DE2552406B2

DE2552406B2 - Druckbetaetigtes ventil

Info

Publication number: DE2552406B2
Application number: DE19752552406
Authority: DE
Inventors: Siegfried Winterthur Oesterle (Schweiz)
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1975-11-18
Filing date: 1975-11-22
Publication date: 1977-12-01
Also published as: FR2332469A1; CH606878A5; FR2332469B3; DE2552406C3; DE2552406A1; IL50483A0

Description

Die Erfindung betrifft ein druekbetatigtes Ventil, bei dem als Verschlußorgan eine ringförmige, kegelstumpfartige Membran mil zwei stabilen Zuständen, deren Höhe im unbelasteten Zustand ein Vielfaches ihrer Dicke beträgt, bei einer vorgegebenen Druckbe- ' lastung spontan vom einen stabilen Zustand in den anderen übergeht und in diesem auch bei einem Nachlassen der Belastung verharrt.

An das der Erfindung zugrundeliegende Ventil werden folgende Anforderungen gestellt: geringes Gewicht und kleine Abmessungen; große Durchflußmengen, beispielsweise 10' l/h: geringer Druckverlust von beispielsweise etwa 0,K bar nach dem Offnen durch einen vorgegebenen Öffnungsdruck von z. B. 1,5 bar; niedrige Leckrate, d. h. die durch das Ventil in geschlossenem Zustand bei einer vorgegebenen einseitigen Druckbelastung, beispielsweise bei einer Belastungdes geschlossenen Ventils mit 45 % des ÖffiHingsdruckes, in der Zeiteinheit leckende Strön\ungsmiUehnenge soll nicht mehr als ungefähr 10 ' l/h betragen; schnelles Ansprechen - beispielsweise innerhalb von Millisekunden und hohe Betriebssicherheit, was bedeutet, daß das Ventil auch bei jahrelangem Nichtgebrauch zuverlässig funktionstüchtig sein soll, falls sein Einsatz gefordert wird.

Es findet beispielsweise als Sicherheitsventil in Treibstoffkreisläufen von Flugzeugtriebwerken Anwendung, wobei es die Aufgabe hat, bei Verstopfungen der Filter und einem dadurch bedingten Druckanstieg auf einer Seite bei einem vorgegebenen Druck einen die Filter umgehenden Strömungsweg für den von den Triebwerken benötigten Treibstoff zu öffnen; dabei sollen die Leekrate unterhalb des Öffnungs-,Iruckes und nach dem Öffnen der Durchflußwiderstand oder der dadurch verursachte Druckabfall an dem Ventil möglichst gering scm. Das Ventil kann iedoch auch in anderen hydraulischen oder pneumatischen Systemen angewendet werden

Aus der US-PS 2 SW4 Hi ist ein druekbetatigtes Ventil bekannt, bei dem eine Membran mit zwei stabilen Zuständen als Verschlußorgan für einen Strömungsweg dient. Beider dortigen Konstruktion ist die Membran längs ihres Innendurchmessers von einem Verschlußkörper gehalten, durch den wahlweise und alternierend zwei verschiedene Strömungswege verschlossen bzw. freigegeben werden; die ohne jede Vorspannung in einer Vertiefung des Verschlußkorners liegende Membran hat dabe. die Aufgabe, als den einen Strömungsweg jeweils provisorisch verschließendes Vorsteuerorgan das Alternieren des Öffnens und Schließe.« der Strömungswege sicherzustellen Von den eingangs genannten Forderungen an das erfindungsgemäße Ventil wird unabhängig davon, ob die anderen Bedingungen hinreichend erfüllt werden können, diejenige der schnellen Ansprechzeit mit Sicherheit nicht gewährleistet; denn bei dieser bekannten Konstruktion sind für ein Umklappen der Membran relativ große Massen längs relativ langer Wf(Ti- /u verschieben.

Weiterhin wird in dem DT-GM 7 W) 187 eine Membran mit zwei stabilen Zuständen aus Ihermo-Himet-ill als Verstellantrieb für ein thermostatisches , Ventiiverwendet, der über eine Ventilspindel mit dem eigentlichen Verschlußkörper verbunden ist. Es handelt sich bei dieser Konstruktion weder um ein druckbetätigtes Ventil, noch dient die Membran, die zur einstellbaren Festlegung der Schließkraft unter einer virhblen Vorspannung gehalten sein kann, hier selbst ,is leichtgewichtiges rasch ansprechendes Verschlußorcanauch bei dieser Konstruktion ist die Einhaltung einer oder mehrerer der eingangs genannten Bedingungen nicht gewährleistet.

Die der Erfindung zugrundehegende Aufgabe, die in der Erfüllung der eingangs genannten Forderungen besteht, wird demgegenüber dadurch gelost, daß die Membran mit verringerter Kegelstumpthohe relativ zum unbelasteten Zustand unter Vorspannung zwischen einem Ventilgehäuse und einem \ ent.Ideckel eingesetzt ist und daß ferner die mindestens dem inneren oder dem äußeren Rand der Membran beidseitig gegenüberliegenden Dichtschultern einen axialen Abstand haben, der eine axiale Bewegung beider Membranränder zuläßt.

Die allein als Verschlußorgan verwendete Membran für die zur Erreichung zweier stabiler Zustande bekanntlich auf Grund der Theorie ebener Platten ein Grenzwert für das Verhältnis ihrer Hohe h zu ihrer Dicke s notwendig ist, klappt dabei von einem Zustand in den anderen um. sobald die festgelegte Druckbelastung überschritten wird. In Fig. 1 sind die vorstehend genannten Bezeichnungen h und ν sowie die im folgenden noch angeführten Großen der Membraneeometrie verdeutlicht. Die Vorspannung F, unter der die Membran erfindungsgemäß gehalten wird,

stimmt ^r-i*^{bei den WeE} ^v=h"f ^(F'S- ^1}- ^{den die} Membran bei der vorgegebenen Belastung bis zum Übergang in ihren zweiten stabilen Zustand zurücklegen muß Dieser Weg ergibt sich aus der Membranhöhe A abzüglich dem durch die Vorspannung F bereits zurückgelegten Weg /, dessen Größe unter anderem beispielsweise von dem gewählten h/s ab-

i'i Vi

hangt- Die mit der Vorspannung überbrückte Wegstrecke /wird zur Erreichung kurzer Ansprechzeiten so gewählt, daß bei der üruckbelastu.ig für ein Umkippen der Weg ν möglichst klein wird. Dieser Bedingung steht jedoch entgegen, daß die Membran auf der anderen Seite eine gewisse Elastizität gegen Druckstöße oder -schlafe haben soll, <.!. h,, daß sie mittels der Vorspannung nicht so weit an den Umkipp-Punkt herangeführt werden darf, daß kurzzeitige Druckschwankungen und Druckstoße ein Umkippen und dadurch ein Offnen eines zuvor geschlossenen Ventils bewirken. Die Wahl der richtigen Vorspannung erfolgt daher auf Grund der gestellten Anforderungen unter Abwägung der genannten, zum Teil gegensätzlichen Bedingungen experimentell.

Eine Durchfluß-Druck-Charakteristik eines erfindungsgemäßen Ventils zeigt Fig. 2 schematisch in verzerrtem - die Mengen sind für die Bereiche O~A bzw. O-B relativ zu denen jenseits A und ß zu groß angegeben - Maßstab, wobei die Punkte A und /} die beiden Punkte bzw. Bereiche für den Übergang von einem stabilen Zustand in den anderen sind, und als Ordinate die Durchflußmenge Q und auf der Abszisse die Druckdifferenz Ap zu beiden Seiten der Membran aufgetragen sind. Wie aus dieser Figur ersichtlich, kann ein Kippen der Membran von einem Zustand in den anderen in beiden Punkten A oder IS erfolgen. so daß das Ventil sowohl für die Steuerung durch einseitige Druckbelastungen als auch durch solche von beiden Seiten angewendet werden kann, wobei der Umklapp-Punkt in der einen Richtung etwas von demjenigen in der anderen Richtung verschieden ist. was durch Restspannungen der Membran bedingt ist.

Das Verhältnis h/s bestimmt, ob eine Membran zwei stabile Zustände hat. In der Theorie ist für eine bistabile Membran ein his von mindestens 1,41 notwendig. In der Praxis werden die Werte möglichst groß gewählt, um eine Kennlinie mit einem ausgeprägten Maximum zu erreichen.

Die Kraft, die nötig ist, um eine Membran umzuklappen, ist abhängig von den materialunabhängigen, liL'ometrischen Größen der Membran: Höhe /i, Dicke s; Außendurchmesser Du und Innendurchmesser Di. Weiterhin von den Materialeigenschaften E-Modul und Poisson-Zahl; sie ist aber unabhängig von der Vorspannung der Membran.

In der Praxis ist aber durch unvermeidliche Matei ialtoleranz.cn sowie geometrische Fehler diese Kraft und damit der Umklappunkt leicht vorspannungsabhängig. Diese Abhängigkeit muß experimentell bestimmt werden.

Bei Anwendungen, bei denen das Ventil nur für eine einseitige Druckbclastung eingesetzt wird, ist es darüber hinaus zweckmäßig, eine hydraulische oder pneumatische Rückstelleinrichtung vorzusehen, durch die nach einem Ansprechen des Ventils in der Steuerrichtung ein Zurückklappen der Membran bewirkt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Fig. 3 näher erläutert, die im Schnitt ein Ausführungsbeispiel wiedergibt, wobei in Fig. 3a das Ventil in geschlossener Stellung und in Fig. 3b in offener Stellung gezeigt ist.

Wie bereits erwähnt, dient das neue Ventil beispielsweise als Sicherheitsventil im Treibstoffkreislauf von Düsentriebwerken und versperrt dabei im normalen Betrieb (Fig. 3a) einen nur angedeuteten Strömungsweg !,durch den ebenfalls nur angedeutete FiI-ter 2 in Brennstoffzuführleitungen 13 zu den Triebwerken umgangen werden können, wenn die Filter 2 verstopft sind, der Fluß des Brennstoffes ist in den Fig. 3a und 3b jeweils durch Pfeile angedeutet.

Ein als kreisringförmigc Scheibe ausgebildetes Ventilgehäuse 3 ist auf einer hüchs<_nartigen Halterung 4 befestigt, die auch die nicht näher gezeigten Filter 2 trägt. An seinem äußeren Umfang hat das Gehäuse 3 ein Gewinde 18. auf welches ein Ventildekkel 4 geschraubt wird. Längs seines Umfanges hat der Deckel 5 eine Anzahl von Durchtrittsöffnungen (>, die jeweils mit einem siebartigen Lochblech 7 versehen sind. Die Lochbleche 7 dienen als grobe Filterelemente für den Brennstoff, der aus dem Strömungsweg 1 in eine im Innern des Ventils zwischen dem Gehäuse 3 und dem Deckel 5 gebildete Ventilkammer 8 einströmt, sobald das Ventil diesen Strömungsweg freigibt.

Als Verschlußorgan dient in der Kammer 8 eine Membran 9. die sich bei geschlossenem Ventil an ihrem inneren Umfang auf einem Dichtungsring 10 und außen auf einer Schulter 11 des Gehäuses 3 abstutzt. Bei geöffnetem Ventil, d. h. wenn die Membran 9 nach einem Druckanstieg im Strömungsweg 1 und da mit auch auf der rechten Seite der Kammer 8 über den Öffnungsdruck hinaus in ihren anderen, stabilen Zustand geklappt ist (Fig. 3b), gibt die Membran 9 eine ringförmige Durchflußöffnung 12 zu der im Zentrum des Gehäuses 3 gelegenen Brennstoffleitung 13 frei. Die Leitung 13, an die auch der direkte Strömungsweg durch die Filter 2 angeschlossen ist. führt /.u der Hochdruckpumpe des Triebwerkes.

In der Stellung »Offen« (Fig. 3 b) des Ventils stützt sich der äußere Umfang der Membran 9 auf einen Dichtungsring 14, während der innere Umfang auf einem an der Innenwand des Gehäuses 3 vorgesehenen ringförmigen Absatz 15 ruht, der gleichzeitig als Zentrierungfür die richtige Lage der Membran im Ventilgehäuse 3 dient.

An dem linken Teil der Kammer 8 ist über eine Bohrung 17 eine Leitung 16 angeschlossen, die zu einer nicht dargestellten, hydraulischen oder pneumatischen Druckquelle führt; diese dient als Rückstelleinrichtung für die Membran. Durch diese Einrichtung wird gegebenenfalls dann beispielsweise die zum Punkt A (Fig. 2) gehörende Kraft aufgebracht, um das Ventil wieder in seine dem normalen Betrieb des Systems zugeordnete Stellung zurüeU/.uklappen, wenn in Fig. 2 der Punkt B als Umklappunkt in Steuerrichtung angesehen wird.

Durch Variation des Abstandes zwischen dem Gehäuse 3 und dem Deckel 5 kann die Vorspannung /·' der Membran, d. h. der in Fig. I mit / bezeichnete Federweg, so eingestellt wurden, daß von der Höhe /i ein bestimmter Teil, z. B. etwa bereits 50%, infolge der Vorspannung zurückgelegt ist.

Je nach dem gewählten Verhältnis IUs ergibt sich uann nur noch ein sehr geringer Weg ν bis zum Umklappunkt bzw. -hereich B (Fig. 2) des Ventils. Auf Grund der Theorie kann ein Umklappen der Membran 9 erreicht werden für Federwege f 0,43 h 1 f S. Ir, f liegt dabei um so näher an 0.43 /ι, je größer h/s ist.

Werte h/s 5-1(1 haben sich experimentell aus der

, Praxis als nützlich ergeben. Kleinere Werte ergeben für ein Ventil bei der geschilderten Anwendung zu lange Ansprechzeiten; denn der Umklappunkt ist um

so ausgeprägter, d. h. der Umklappbereich um so en-

gcr, je größer his ist. Größere Werte für his können auf Grund nachlassender Festigkeiten der Membranmaterialien, für die beispielsweise rostfreie Federstülilc geeignet sind, nur schwer erreicht werden.

Zusammengefaßt sind für die Materialwahl und die Wahl der geometrischen Abmessungen einer Membran folgende Gesichtspunkte von Bedeutung:

a) der durch die Anforderungen an das Ventil gegebene Druck bzw. Druckbereich (Punkt B in Fig. 1), bei dem ein Umklappen erfolgen soll, d. h. der Umklappunkt mit einer zugelassenen Toleranz;

b) die Temperaturen, denen das Ventil ausgesetzt ist; sie sind entscheidend für die Materialwahl, wobei sowohl die maximale Spitzentemperatur als auch die dauernde Betriebstemperatur zu beachten sind; die Spitzentemperatur hat dabei Einfluß auf die Membran-Charakteristik (Fig. 2), weil sie die Materialwahl zu einem wesentlichen Teil bestimmt, während die dauernde Belastungstemperatur die Lebensdauer der Membran - und damit ebenfalls die Materialwahl - beeinflußt;

c) die im offenen Zustand geforderte Durchflußmenge und der dadurch entstehende Druckverlust haben entscheidenden Einfluß auf die Membranabmessungen;

d) die maximale Leckrate vor dem Umklappen des Ventils; sie kann durch Wahl der Vorspannung, d. h. durch Festlegung des mit ihr zurückgelegten Weges /, verändert werden, wobei mit erhöhter Vorspannung, d. h. mit vergrößertem vorcingestelltem Weg /', die Leckrate kleiner wird;

e) die Sicherheit gegen Druckstößc; sie wird ebenfalls von dem vorgestellten Weg / beeinflußt, ist jedoch um so größer, je kleiner / wird;

f) die Dichtheit der Membran; sie kann darüber hinaus durch Ausbildung der Dichtkante und deren Auflagefläche am Gegenstück - z. B. durch Einsetzen des Dichtringes - verändert werden.

Die Bedingungen a-f sind nicht unabhängig voneinander, so daß sich folgendes, gemischt rechnerisch, empirisches Vorgehen für die Auswahl einer geeigneten Membran bewährt hat.

Wie bereits erwähnt, soll his möglichst groß werden; man legt daher aus der Erfahrung heraus dafür einen bestimmten Wert zugrunde. Auf Grund der geforderten Temperaturen wird daraufhin ein geeignetes Material ausgewählt, das eine bestimmte Festigkeit und einen bestimmten Ε-Modul hat.

Da der Durchfluß Q im wesentlichen durch den Öffnungsquerschnitt bestimmt ist, der vom Innendurchmesser Di und der Höhe der Membran im umgeklappten Zustand abhängt, sind die Größen Di und / durch den geforderten Durchfluß weitgehend festgelegt; der Außendurchmesser Da wird daraufhin dadurch weitgehend betimmt, daß bei gegebenem Umklappunkt die zum Umklappen der Membran notwendige Kraft aus dem Produkt aus der Membranflache und dem gewünschten Öffnungsdruck resultiert.

Für die so weitgehend festgelegte Membran wird nun nachgerechnet, ob bei den gegebenen Bedingungen von Temperatur, Vorspannung, Lebensdauer und den ausgewählten Abmessungen die Festigkeit des vorgewählten Materials ausreichend ist. Ist dies nicht der Fall, so wird die Membran beispielsweise durch Änderung /i, / und/oder s oder durch Auswahl eines anderen Materials korrigiert.

Liegt eine Membran mit einer geeigneten Festigkeit vor, so wird sie experimentell optimiert, wobei für sie dann die maximale Lcckratc vordem Umklappen bestimmt wird. Diese kann durch Erhöhen der Vorspannung im eingebauten Zustand unter Umständen noch verkleinert werden. Dabei sinkt allerdings die Sicherheit gegenüber Druckstößen, so daß hier experimentell ein optimaler Kompromißwert gefunden werdci muß. Unter Umständen kann schließlich die Dichthei' der Membran durch sorgfältige Ausbildung ihrei Dichtkante und/oder der Oberfläche ihrer Auflage ii gewissem Umfang verbessert werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Druckbetätigtes Ventil, bei dem als Verschlußorgan eine ringförmige, kegelstumpfartige Membran mit zwei stabilen Zuständen, deren Höhe im unbelasteten Zustand ein Vielfaches ihrer Dicke beträgt, bei einer vorgegebenen Druckbelastung spontan vom einen stabilen Zustand in den anderen übergeht und in diesem auch bei einem Nachlassender Belastung verharrt, dadurch gekennzeichnet .daßdie Membran ('>) mit verringerter Kegelstumpfhöhe (v) relativ zum unbelasteten Zustand (h) unter Vorspannung ( F) zwischen einem Ventilgehäuse (3) und einem Ventildeckel (5) eingesetzt ist, und daß ferner die mindestens dem inneren oder dem äußeren Rand der Membran (9) gegenüberliegenden Dichtschultern (10, 15 oder 14, 11) einen axialen Abstand haben, der eine axiale Bewegung mindestens eines der Membranränder zuläßt.

2. Ventil nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß eine hydraulische oder pneumatische Rückstelleinrichtung (16, 17) vorgesehen ist.

3. Ventil nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Membrandicke (.v) zu ihrem Innendurchmesser (Di) größer als 3x10 ' ist für Außendurchmesser (Du) 20 mm <Da < 100 mm.