DE2538825A1

DE2538825A1 - Verfahren zur steuerung des durchflusses eines mediums durch ein ventil und ventil zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2538825A1
Application number: DE19752538825
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl Ing Schwarz
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1975-08-14
Filing date: 1975-09-01
Publication date: 1977-02-24
Also published as: GB1556826A; DE7527608U; US4066100A; FR2321081A1; IN145750B; SE7608937L; CH589223A5

Description

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BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Verfahren zur Steuerung des Durchflusses eines Mediums durch ein Ventil und Ventil zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Durchflusses eines Mediums durch ein Ventil in einer Hauptströmung über einen Hauptströmungsweg und oder in einer in Teilströmungen aufgeteilten Bypassströmung über Bypasswege, wobei in einem ersten Ventilhubbereich im wesentlichen nur eine Bypassströmung über Bypasswege strömt, und am Anfang eines zweiten Ventilhubbereiches die Hauptströmung eingeleitet wird. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Ventil zur Durchführung des

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Verfahrens, mit einem Ventilkolben, der in einer Kolbenführung in axialer Richtung eines Ventilgehäuses verschiebbar ist, welch letzteres einen Eintrittsraum, einen Austrittsraum, einen Ventilsitzraum, einen Hauptströmungsweg und in den Ventilsitzraum mündende, durch einen Einlaufkragen führende Bypasswege aufweist.

Als Turbinen-Einlassventile werden üblicherweise Einsitz-Dampfventile verwendet. Es wurde schon vorgeschlagen, derartige Ventile so auszuführen, dass sie im Bereich

kleiner Hübe als Schieber arbeiten (siehe CH-PS ;

Anmeldung No. 54/75). Zur Oeffnung des Ventils wird der Ventilkolben von seinem Sitz abgehoben und in einem zylindrischen Ventilsitzraum in axialer Richtung nach oben bewegt. Der Ventilsitzraum befindet sich im Inneren eines Einlaufkragens, welcher mit als Bypasswege bezeichneten radialen Bohrungen, Kanälen oder Schlitzen ausgestattet ist. Bei Oeffnung des Ventils werden Gruppen von Bypasskanälen nacheinander freigegeben und eine allmählich anwachsende Bypassströmung eingeleitet, die in einem ersten Ventilhubbereich, während welchem sich der Ventilkolben im Ventilsitzraum befindet, als einzige Strömung vorhanden ist. Diese Konstruktion ermöglicht einen grossen Anfangshub und damit eine allmähliche Steigerung des

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Durchflusses, sowie eine Unterteilung des in den dem Ventilhals nachgeschalteten Dissipationsraum strömenden DampfStrahles.

Bei zunehmendem Hub tritt der Ventilkolben aus dem Ventilsitzraum heraus, öffnet zwischen dem Ventilkolben und dem Einlaufkragen einen Hauptströmungsweg und leitet damit eine Hauptströmung durch den Ventilsitzraum ein. Damit kommt der Kolben in seinen zweiten Ventilhubbereich. In diesem wächst die Hauptströmung mit fortschreitendem Hub an, wogegen sich die Bypassströmung allmählich zurückbildet, da im Ventilsitzraum ein höherer Gegendruck aufgebaut wird. Obwohl die Bypassströmung dadurch reduziert wird, bleibt diese bei voll offenem Ventil aktiv und stört damit die Hauptströmung, da bei der Vereinigung des Bypassstroms mit dem Hauptstrom der Bypassstrom quer zum Hauptstrom fliesst. Daraus folgt ein hoher Druckverlust des voll offenen Ventils, was als wesentlicher Nachteil des bekannten Ventils zu betrachten ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorerwähnten Nachteile zu vermeiden und ein Steuerverfahren und ein Ventil zu dessen Durchführung zu schaffen, bei welchem die Hauptströmung vom störenden Einfluss der Bypassströmung dadurch befreit wird, dass die Bypassströmung zum Stillstand gebracht wird.

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Das erfindungsgemässe Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Ventilhubbereich bei zunehmender Hauptströmung der Druck bei den Eintritten der Bypasswege gesenkt und der Druck bei den Austritten derselben mindestens annähernd auf den gesenkten Druck der Eintritte aufgestaut wird, wodurch bis zum Ende des zweiten Ventilhubbereiches die Bypassströmung mindestens annähernd zum Stillstand gebracht wird und im wesentlichen nur noch die Hauptströmung aktiv bleibt.

Ein Ventil zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsabschnitte der Bypasswege in einem rotationssymmetrischen Abschnitt des Hauptströmungsweges münden, welcher als Erzeugende die Begrenzungslinien des Einlaufkragens und der Kolbenführung, die kürzeste Verbindungslinie zwischen den genannten Begrenzungslinien und die Verlängerung der Ventilsitzraum-Mantellinie aufweist.

Mit der neuen Anordnung der Bypasswege werden ihre Eintrittsöffnungen an solche Stellen des Ventils gelegt, wo am Ende des zweiten Ventilhubbereiches, der den voll offenen Ventilhub umfassen kann, der gleiche Druck herrscht wie an den stromabwärts gelegenen Austrittsöffnungen. Bei voll offenem Ventil stagniert also die Bypassströmung,

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wogegen bei kleinem Ventilhub die Bypasskanäle mit hoher Geschwindigkeit durchströmt werden. Mit zunehmendem Ventilhub lässt sich der Bypassstrom in einfacher Weise von null bis auf einen Grösstwert von vom Grösstwert zurück auf null steuern, während der Hauptstrom bis zum vollen Durchfluss zunimmt. Das Ventil besitzt grössere Schluckfähigkeit und entsprechend sind kleinere Verluste, kleinere Abmessungen, kleinere Kräfte im Ventil und kleinere Herstellungskosten erreichbar.

Bei einer Ausführungsform des Ventils werden die Bypasskanäle am Ende des zweiten Ventilhubbereiches geschlossen. Dies wird mittels im Kolben vorgesehener Aussparungen bewerkstelligt, die als Eintrittsabschnitte für die Bypasswege ausgebildet sind und am Ende des zweiten Ventilhubbereiches in der Kolbenführung abgedeckt werden. Durch zweckmässige Anordnung dieser Aussparungen kann der genaue Schliesspunkt der Bypassströmung im Einzelfall im Hinblick auf die jeweiligen Erfordernisse gewählt werden.

Bei einer anderen Ausführungsform werden die Bypasswege nicht geschlossen. Durch zweckmässige Anordnung der Bypassweg-Eintrittsöffnungen wird die Bypassströmung während des zweiten Ventilhubbereiches bis zur Stagnation reduziert oder darüber hinaus zu einer geringen Rück-

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strömung vom Ventilsitzraum in Richtung der Eintrittsöffnungen veranlasst.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Einsitz-Dampfventil mit in den Ventilsitzraum führenden Bypasswegenj

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein Einsitz-Dampfventil, wobei der Einlaufkragen gekrümmte Bypasskanäle aufweist;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Einsitz-Dampfventil, wobei der Einlaufkragen einen Bypass-Eintrittskanal und eine Vielzahl von radialen Bypasskanälen aufweist.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Kolben ist in der rechten Hälfte jeder Figur am Anfang seines Hubes und in der linken Hälfte derselben in nahezu voll geöffnetem Zustand dargestellt.

Nach der Fig. 1 ist der Kolben 1 in der Kolbenführung 2 axial in Richtung des Ventils verschiebbar. Der Rand des untersten Teils des Kolbens ist als Dichtfläche gestaltet

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und liegt bei geschlossenem Ventil auf dem entsprechend ausgebildeten Ventilsitz 17 auf. Oberhalb des Ventilsitzes 17 ist der zylindrische Ventilsitzraum 6 vorgesehen, der von dem rotationssymmetrischen Einlaufkragen 8 begrenzt ist.

Die bei kleinem Ventilhub aktiven Bypasswege 9, durch Pfeile versinnbildlicht, umfassen die am Umfang des Kolbens 1 vorgesehenen Aussparungen 20, den Verbindungskanal 21, den Ringkanal 18 und die zwischen diesem und dem Ventilsitzraum 6 verlaufenden radialen Bypasskanäle 19. Die Austrittsabschnitte der Bypasskanäle 19 münden in den Ventilsitzraum 6 in axial gestaffelter Anordnung. Bei offenem Ventilhub ist der Ventileintrittsraum 4 mit dem Ventilsitzraum 6 über den durch Pfeile angedeuteten Hauptströmungsweg 7 verbunden.

Im geschlossenen Zustand des Ventils befindet sich der Kolben 1 in der Hubstellung null und ruht am Ventilsitz 17 auf. Bei zunehmendem Hub werden die Bypasskanäle nacheinander freigegeben, so dass Dampf über das Sieb 24 in den Eintrittsraum 4 und von diesem über die Bypasswege 9, d.h. über die Aussparungen 20, die Verbindungskanäle 21, den Ringkanal 18 und die Bypasskanäle 19 in den Ventilsitzraum 6 und weiter in den Austrittsraum strömt, da der Dampfdruck im Ventilsitzraum 6 und im

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Austrittsraum 5 kleiner als der Dampfdruck im Ventileintrittsraum 4 ist. Im ersten Ventilhubbereich, der sich von der Hubstellung null bis zur Oeffnung des Hauptströmungsweges 7 erstreckt, strömt der Dampf im wesentlichen nur Über die Bypasswege 9 in den Ventilsitzraum 6.

Sobald der Kolben den Ventilsitzraum verlässt und damit den Hauptströmungsweg zum Ventilsitzraum öffnet, kommt der Kolben in einen zweiten Ventilhubbereich. Während dieses zweiten Ventilhubbereiches strömt der Dampf über die Bypasswege 9 auch weiter in den Ventilsitzraum, jedoch nimmt diese Dampfmenge bei zunehmendem Ventilhub allmählich ab, da nun die Differenz zwischen den Drücken an den Austrittsöffnungen 16 und den Eintrittsöffnungen 10 der Bypassstromungswege bei zunehmender Hauptströmung allmählich sinkt. Bis zu einer vorbestimmten Hubstellung, die auch als das Ende des zweiten Ventilhubbereiches gilt, sind die Drücke am Austritt und am Eintritt der Bypasswege 9 ausgeglichen, wodurch die Bypassströmung bis zum Stillstand reduziert wird. Zu diesem Zweck sind die Aussparungen 20 im Kolben 1 so angeordnet, dass sie in einem rotationssymmetrischen Abschnitt 11 des Hauptströmungsweges 7 münden, dessen Erzeugende die Begrenzungslinie 12 des Einlaufkragens 8, die Begrenzungslinie 13 der Kolben-

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führung 2, die kürzeste Verbindungslinie 14 zwischen den Begrenzungslinien 12 und 13 und die Verlängerung der Ventilsitzraum-Mantellinie 15 nach oben sind. Dieser Abschnitt 11 des Hauptströmungsweges 7 ist ein Bereich, in welchem bei zunehmender Hauptströmung zufolge Beschleunigung der Strömung der Druck sinkt, so dass der Druck im Ventilsitzraum 6 bis auf diesen Druck aufgestaut werden kann, und damit zwischen den Eintrittsöffnungen 10 und den Austrittsöffnungen 16'der Bypasswege ein Druckausgleich erzielt und die Bypassströmung zum Stillstand gebracht werden kann. Auf diese Weise wird erreicht, dass am Ende des zweiten Ventilhubbereiches im wesentlichen nur die Hauptströmung aktiv bleibt.

Durch zweckmässige Anordnung der Aussparungen 20 können die Bypasswege 9 am Ende des zweiten Ventilhubbereiches oder in dessen Nähe geschlossen werden. Dies kann als zusätzliche Sicherheitsmassnahme getroffen werden, wenn dies zur Beseitigung unerwünschter Nebeneffekte notwendig ist. Durch Wahl der Form, der axialen Stellung und der axialen Höhe der Aussparungen 20 kann der Schliesspunkt der Bypasswege 9 in gewissen Grenzen variiert werden.

Beim Ventil nach Fig. 2 bestehen die Bypasswege 9 aus einer Vielzahl von einzelnen Bypasskanälen 19, deren Ein-

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trittsabschnitte in den schon definierten Abschnitt 11 des Hauptströmungsweges 7 und deren Austrittsabschnitte in den Ventilsitzraum 6 münden. Die Bypasskanäle 19 sind gekrümmt dargestellt, jedoch könnten sie auch geradlinig verlaufen oder aus mehreren geradlinigen und/oder gekrümmten Abschnitten zusammengesetzt sein. Dabei können die Austrittsabschnitte der Bypasskanäle 19 radial oder in einem Winkel zur radialen Richtung in den Ventilsitzraum 6 münden. Ferner ist es möglich, die Bypasskanäle mit variablen Querschnitten auszuführen.

Die Vorgänge im ersten und zweiten Ventilhubbereich verlaufen ähnlich wie beim Ventil nach Fig. 1. Während des zweiten Ventilhubbereiches findet der schon beschriebene Druckausgleich ebenso statt, so dass am Ende dieses Hubbereiches die Bypassströmung zum Stagnieren kommt, obgleich die Bypasswege 9 in diesem Fall nicht mechanisch verschlossen werden können. Die gegebenenfalls auftretenden kleinen Druckunterschiede zwischen den verschiedenen Eintritts- und Austrittsöffnungen haben in den betreffenden Bypasswegen geringe Bypassströmungen zur Folge, die sich unter Umständen vom Ventilsitzraum 6 zurück in Richtung der Eintrittsöffnungen 10 als Rückströmungen ausbilden können, jedoch auf die Hauptströmung keine störende Wirkung ausüben.

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Das Ventil nach Fig. 3 ist demjenigen nach der Fig. 2 im wesentlichen gleich und unterscheidet sich von diesem lediglich durch einen für alle Bypasskanäle 19 gemeinsamen Bypass-Eintrittskanal 23. Dieser ist ein rotationssymmetrischer Kanal, dessen Eintritt ebenfalls in dem früher definierten Abschnitt 11 des Hauptströmungsweges 7 mündet und im Einlaufkragen 8 oder zwischen zwei fest angeordneten Teilen des Einlaufkragens ausgebildet sein kann. Es können ferner mehrere Bypass-Eintrittskanäle vorgesehen sein, von denen jeder eine gewisse Anzahl von Bypasskanälen speist.

Es sind auch andere Ausführungsformen des Ventils denkbar. So kann beispielsweise zur Schliessung der Bypasswege am Ende des zweiten Ventilhubbereiches ein zusätzliches, nur diesem Zweck dienendes Ventil vorgesehen sein. Ferner muss der Druckausgleich, d.h. das Ende des zweiten Ventilhubbereiches nicht unbedingt bei voll offenem Ventil stattfinden. Vielmehr kann die Hauptströmung in einem dritten Ventilhubbereich bei stagnierender Bypassströmung bis zu vollem Durchfluss durch den Ventilhals weiter ansteigen.

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Claims

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Patentansprüche

/ 1. !"Verfahren zur Steuerung des Durchflusses eines Mediums durch ein Ventil in einer Hauptströmung über einen Hauptströmungsweg und/oder in einer in Teilströmungen aufgeteilten Bypassströmung über Bypa3swege, wobei in einem ersten Ventilhubbereich im wesentlichen nur die Bypassströmung über Bypasswege strömt, und am Anfang eines zweiten Ventilhubbereiches die Hauptströmung eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Ventilhubbereich bei zunehmender Hauptströmung der Druck bei den Eintritten der Bypasswege gesenkt und der Druck bei den Austritten derselben mindenstens annähernd auf den gesenkten Druck der Einritte aufgestaut wird, wodurch bis zum Ende des zweiten Ventilhubbereiches die Bypassströmung mindestens annähernd zum Stillstand gebracht wird und im wesentlichen nur noch die Hauptströmung aktiv bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende des zweiten Ventilhubbereiches mindestens einige der Bypasswege geschlossen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im

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zweiten Ventilhubbereich bei zunehmender Hauptströmung der Druck bei den Austritten mindestens einiger der Bypasswege auf einen Wert aufgestaut wird, der etwas höher liegt als der gesenkte Druck bei den Eintritten der Bypasswege, so dass in den betreffenden Bypasswegen in Richtung der Eintritte strömende geringe Rückströmurißen stattfinden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende des zweiten Ventilhubbereiches die Hauptströmung bei mindestens annähernd stagnierender Bypassstrümung mit vollem Durchfluss durch den Ventilhlas strömt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Ventilhubbereich die Hauptströmung bei mindestens annähernd stagnierender Bypassströmung bis zu vollem Durchfluss durch den Ventilhals zunimmt.
6. Ventil zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Ventilkolben, der in einer Kolbenführung in axialer Richtung eines Ventilgehäuses verschiebbar ist, welch letzteres einen Eintrittsraum, einen Austrittsraum, einen Ventilsitzraum, einen Hauptströmungsweg und in den Ventilsitzraum mündende, durch einen Einlaufkragen führende Bypasswege aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintritts-

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abschnitte der Bypasswege (9) in einem rotationssymmetrischen Abschnitt (11) des Hauptströmungsweges (7) münden, welcher als Erzeugende die Begrenzungslinien (12, 13) des Einlaufkrage^ns (8) und der Kolbenführung (2) die kürzeste Verbindungslinie (14) zwischen den genannten Begrenzungslinien (12, 13) und die Verlängerung der Ventilsitzraum-Mantellinie (15) aufweist.
7. Ventil nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch am Umfang des Ventilkolbens (1) vorgesehene, als Eintrittsabschnitte der Bypasswege (9) ausgebildete Aussparungen (20).
8. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einige der Bypasswege(9) bei vorbestimmtem Ventilhub verschlossen sind.
9. Ventil nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch im Einlaufkragen (8) ausgebildete Bypasskanäle (19)» deren Austrittsabschnitte im Ventilsitzraum (6) münden.
10. Ventil nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch in bezug auf einander axial gestaffelt angeordnete Austrittsöffnungen (16).
11. Ventil nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Bypasskanäle (19)

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mit gradlinigen und/oder gekrümmten Abschnitten, wobei die Austrittsabschnitte der Bypasskanäle (19) radial oder in einem Winkel zur radialen Richtung in den Ventilsitzraum (6) münden.
12. Ventil nach Anspruch 9> gekennzeichnet durch BypaoQkanHle (19) mit variablen Querschnitten.
13. Ventil nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch mindestens einen zur Speisung mehrerer Bypasskanäle (19) vorgesehenen Bypasseintrittskanal (23).
14. Ventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass-Eintrittskanal (23) ein im Einlaufkragen (8) ausgebildeter rotationssymmetrischer Kanal ist.
15. Ventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass-Eintrittskanal (23) zwischen zwei fest angeordneten Teilen des Einlaufkragens (8) angeordnet ist. * ~~

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