspannung von Gasen und Dämpfen Ventile bekannt,
in denen ein Stapelscheibensystem eingebaut ist0 Ein verschieblicher Regelkolben
ist von einem Stapel tellerförmiger Platten umgeben, an denen konzentrische Ringe
axial vorstehen, die unter Freilassung von labyrinthförmigen Durchlässen sich gegenseitig
übergreifen. Durch diese Anordnung eines tesonders ausgebildeten Stapelscheibenpaketes
soll eine stufenweise Druckreduzierung im unterkritischen Bereich erreicht werden0
Die
Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, derartige bekannte Dampf zustandswandler
dahingehend zu verbessern, daß bei einfaw cher und widerstandsfähiger Konstruktion
und leichter Austauschbarkeit sowie geringem Bauvolumen eine optimale Druck-Reduzierung
von Gasen und Dämpfen erreicht wird, bei weitgehender Vermeidung von Geräuschentwicklung0
In Modellversuchen mit veränderlichen Formen, Differenzdrücken, Querschnitten, ähnlich
den Verhältnissen bei Regelarmaturen im schallnahen und Überschallbereich und bei
gleichzeitiger schlieren-optischer Darstellung, wurde gefunden, daß bereits bei
weit unterkritischen Betriebsverhältnissen ein Druckverhältnis P2 / p1 # 0,8 erreicht
wird, doh. also, es treten Geschwindigkeiten bei Gasen auf, die mehr als 1/3 Schallgeschwindigkeit
erreichen und damit sprunghafte Veränderungen der Strömungsausbildung ergeben, wie
eine Erhöhung der Durchflußwiderstände, eine Ablösung der Strömung von der Wand
und eine Ausbildung diffusorähnlichen Frei strahlen, in deren Kern periodische Verdichtungsstöße
auftreten, Auf grund dieser Modellversuche wurde erkannt, daß bei einer Drosselung
Strömungsgeschwindigkeiten von über 1/3 Schallgeschwindigkeit, also Druckverhältnisstin
der engsten Stelle von b 0,8 vermieden werden müssen, in gleicher Weise wie auch
Störungen durch Ausbildung von starker Druckabsenkung und Ausbildung von Frei strahlen.
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Bei einem idealen Drosselvorgang wird ein Durchflußmedium vom Vordruck,
Temperatur, sepz. Volumen p1/t1/v1 bei i - konstant auf p2/t2/v2 entspannt.
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Da aufgrund der Erkenntnisse aus den vorbeschriebenen Versuchen der
sprunghafte Anstieg der Schwingungsanfälligkeit und der Gew räusche etwa bei Geschwindigkeiten
über 1/3 Schallgeschwindig keit beginnt, ist es eine Aufgabenstellung der Erfindung,
bei der Entspannung nach dem i-s Diagramm 4i nicht größer werden zu lassen als einer
Geschwindigkeit entspricht, die kleiner ist als 1/3 der Schallgeschwindigkeit. Auf
grund dieser Aufgabenstellung wird daher im i-s Diagramm die Linie i " konstant
zwischen p1 und P2 in viele Einzelstrecken aufgeteilt, deren einzelne Druckdifferenzen
nicht größer sind als dem gewählten a i entspricht, Für eine Entspannung bzw. kritische
Reduzierung müssen, um diese Aufgabenstellung zu erfüllen, eine große Anzahl von
Einzeldrosseln und Widerstände vorhanden sein, dabei ist jedoch zu beachten, daß
infolge der Veränderung der spezifischen Volumina der freie Durchströmquerschnitt
zunehmend größer werden muß. Weiterhin ist zu beachten, daß die Drosseleinrichtung
auch von Null bis 100% des maximalen Öffnungsquerschnittes regelbar sein muß, wobei
die gleichmäßige Drosselwirkung und die genannten niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten
unterhalb 1/3 Schall geschwindigkeit immer und überall erhalten bleiben müssen.
Aus diesem Grunde müssen die freien Querschnitte ebenfalls regelbar sein bzwo es
müssen nach dem ersten Regeleinsatz die nachf olgenden freien Querschnitte derart
beaufschlagt werden, daß die mittlere Geschwindigkeit niedrig bleibt. Aufgrund der
Aufgabenstellung der Erfindung, bei einer Druckreduzierung nach dem i-s Diagramm
eine größere Anzahl Reduzierstellen möglichst gleicher und kleiner A i zu erreichen,
um an keiner Stelle Geschwindigkeiten größer als 1/3 Schallgeschwindigkeit
zu
erhalten, werden eine größere Anzahl von Drosselstellen hintereinander angeordnet,
und zwar in einer konstruktiven Ausbildung der Stufendrossel, bei der alle Möglichkeiten
ausgenutzt sind, einer Strömung den größtmöglichen Widerstand entgegenzusetzen,
z.B. viele kleine Quersshnitte mit scharfen Kanten, enge Strömungsumlenkungen, Anhäufung
von Ablösestellen, Ausbildung starker Turbulenz, Gegeneinanderlenkung von Teilströmen
u.dgl..
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In besonders wirkungsvoller und wirtschaftlicher Weise wird dies nach
der Erfindung erreicht, indem eine große Anzahl von Drossel stellen in Form von
gegeneinander versetzten Ringspalten in engem Abstand hintereinanderliegend angeordnet
werden0 Unterteilt man das kritische Druckgefälle (z.B. p1 " 220, p2 - 120; P2/P1
" 0,54 für Heißdampf) in zehn Einzeldrosselstellen, so stellt sich nach, dem i-s
Diagramm eine theoretische Geschwindigkeit von etwa 1/3 Schallgeschwindigkeit ein,
bei der mit Sicherheit die Auswirkungen schallnaher Strömung nicht auftreten und
die Gewähr für eine schallarme Reduzierung gegeben ist. Die Auslegung der Drossel
für kritische Reduzierung erfordert, daß sich das sepz.
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Volumen des Durchtrittsmediums infolge der Expansion von p1 auf p2
im letzten Drosselteil gegenüber dem Eintritt verdoppelt, also v2 " 2 x v1; demnach
muß der Austrittsquerschnitt mindestens doppelt so groß sein wie der Eintrittsquerschnitt,
die Querschnittzunahme von Drosselstelle zu Drosselstelle soll dabei zweckmäßig
linear erfolgen, Eine regelbare Drossel für Gase und Dämpfe mit einem von innen
beaufschlagten zentralen Lochzylinder, in dem ein
Regelkolben verschieblich
ist und der von tellerförmigen Platten umgeben ist, an denen konzentrische Ringe
axial vorstehen, die unter Freilassung von labyrinthförmigen Durchlässen sich gegenseitig
übergreifen, zur kritischen Druckreduzierung von Gasen und Dämpfen ist nach der
Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß an den tellerförmigen Platten gegenständig
sägezahnförmige Ringe ausgebildet sind mit den steilen Flächen zum Zentrum gerichtet,
deren Zahnhöhe, Abstand und Teilung derart abgestimmt sind, daß der dazwischenliegende
freie Querschnitt im Verhältnis von etwa 1:2 von innen nach außen zunimmt. Dabei
liegen vorteilhaft die einander gegenüberliegenden Zähne auf gleichen konzentrischen
Zylinderflächen. Bei gegenständiger Anordnung der sägezahnförmigen Ausbildung können
die gegeneinanderliegenden Zähne auch gegeneinander versetzt sein und auf Kreisen
verschiedenen Durchmessers liegen. Zweckmäßig sind dabei die Durchmesser um gleiche
Einheiten zunehmend. Die Rücken der Zähne sind vorteilhaft konkav eingewölbt.
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Eine regelbare Drossel für mindestens kritische Reduzierung ist nach
der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Abmessungsverhältnis der Mantelfläche
des Zentrallochzylinders zum Gesamtbohrungsquerschnitt etwa 100 : 25 ist, sinngemäß
dazu die Summe der Querschnitte der inneren Plattenringspalte nicht größer als 1/4
der Bohrungsquerschnitte der inneren Mantelfläche ist, eine Ringspalthöhe innen
nicht größer als 1/4 der Plattenhöhe ist, die Platten beiderseits mit etwa 10 sägezahnartigen
Teildrosselstellen versehen sind, und daß die äußeren Ringspaltflächen doppelt so
groß wie die inneren sind.
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Die Abmessung der Drossel und deren Verhältnisse zueinander sollen
den folgenden Bedingungen und Formeln entsprechen: 1. Unterteilung in mindestens
10 Teildrosselstellen n " 10 2. Flächennutzung des inneren Regeldrosselzylinders:
Gesamtbohrungsquerschnitt = 25 = k = 1/4; Fläche des Zylindermantels loo 3. Gesamtregelhub
H = z x Scheibenhöhe 4. Scheibenhöhe H5 n 4 x Ringspalthöhe HR ; bedingt durch (2)
5. Ringspalthöhe innen und außen konstant " HR 6. Querschnitt des inneren Teildrosseldurchmessers
" Summe aller inneren Ringspalt querschnitte D12# = D1 # HR # # # z 4 Z I Anzahl
der Scheiben.
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7. Summe aller äußeren Ringspaltquerschnitte " 2 mal Summe aller
inneren Ringspaltquerschnitte D2 # HR # # # z = 2 # D1 # HR # # # daraus folgt:
8.D2 » 2 o D1 ; (bei HR = konst.) D1 9. Teildrosselabstand a = ; (bei 10 Teildrosselstellen)
20 D1 10. Die Ringspalthöhe HR = ; d.h. die gleichbleibende Ring-4- z spalthöhe
ist vom Durchmesser und der Anzahl der Scheiben abhängig0 Wählt man nun zum Zwecke
der Vereinheitlichung der Strömungsverhältnisse 11. die Ringspalthöhe " a/2 " D1
so ist die oben beschriebene, geräuscharme Drossel eindeutig bestimmt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels mit
Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 einen
axialen Gesamtquerschnitt durch eine regelbare Drossel oder ein Drosselpaket, Fig.
2 axialen Querschnitt eines Teilabschnittes, Fig. 3 axialen querschnitt eines Teilabschnittes
nach einer anderen Ausführungsform, Fig. 4 Außenansicht eines Teilabschnittes, Fig.
5 Teildraufsicht auf eine einzelne Platte, Fig. 6 Schemazeichnung0 Zwei Gehäuseteile
1 und 2 sind mit einer zentralen Bohrung-3 versehen. Diese Bohrung hat in dem oberen
Gehäuseteil 1 einen etwas größeren Durchmesser und nimmt einen Regelkolben 4 auf,
der in Richtung der eingezeichneten Pfeile verstellbar ist. An ihrer Oberkante ist
die Bohrung 3 im unteren Teil 2 mit einem Ventilsitz 5 für die untere Regelkante
6 des Regelkolbens 4 versehen.
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Zwischen beiden Gehäuseteilen 1 und 2 ist ein innerer Lochzylinder
7 angeordnet, der den gleichen Innendurchmesser hat wie die Bohrung 3 im oberen
Gehäuseteil 1. Der Regelkolben 4 kann also durch diesen Lochzylinder 7 hindurchgeführt,
bis zu dem Ventilsitz 5 bewegt werden. Dabei deckt der Regelkolben 4 nach und nach
sämtliche Löcher 8 in dem Lochzylinder 7 mit seiner Steuerkante 9 ab.
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Die beiden Gehäuseteile 1 und 2 sind an den einander zugewandten Flächen
parallel zueinander ausgebildet. Zwischen diesen Flächen und unmittelbar außerhalb
des Lochzylinders 7 ist ein Paket von tellerförmigen Platten 1o angeordnet, das
an seiner Außenseite von einem weiteren Lochzylinder 11 umgeben und gehalten ist.
Dieser Lochzylinder 11 ist bei größerem Durchmesser im wesentlichen in gleicher
Weise ausgebildet und mit Löchern versehen, wie der Lochzylinder 7.
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Die einzelnen, tellerförmigen Platten sind entsprechend der Draufsicht
in der Figo 5 und auch entsprechend der Ansicht von der Außenkante her entsprechend
der Fig. 4 mit radial verlaufenden Abstandsleisten 12 versehen. Weiterhin weisen
die tellerförmigen Platten lo auf ihren beiden Außenseiten eine Anzahl von ausgeprägten
konzentrischen Ringen 13 auf, die im radialen Querschnitt entsprechend der Fig.
2 eine sägezahnförmige Gestalt haben, wobei die steilen Flächen 14 zum Zentrum hin
gerichtet sind, und die schrägen Flanken 15 vorteilhaft konkav eingewölbt sind.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 2 und 6 sind in dem Paket
gleichförmige, tellerförmige Platten angeordnet, so daß jeweils die Spitzen der
im Querschnitt sägezahnförmigen Ringe einander unmittelbar gegenüberliegen. Bei
dem Ausführungsbei~ spiel nach der Fig. 3 sind zwei verschiedene Ausführungsformen
von tellerförmigen Platten lo wechselweise übereinandergestapelt.
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Die sägezahnförmigen Ringe an diesen Platten sind jeweils gegeneinander
um halbe Zahnbreite versetzt.
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Im Stapel werden die einzelnen tellerförmigen Platten 1o durch die
Abstandsleisten 12 derart im Abstand voneinander gehalten, daß zwischen den zahnförmigen
Ringen 13 ein Ringspalt 16 freibleibt.
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Erfindungsgemäß bleiben dieHöhe der zahnförmigen Ringe 13, der Abstand
der Teildrosselstellen a, die Plattenstärke II und der Ringspalt HR konstant und
in ihrer Dimensionierung vom Durchmesser D1 abhängig, wodurch erreicht wird, daß
der Querschnitt des Ringspaltes von innen nach außen bei der vorgesehenen Unterteilung
in lo Teildrosselstellen gleichmäßig auf das Doppelte erweitert wird.
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Anhand der schematischen Darstellung der Fig. 6 wird erläutert, wie
die Abmessungen und ihre Verhältnisse zueinander bei der vorbeschriebenen Drossel
ausgebildet sind. Es ist davon ausgegangen, daß das kritische Druckgefälle in mindestens
lo Einzel~ drosselstellen unterteilt ist, damit bei jeder Einzeldrossel~ stelle
auch bei strömungstechnisch ungünstiger Formgebung die Geschwindigkeit nicht über
1/3 der Schallgeschwindigkeit ansteigt, Der innere Lochdrosselzylinder stellt die
erste Deildrosselstelle dar und übernimmt aufgrund der Anordnung seiner Bohrungen
die Einhaltung der Regelcharakteristik. Der äußere Lochdrosselzylinder stellt die
äußerste Teildrosselstelle dar und hat auf der Mantelfläche den doppelten freien
Durchtrittsquerschnitt im Vergleich zum inneren Lochdrosselzylinder.
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Alle Abmessungen, sowohl der Lochdrosselzylinder als auch der
dazwischen
angeordneten Scheiben sind so gewählt, daß an keinem Strömungsquerschnitt die Geschwindigkeit
größer als 1/3 Schallgeschwindigkeit werden kann und daß die Strömungsquerschnitte
von innen nach außen derart gleichmäßig zunehmen, daß diese der Zunahme der spezifischen
Volumina bei der Entspannung entsprechen.
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Diese Forderungen werden durch nachstehende Formeln und Festlegungen
erfüllt: Dabei gelten nachstehende Bezeichnungen: D " Durchmesser des Regelkolbens
H - Regelhub bzw. Höhe des inneren Lochdrosselzylinders D1= Außendurchmesser des
inneren Lochdrosselzylinders d X Drosselbohrungsdurchmesser der Lochzylinder (Bohrungen
auf einer Schraubenlinie mit günstiger Flächennutzung auf dem Mantelumfang angeordnet.)
k = Flächennutzungsgrad der Lochzylinder; Gesamtbohrungsquerschnitt = k = 0,25 Fläche
des Zylindermantels a X Abstand der Teildrosselstellen voneinander n " Anzahl der
Teildrosselstellen von innen nach außen z - Anzahl der Scheiben pro Hub D2 Außendurchmesser
der Scheiben bzw. Innendurchmesser des äußeren Lochdrosselzylinders Hsw Höhe der
einzelnen Scheibe ( z x H5 - H ) H51 - Mindeststärke der Scheiben zwischen den Sägezahnrillen
HR= Mindestspalt zwischen den Sägezahnspitzen, also Höhe der von innen nach außen
konstanten Ringspalten.
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Festlegungen: 1. Flächennutzung der Lochdrosselzylinder innen und
außen k k S o,25 2. Gesamtregelhub = H = z x HS = D1 D1 3. Scheibenhöhe HS = 10
4. Kleinstmaß der Scheibenstärke HS = HS/4 = D1 / 40 5. Abstand der Teildrosselstellen
a a D1/20 6. Anzahl der Teildrosselstellen n = 10 7. Anzahl der Scheiben z - 10
8. Ring - spalthöhe HR = konst = D1/4 x z = D1 / 40 9. Sitzdurchmesserquerschnitt
I Summe aller Einzelbohrungsquerschnitte des inneren Lochdrosselzylinders.
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10. Summe aller inneren Ringspaltquerschnitte 1 Summe aller äußeren
Ringspaltquerschnitte 2 Für ein gewähltes Beispiel D1 " 100 mm ergeben sich dann
nachstehende Abmessungen: D1 D2 H HS HR HS1 n a z loo 200 100 10 2,5 2,5 10 5 lo
Bei diesen auf den Durchmesser bezogenen Abmessungen ist die Gewähr für ähnliches
Strömungsverhalten bei allen gebräuchlichen Abmessungen und damit auch Vergleichbarkeit
der erwünschten Drosselarbeit gegeben Bei einer Anderung von k, H usw. ist jedoch
zu beachten, daß sich bei anderer Wahl von a bei konst.HR die Anzahl der Teildrosselstellen
bzw. bei konstanten die Ringe.
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spalthöhen entsprechend ändern,