DE2509376C3 - Strömungsmittelsteuerventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Strömungsmittelsteuerventil nach dem Oberbegriff des Haupte ispruchs.

Die Entstehung von Geräuschen, Vibrationen und Kavitationen an den Drosselstellen von Steuerventilen ist eine Nebenwirkung des Venturi-Effektes. Wenn die Drosselöffnung in ihrem Querschnitt verringert wird, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit zu und die Druckenergie ab. Infolge der Energiedifferenz tritt im Anschluß an die Drosselstelle Turbulenz auf, die in akustische Energie umgewandelt wird. Bei Flüssigkeiten kommt es in Extremfällen aufgrund der Turbulenz zu örtlichen Druckverringerungen abströmseitig der Drosselstelle, die so stark sind, daß Dampfräume entstehen. Der in diesen Räumen vorhandene Dampf wird in Flüssigkeit zurückgebildet, wenn die Dampfblase unter dem Druck des angrenzenden Mediums zusammenge- so preßt wird. Dieses Kavitation genannte Phänomen führt zur Geräuschbildung und zur Erosion an den betroffenen Oberflächen des Steuerventils.

Aus der US-Patentschrift 37 80 767 ist es bekannt, zur Bekämpfung des geschilderten Effektes Strömungsmittelsteuerventile mit einem Geräuschdämpfer zu versehen, der einen festen Lamellenstapel besitzt Durch den Lamellenstapel erstrecken sich Kanäle, welche den insgesamt durchfließenden Strömungsmittelstrom in eine Vielzahl von Einzelströmen aufteilen. Die Kanäle setzen sich aus zylindrischen Kammern und diese Kammern tangential verbindenden Durchlässen zusammen.

Bei diesem bekannten Geräuschdämpfer beruht die Strömungsmitteldrosselung im wesentlichen auf dem Einfluß von Reibungskräften. Hierdurch wird zwar eine gute Geräuschdämpfung erzielt; da jedoch im wesentlichen mit Reibungsverlusten gearbeitet wird, ist das Betriebsverhalten des Geräuscbdämpfers stark von den durch Temperaturschwankungen hervorgerufenen Viskositätsänderungen abhängig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Strömungsmittelsteuerventil der im Hauptanspruch bezeichneten Gattung derart auszubilden, daß Geräusche und Kavitationen zuverlässig und unabhängig von der jeweils herrschenden Temperatur verringert werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs beschriebene Erfindung gelöst; eine vorteilhafte Weiterbildung ist im Anspruch 2 angegeben.

Beim erfindungsgemäß ausgebildeten Geräuschdämpfer werden die einzelnen Druckabfälle im wesentüchen nicht durch Reibungskräfte, sondern durch die Ausgestaltung des Strömungsbildes bestimmt-

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Strömungsmittelsteuerventil;

Fig.2 die Draufsicht auf eine erste Gruppe von geräuschdämpfenden Lamellen mit einem Muster länglicher Durchbrüche zur Aufteilung der Strömung in Wirbelstromstellen;

F i g. 3 eine vergrößerte Teilansicht der Lamellen von Fig. 2;

F i g. 4 einen Schiütt längs der Linie 4-4 der F i g. 3 unter Anfügung von undurchbrochenen Lamellenscheiben;

Fig.5 die Aufsicht einer Lamelle einer zweiten Gruppe von geräuschdämpfenden Elementen mit einem Muäicf von die Lamelle durchseihenden Drosselsiellen;

F i g. 6 eine vergrößerte Aufsicht eines Lamellenstapels einschl. der in F i g. 5 gezeigten Drosselstellenscheibe bei Anordnung zwischen zwei Lamellenscheiben gemäß Fig.2;

Fig.7 einen Schnitt längs der Linie 7-7 der Fig.6 unter Anfügung von undurchbrochenen Lamellenscheiben;

Fig.8 eine vergrößerte scheraatische Darstellung einer einzelnen Geräuschdämpfungsstelle gemäß den Fig. 3 und 4; und

F i g. 9 eine vergrößerte schematische Darstellung einer einzelnen Geräuschdämpfungsstelle gemäß den F i g. 6 und 7.

F i g. 1 zeigt ein Auslaßventil 10 für einen Gegendruckregler 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 Strömuingsmittelstrom 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 166 in zunehmendem Maße mit mehreren Gruppen von geräuschdämpfenden Elementen 28, 30, 32 und 34 zur Ausrichtung gebracht. Jede Gruppe besteht aus einem Stapel von lingförmigen Scheiben, die derart zueinander angeordnet sind, daß eine Vielzahl von fein verteilten Ströffiungspfäden 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 Strömungsminelspeicher oder dem Einlaß einer Pumpe, gelangt

Falls das Ventil 10 den Strömungsmitteldruck zunächst auf einem verhältnismäßig hohen Wert hält und dann plötzlich Strömungsmittel unter beträchtlicher Druckverringerung 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 Geräuschbildung an jeder einen Druckabfall erzeugenden Stelle extrem gering ist Gleichzeitig 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 F i g. 2 bis 9 gezeigt F i g. 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 3S ist am deutlichsten anhand der Fig.3 und 4 verständlich. F i g. i 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, 36' ist zwischen zwei undurchbrochene Scheiben 40 eingepreßt wie dies in Fig.4 im Schnitt gezeigt ist Oi der Querschnitt der Durchbrüche 38 radial von innen nach außen zunimmt, dient die gezeigte Anordnung in erster Linie zur Steuerung eines Gasstroms mit einem bei Druckverringerung expandierenden Volumen. Hochdruckmittel gelangt in einen Durchlaß 42 auf der Innenseite der Scheibe und wird nach Art eiaes 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 *4 und von dort zur näc'sten zylindrischen Kammer geleitet, wo die Strömung wiederum zu einer Wirbelströmung umgeformt wird, die jedoch eine gegenüber der vorhergehenden Wirbelströmung entgegengesetzte Strömungsr^htung 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 einen. Ausmaß, bei dem keine merkliche Geräuschbildung auftritt.

Das besondere Strömungsbild der Anordnung gemäß den F i g. 3 und 4 ist in beträchtlich größerem Maßstab in F i g. 8 gezeigt Die Strömung zum Einlaß 36a geringen Durchflußquerschnitts wird tangential in eine zylindrische Kämmer 366, 3&b gelenkt, wo ihr ein Wirbelstrommuster aufgeprägt wird. Bei Annäherung an den 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 Sti-ömungsbild Sm wesentlichen das gleiche ist, die Wirbelströmung jedoch die entgegengesetzte Strömungsrichtung hat Jede Drosselstufe hat ein etwas größeres Volumen, um die Volumenvergrößerung eines Gar,stroms bei der Expansion des Gases in aufeinanderfolgenden Drosselstufen auszugleichen.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß den Fig.5, 6 und 7 ist das Wirbelstrommuster durch Anordnung von Drosselöffnungen in einer Drosselplatte 52 (F i g. 5) abgewandelt Diese Drosselplatte enthält mehrere Drosselstellen 56, die zwischen den Lamellen 36, 36' angeordnet und fluchtend zu den Mittelpunkten der zylindrischen Wirbelkammern ausgerichtet sind. Diese Anordnung ist im einzelnen in den F i g. 6 und 7 gezeigt, wo 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 -Joirchlaß in eine Wirbelkammer in der Scheibe 36, von Jort über eine Drosselstelle in der Drosselplatte 52 zu einem wirbelkammerartigen Durchbruch in der Platte 36', über eine weitere Drosselstelle zurück zur Lamellenscheibe 36, usw. (siehe Fig. 7). Einzelheiten dieses Strömungspfades sind aus der stark vergrößerten Darstellung gemäß F i g. 9 ersichtlich, nach der das Strömungsmuster aus einem Einlaß 36a verhä'tnismäßig kleinen Durchflußquerschnitts besteht, der die Strömung tangential in einen zylindrischen Abschnitt 366 lenkt wo ein spiralförmiges Strömungsmuster erzeugt wird und von wo die Strömung anschließend durch eine Drosselstelle 56 verhältnismäßig geringen Querschnitts geleitet wird. Nach dem Durchströmen der Drosselstelle 56 gelangt das Strömungsmittel in eine weitere zylindrische Kammer 366, 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 Drosselstellr 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.

Zahlreiche Abwandlungen sind möglich; so kann beispielsweise das Muster der Durchbrüche in d<*n Scheiben ggf. umgekehri werden, so daß die Strömung von uuben nach innen gerichtet ist, obwohl dies unter Berücksichtigung einer Gasexpansion hinsichtlich der Anzahl der Stromungspfade, die sich bei einer betrachteten Scheibengröße unterbringen lassen, weniger günstig ist. Wieviel Lamellengruppen verwendet werden, hängt von den Betriebsanforderungen ab, und die Anzahl der Drosselstufen längs der Lamellenscheiben richtet sieh nach der geforderten Geräuschdämpfung. So können beispielsweise in einem bestimmten Anwendungsfall mit einem sehr niedrigen Geräüschpegel nicht weniger als fünf oder sechs Reihen von längs der Scheiben miteirgnder verbundenen Durchbrüchen erforderlich sein, während in einem Einbaufall mit Kavitationsschutz und einer geringeren Geräusehdämp'

fung Scheiben mit lediglich zwei oder drei Durchbruchreihen (Drossetstufen) 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 Öurchbruchmuster 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 geräuschdämpfenden Lamellenanordnung versehen, um ein ruhigeres Be^ triebsverhalten zu erreichen und den durch Kavitation bedingten Verschleiß zu verringern oder auszuschalten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Strömungsmittelsteuerventil, bei dem 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 Kanälen durchsetzte Lamellen gemeinsam den durchfließenden Strömungsmittelstrom in eine Vielzahl von Einzelströmen aufteilen, und die Kanäle durch im wesentlichen zylindrische Kammern und im wesentlichen radial verlaufende, die zylindrischen Kammern jeweils tangential in axialem Abstand schneidende Durchlässe gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Kanal (38, 54, 58) mehrere zylindrische Kammern (366, 36'b) hintereinander angeordnet und durch die tangential einmündenden Durchlässe (36a, 36'a, 42, 44) derart miteinander verbunden sind, daß die in den zylindrischen Kammern (36£>, 36'6^ erzeugten Wirbelströr^ungen eine Strömungsumkehr abströmseitig jeder zylindrischen Kammer (36i, 36'b) erfahren.

2. Strömungsmittelsteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die zylindrischen Kammern (36ö, 36'b) schneidenden Durchlässe (36a, 36'a, 42, 44) derart wechselweise axial versetzt liegen, daß die einzelnen Strömungspfade in einer die Achse des Lamellenstapels enthaltenden Ebene serpentinenartig verlaufen.