DE2509376A1

DE2509376A1 - Stroemungsmittel-steuervorrichtung

Info

Publication number: DE2509376A1
Application number: DE19752509376
Authority: DE
Inventors: Matthew Leon Kluczynski
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1974-03-04
Filing date: 1975-03-04
Publication date: 1975-09-11
Also published as: FR2263406A1; US3941350A; JPS50121829A; DE2509376B2; GB1488607A; DE2509376C3; CA1024037A; FR2263406B1

Description

Strömungsmitt'el-Steuervorrichtung

Die Erfindung bezieht sioh auf eine Strömungsmittel-Steuervorrichtung mit einem Geräuschdämpfer zur Unterdrückung der durch die Strömung erzeugten Geräusche.

Häufig ist es erforderlich, den Mengenstrom und den Druck in einer Strömung zu regulieren, ohne daß Geräusche und Vibrationen auftreten. Die Änderung oder Einstellung des Mengenstroms in einem bestimmten Bereich sowie die Verringerung des Strömungsmitteläruoks werden im allgemeinen als "Drosseln" bezeichnet, und die hierfür geeigneten Einrichtungen als "Drosselventile", im Gegensatz zu Vorrichtungen, dt· eine zweistufige Arbeitsweise haben und einen Strömungspfad öffnen oder sohlieflen. Soweit derartige Ein-Aus-Ventile jedooh nioht rereögerungsfrei geöffnet und geschlossen werden, so daß während der

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Schließ- oder Öffnungszeiten Drosselgeräusche und -vibrationen entstehen können, fallen derartige Abschaltorgane im Rahmen der Erfindung ebenfalls unter den Begriff "Drosseleinrichtung" .

Die Entstehung vor: Geräuschen, Vibrationen und Kavitation an Drosselorganen ist eine Nebenwirkung des Venturi-Effekts beim Durchströmen der Drosselöffnung. Wenn die Öffnung in ihrem Querschnitt, verringert oder gedrosselt wird, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit zu und"die Druckenergie ab. Infolge der Energiedifferenz tritt im Anschluß an die Drosselstelle Turbulenz auf, die in akustische Energie in Form von durch das Strömungsmittel übertragenen Geräuschen und in Schwingungen in den angrenzenden Bautei len zum Teil im Bereich hörbarer Frequenzen umgewandelt wird. Bei Flüssigkeiten kommt es in ExtremfällLen aufgrund der Turbulenz zu örtlichen Druokverringerungen abströmseitig der Drosselstelle, die so stark sind, daß Dampfräume oder -taschen entstehen. Der in diesen Taschen vorhandene Dampf wird in Flüssigkeit zurückgebildet, wenn die Dampfblaae unter dem Druck des angrenzenden Mediums zusammen gepreßt wird* Dieses Phänomen wird Kavitation genannt und Terursmoht eine Geräusohbildung und gelegentlich eine Erosion an den angrenzenden Oberflächen des Absperr- oder Proseelorgane·

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Es sind eine Reihe von Maßnahmen zur Beseitigung der Geräusch.»-, Vibrations- und ggf. Kavitationsbildung im Zusammenhang mit Ventilen in Hochdruckanlagen bekannt, zumeist in Form von Strömungsteilern, die die Strömung auf verschiedenartigste Weise in fein verteilte Einzelströme aufteilen. Gemäß einem dieser Vorschläge ist ein Stapel von Scheiben vorgesehen, in die an einander angrenzenden Oberflächen gewundene Kanäle eingeätzt sind, die eine Vielzahl vereinzelter Strömungspfade mit zahlreichen Windungen bilden, wodurch die Strömung durch den Scheibenstapel unter dem Einfluß der Reibungskräfte gehemmt wird. Hierdurch wird zwar eine gute Geräuschdämpfung erreicht, da diese Vorrichtung jedoch im wesentlichen mit Reibungsverlusten arbeitet, ist ihr Betriebsverhalten stark von den durch TemperaturSchwankungen hervorgerufenen Viskositätsänderungen abhängig.

Erfindungsgemäß soll eine Strömungsmittel-Steuervorrichtung geschaffen werden, bei der in sicherer Weise eine beträchtliche Verringerung der Geräusch- wie auch Kavitationsbildung erreicht wird.

Zu diesem Zweck schafft die Erfindung eine Strömungsmittel-Steuervorrichtung, bei der zur Unterdrückung der durch die Strömung erzeugten Geräusche ein Geräuschdämpfer mit einem festen Lamellenstapel vorgesehen ist, von denen einige von Kanälen durchsetzt sind, wobei aufeinanderfolgende, von

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Kanälen durchsetzte Lamellen gemeinsam den durchfließenden Strömungsmittelstrom in eine Vielzahl von Einzelströmen aufteilen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß durch jeden Kanal eine Reihe im wesentlichen zylindrischer Kammern und im wesentlichen radial verlaufender, die zylindrischen Kammern Jeweils tangential schneidender Durchlässe gebildet ist und die in den zylindrischen Kammern erzeugten Wirbel·trÖmungen jeweils eine Strömungsrichtungsumkehr abströmseitig jeder zylindrischen Kammer aufweisen.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben eioh aus den übrigen Aneprtiohen und der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigt:

Tig, 1 einen Schnitt einer erfindungsgemäß

ausgebildeten SteuervorrichtungJ

Fig. 2 die Aufsicht einer ersten Gruppe von

geräueohdämpfenden Lamellen mit einem Muster von länglichen Durchbrachen nur Aufteilung der Strömung in Wirbeletromstellen;

Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht der

Lamellen gemäß Fig. 2{

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IfIII 1 t I ■ ·

It * «1 ·■ I I <

Pig. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4

der Pig. 3 unter Anfügung von undurchbroohenen Lamellensoheibenj

Mg. 5 die Aufsicht einer Lamelle einer

zweiten Gruppe von geräusohdämpfenden Elementen mit einem Muster von die Lamelle durchsetzenden Drosselstellen }

Pig. 6 eine vergrößerte Aufiißit eines Ia-

mellenstapels einsohl, der in Pig, gezeigten Drossseistellenscheib« "bei Anordnung zwischen zwei Lamellensoheiben gemäß Pig. 2} *

Pig. 7 einen Schnitt längs der Lini· 7-7

Pig. 6 unter Anfügung von undurohtrochenen Lamellenschei"benj

Pig. 8 eine vergrößerte sohematisoli·

stellung einer einaelnen Öeräusondämpfungsstelle geaäfi den Pign« 3 und

4» und

Pig. 9 eine vergrößerte 3cfe«atiiohe Dejratellung einer einzelnen GexäuaohdäJipfungsstelle gemäß den Iign* β im* 7·

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ORIGINAL INSPECTED \

Fig. 1 zeigt ein Auslaßventil 10 für einen G-egendruckregler mit einem Einlaß 12 und einem Auslaß 14. Ein Ventilteller 16 wird durch eine zwischen Federhaltern 22 und 24 angeordnete Feder 20 an einen Ventilsitz 18 gedrückt und weist mehrere öffnungen 16a auf, welche einen Strömungsmittelstrom in den hohlen Innenraum des Ventiltellers 16 von einer stromabwärts des Ventilsitzes 18 gelegenen Kammer 26 ermöglichen. Wenn der Ventilteller 16 nach oben verstellt wird,'werden weitere,in seiner Seitenwand ausgebildete öffnungen 16b in zunehmendem Maße mit mehreren Gruppen von geräuschdämpfenden Elementen 28, 3O₅ 32 und 34 zur Ausrichtung gebracht. Jede Gruppe besteht aus einem Stapel von ringförmigen Soheiben, die derart zueinander angeordnet Bind, daß eine Vielzahl von feinverteilten Strömungspfaden gebildet wird, die einen Strömungsmittelstrom längs der Scheiben radial von innen nach außen ermöglichen. Die Anordnung und das Strömungsmuster der Scheiben werden weiter unten im einzelnen beschrieben. Nach dem Durchströmen der Stapel erreicht das Strömungsmittel den Auslaß 14, von wo es normalerweise' zu einer Niederdruckzone, etwa einem Ströiriungaiiittelspeicher oder dem Einlaß einer Pumpe, gelangt·

YaLXe das Ventil 10 den Strömungsmitteldruck zunächst auf TeiWUtnismäßig hohen Wert hält und dann plötzlich

Öittl unter beträchtlicher Druckverringerung

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ORIGINAL INSPECTED

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abläßt, besteht die Gefahr, daß mit der Verstellung des Ventiltellers 16 eine laute Geräuschbildung und möglicherweise Kavitation einhergeht. Bei dem gezeigten Ventil wird jedoch der entstehende Strömungsmittelstrom in zahlreiche kleine, parallel verlaufende Strömungspfade aufgeteilt, die jeweils mehrere,einen Druckabfall erzeugende Stellen aufweisen, an deren jeder nur ein begrenzter Differenzdruck vorhanden ist, so daß die G-eräuschbildung an jeder einen Druckabfall erzeugenden Stelle extrem gering ist. Gleichseitig wird durch die Steuerung des Druckgefälles eine Kavitation und die damit gewöhnlich verbundene Beschädigung der Ventilteile vermieden.

Die Ausbildung der lamellenscheiben ist im einzelnen in den Pign. 2 bis 9 gezeigt. Pig. 2 zeigt die Aufsicht einer Scheibe 36 zur Erzeugung einer besonderen Wirbelstromcharakteristik. Jede Scheibe 36 enthält mehrere radial gerichtete Durchbrüche 38, die derart geformt sind, daß einer radialen Strömung ein Wirbelstrommuster aufgeprägt wird. Das Strömungsmuster an einem Stapel von Scheiben 36 ist am deutlichsten anhand der Fign. 3 und 4 verständlich. Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt zweier Scheiben 36, die übereinander liegen und von denen die obere Scheibe 36 gegenüber der unteren Scheibe 36· derart angeordnet ist, daß sie zahlreiche radial von innen nach außen verlaufende Strömungspfade begrenzen. Jedes Scheibenpaar 36, 36¹ ist zwischen rwei undurchbrochent Scheiben 40 einge-

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preßt, wie dies in Pig. 4 im Schnitt gezeigt ist. Da der Querschnitt der Durchbrüche 38 radial von innen nach außen zunimmt, dient die gezeigte Anordnung in erster Linie zur Steuerung eines G-asstroms mit einem bei Druckverringerung expandierenden Volumen. Hochdruckmittel gelangt in einen Durchlaß 42 auf der Innenseite der Scheibe und wird nach Art eines Wirbelstrommusters tangential gegen die Seitenwand einer zylindrischen Kammer gelenkt, von wo es an eine in Axialrichtung anschließende, ähnliche zylindrische Kammer strömt, die durch einen Durchbruch in der Scheibe 36^! gebildet wird. Hier wird das Strömungsmittel erneut in Radialrichtung in einen Durchlaß 44 und von dort zur nächsten zylindrischen Kammer geleitet, wo die Strömung wiederum zu einer Wirbelströmung umgeformt wird, die jedoch eine gegenüber der vorhergehenden Wirbelströmung entgegengesetzte Strömungsrichtung aufweist. Infolge dieser wiederholten Wirbelstrombildung unter jeweiliger Änderung der Strömungsrichtung wird an jeder einen Druckabfall erzeugenden Stelle ein meßbares und kontrollierbares Druckgefälle in der Strömung erreicht, und zwar in einem Ausmaß, bei dem keine merkliche Geräuschbildung auftritt.

Das besondere Strömungsbild der Anordnung gemäß den Pign. 3 und 4 ist in beträchtlich größerem Maßstab in Fig. 8 gezeigt. Die Strömung zum Einlaß 36 geringen Durchflußquerschnitts wird tangential in eine zylindrische Kammer 36b, 36'b gelenkt, wo ihr ein Wirbelstrommuster aufgeprägt

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wird. Bei Annäherung an der Auslaß 36'a wird der Strömung in der gezeigten Weise eine Richtungsänderung aufgezwungen, bevor sie zu der nächsten, einen Druckabfall erzeugenden Stelle gelangt, wo das Strömungsbild im wesentlichen das gleiche ist, die Wirbelströmung jedoch die entgegengesetzte Strönnngsrichtung hat. Jede Drosselstufe hat ein etwas c-rriepree Volumen, um die Volumenvergrößerung eines Gasstrom bei der Expansion des G-ases in aufeinanderfolgenden Drosselstufen auszugleichen.

Bei dem zweiten Aiisführungsbeispiel gemäß den Fign. 5, 6 und 7 ist das Wirbelstrommuster·durch Anordnung von Drosselöffnungen in einer Drosselplatte 52 (I¹Ig. 5) abgewandelt. Diese Drosselplatte enthält mehrere Drosselstellen 56, die zwischen den Lamellen 36, 36^f angeordnet'und fluchtend zu den Hittelpunkten der zylindrischen Wirbelkammern ausge^ richtet sind. Diese Anordnung ist im einzelnen in den 3?ign. 6 und 7 gezeigt, v/o das Strömungsmittel an einem Durchlaß 54 an der Innenseite der Scheibe 36 einströmt, zu einer Wirbelströmung gebracht wird und dann über eine Drosselstelle 56 in der Drosselplatte 52 in einen entsprechenden, wirbelkammerartigen Abschnitt eines Durchbruchs 58 in der Scheibe 36' gelangt. Von dort fließt das Strömungsmittel längs des radial verlaufenden Abschnitts des Durchbruchs 58 in den nachfolgenden, zylindrischen Wirbelkammerabschnitt. Der Strömungspfad verläuft somit über .einen Durchlaß in eine Wirbelkammer in der Scheibe 36, von dort über

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ein«

36, π

eine Drosselstelle in der Drosselplatte 52. 7-v einem vrivbelkammerartigen Durchbruoh In der Platte 36», ü weitere Drosselstelle zurück zur Lamellenscheibe (siehe Pig. 7). Einzelheiten dieses Strömungspfacles sind ■ aus der stark vergrößerten Darstellung gemäß Fig. 9 ersichtlich, nach der das Strömungsmuster aus einem Einlaß 36a verhältnismäßig kleinen Durchflußquerschnitts besteht, der die Strömung tangential in einen zylindrischer Abschnitt 36b lenkt, -wo ein spiralförmiges Strömungsir.uster erzeugt

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wird und von'die Strömung anschließend durch eine Drosselstelle 56 verhältnismäßig geringen Querschnitts geleitet wird. Nach dem Durchströmen der Drosselstelle 56 gelangt das Strömungsmittel in eine v/eitere zylindrische Kammer 36b, wo sich eine spiralförmige Strömung einzustellen sucht, das Strömungsmittel jedoch eine zwangsweise Richtungsänderung erfährt und über einen Auslaß 36'a mit einem etwas größeren Durchflußquerschnitt als der Einlaß 36a abströmt. Der Strömungsmitteldruck wird daher zum einen wegen des Druckverlusts an der Drosselstelle 56 und zum anderen wegen der kontinuierlichen Richtungsumkehr der Wirbelströmung abströmseitig der Drosselstelle abgewandelt, Bei Versuchen hat sich herausgestellt, daß jeder dieser Einflüsse etwa die Hälfte der Druckänderungen ausmacht, jedoch lassen sich diese Anteile durch unterschiedliche Bemessung der Durchlässe, Kanäle und Drosselstellen verändern.

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Zahlreiche Abwandlungen sind möglich; so kann beispielsweise das Muster der -Durchbräche in den Scheiben ggf. umgekehrt werden, so daß die Strömung von außen nach innen gerichtet ist, obwohl dies unter Berücksichtigung einer Grasexpansion hinsichtlich der Anzahl der Strömungspfade, die sich bei einer betrachteten Scheibengröße unterbringen lassen, weniger günstig ist. Wieviel Lame11engnippen verwendet werden, hängt von der Betriebsanforderungen ab, und die Anzahl der Drosselstufen längs der Lamellenscheiben richtet sich nach der geforderten Geräuschdämpfung. So können beispielsweise in einem bestimmten Anwendungsfall mit einem sehr niedrigen Geräuschpegel nicht weniger als fünf oder sechs Reihen von längs der Scheiben miteinander verbundenen Durchbrüchen erforderlich sein, während in einem Einbaufall mit Kavitationsschutz und einer geringeren Geräuschdämpfung Scheiben mit lediglich zwei oder drei Durchbruchreihen (Drosselstufen) ausreichend sein können. Bei den obigen Ausführungsbeispielen besteht jede Lamellengruppe zwar aus zwei oder drei durch undurchbrochene Scheiben voneinander getrennten Lamellen, jedoch lassen sich auch voneinander getrennte Strömungspfade erzielen, ohne daß die Lamellengruppen durch undurchbrochene Scheiben voneinander getrennt werden, falls die Durchbruchmuster in Radialrichtung derart eingestellt werden^ daß sie nicht miteinander in Verbindung stehen. Anstelle des dargestellten, einfachen Ausströmventils lassen sich zahlreiche andere Steuerorgane, etwa Schieber oder Hähne, mit der ge-

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raus end amp fend en Lamellenanordnunß: versehen, um ein ruhigeres Betriebsverhalten zu erreichen und den durch Kavitation oedinfften Verschleiß zu verringern oder auszusehalten.

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Claims

Dipl. Ing. H. Hauck IpI. Phys. W. Schmitz Dipl. Phys- W. Schmitz Dipl. Ing- E. Graalfs Dip!· «ng. W. Wehnert Dipl. Phys. w- Carstens 8 München 2 Mozartstr. 23 The Bendix Corporation ExecitLve Offices Bendix Center Southfield,Mich.48075fUSA München, 4. März 1975 Anwaltsakte M-3426 Patentansprüche

1.) Strömungsmittel-Steuervorrichtiing, "bei der zur Unterdrükkung der dnrch die Strömung erzeugten G-eräusche ein G-eräi.isclidämpfer mit einem festen Lamellenstapel vorgesehen i.st, von denen einige von Kanälen durchsetzt Bind, wobei aufeinanderfolgende, von Kanälen durchsetzte Lamellen gemeinsam den durchfließenden Strömungsmittel strom in eine Vielzahl ύοπ Einzelströmen aufteilen, dadurch gekennzeichnet, daß durch jeden Kanal (38, 54, 58) eine Reihe im wesentlichen zylindrischer Kammern (36"b, 36 'b) und im wesentlichen radial verlaufender, die zylindrischen Kammern jeweils tangential schneidender Durchlässe (36a, 36^J-a, 42, 44) gebildet ist und die in den zylindrischen Kammern erzeugten Wirbelströmungen eine Strömungsumkehr abströmseitig jeder zylindrischen Kammer aufweisen.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nebeneinanderliegende, von Kanälen durchsetz-

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te Lamellen (36, 36') an ihren "beiden entgegengesetzt gerichteten, freien Stirnflächen jeweils durch eine undurchbrochene lamelle (4-0) abgedeckt sind nnd die Strömung in eine Vielzahl von serpentinenartigen Strömungspfaden aufgeteilt ist.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einige Lamellen (52) von einem Muster von Drosselöffnungen (56) von wesentlich kleinerem Durchmesser als die zylindrischen Kammern (36b, 36'b) durchsetzt sind und die mit Drosselöffmmgen versehenen Lamellen (52) zwischen den von Kanälen durchsetzten Lamellen (36, 36') tint er koaxialer Ausrichtung der Drosselöffmmgen (56) und zylindrischen Kammern (36b, 36'b) angeordnet sind, .

4ο Steuervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine G-ruppe von drei von Kanälen durchsetzten Lamellen (36, 36', 52) zwischen zwei an den entgegengesetzt gerichteten, freien Stirnflächen der Dreiergruppe anliegende, tindurchbrochene Lamellen (40) eingeschlossen ist und die Strömung durch die Dreiergruppe in eine Vielzahl von serpentinenartigen Strömungspfaden aufgeteilt ist.

5. Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden An-

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Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lamellen (36, 36', 40, 52) als Krei,°,scheiben ausgebildet sind und die Strömung in Radialrichtung der Scheiben von innen nach außen verläuft»

6. Steuervorrichtung nach einein der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die radial verlaufenden !Durchlässe (42, 44, 54, 58) in aufeinanderfolgenden durchbrochenen lamellen (36, 36 *) zueinander versetzt angeordnet sind_c

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