DE2554445A1 - Regelventil - Google Patents
RegelventilInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
- F16K1/00—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces
- F16K1/32—Details
- F16K1/54—Arrangements for modifying the way in which the rate of flow varies during the actuation of the valve
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
- F16K47/00—Means in valves for absorbing fluid energy
- F16K47/08—Means in valves for absorbing fluid energy for decreasing pressure or noise level and having a throttling member separate from the closure member, e.g. screens, slots, labyrinths
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Description
Priorität: 3. Dezember 1974, Italien, Nr. 30124-A/74
Die Erfindung betrifft ein Regelventil.
Der Druckabfall eines Fluids durch, ein Regelventil rührt von
den Wirbeln her, welche in dem Ventil entstehen.
Je höher die Geschwindigkeit ist, mit welcher das Fluid in dem Ventilkörper und durch die durch die Sitzdichtung gebildete
Drosselstelle strömt, um so stärker ist der Druckabfall welcher sich ergibt. In entsprechender Weise ist damit auch
der Druckabfall zwischen dem stromaufwärtigen Abschnxtt des
Ventils und dem stromabwärtigen Abschnitt des Ventils um so
größer, je höher die Geschwindigkeit des Fluids im Ventil
ist.
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ORIGINAL INSPECTED
_ 2 —
Eine hohe Geschwindigkeit des Fluids kann zu ernsthaften Störungen Anlaß geben, beispielsweise zu Geräuschen, Erosion
und Vibrationen, die in manchen Fällen erträglich sind und in anderen Fällen dazu führen, die Vorrichtung außer Betrieb
zu setzen, während in bestimmten anderen Fällen eine Verunreinigung erzeugt wird, die oberhalb von bestimmten Grenzen nicht
geduldet werden kann.
Diese Nachteile können vermieden werden, wenn erfindungsgemäße
Ventile verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigen:
Fig. 1 bis 6 verschiedene Arten von Ventilen, wobei bekannte Ausführungsformen den erfindungsgemäßen Ventilen gegenübergestellt
sind.
In den Fig. 1 bis 6 sind einige Typen von Ventilen veranschaulicht,
wie sie bisher verwendet werden: dies sind hängende Trimm-Ventile (Fig. 1, 2 und 3)>
Ventile mit einer Dichteinrichtung und einem Sitz mit mehreren Stufen (Fig. 4), mit einem
Kolbendichtelement und einer Labyrinthdichtung (Fig. 5), mit?
einem Kolbendichtelement und einem mehrstufigen Sitz, wie er durch Scheiben mit versetzten Bohrungen erreicht wird (Fig. 6)-
Der Verwendung solcher Ventile sind jedoch die folgenden Grenzen gesetzt: hängende Trimm-Ventile (Fig. 1, 2 und 3)i wie
sie von verschiedenen Herstellern auf den Markt gebracht werden, haben folgende Nachteile:
sie bestehen gewöhnlich aus einem einzigen zylindrischen Käfig bzw. Gehäuse, in welchem eine Reihe von Bohrungen angebracht
sind, welche, während des Hubes eines kolbenförmigen Dichtelementes
freigegeben werden.
Der Widerstand für die Fluidströmung ist größer als derjenige
eines Ventils, welches ein parabolisches Dichtelement hat, ist jedoch ungeeignet, wenn hohe Druckabfälle auftreten.
Ventile mit einem Dichtelement und einem Sitz, bei welchem abgestufte Druckabfälle auftreten (Fig. 4), von Masoneulan,
haben folgende Nachteile:
das Regelelement hat verschiedene Teile, welche den dynamischen Wirkungen des Fluids ausgesetzt sind, welche schädliche Vibrationen
hervorrufen.
Ventile mit einem Kolben als Abdichteinrichtung und Labyrinthsitzen
(Fig. 5)j von der Firma Control Components, haben folgende
Nachteile:
das Labyrinth wird von sich gegenseitig überlappenden ebenen Scheiben gebildet und die Regelung erfolgt in dem Sinne stufenweise,
daß die Zunahme des Durchflusses für jeden Teil des Kolbenhubes erreicht wird, welcher der Dicke einer Scheibe
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entspricht. Um eine allmähliche und kontinuierliche Zunahme des Durchflusses zu erreichen, sollten die Scheiben eine sehr
geringe Dicke haben, so daß auch die Höhe des Labyrinths begrenzt ist, wobei dann eine erhebliche Gefahr besteht, daß
dieses durch Verunreinigungen verstopft wird, die in dem durchströmenden Fluid stets vorhanden sind.
Ventile mit einem Kolben als Abdichtelement und einem Sitz, welcher viele Stufen aufweist, die mit Hilfe von Scheiben
gebildet sind, welche sich gegenseitig überlappende Löcher haben (Fig. 6) von der Firma Parcol, haben folgende Nachteile:
auch in diesem Ventil haben die Scheiben eine begrenzte Dicke und der Strömungsweg für das Fluid wird sowohl in der vertikalen
als auch in der horizontalen Richtung erschwert, und zwar durch nicht-perforierte Scheiben.
Der für das Fluid verfügbare Weg bietet einen geringen hydraulischen
Widerstand, und die Verstopfungsgefahr ist dieselbe wie bei dem Ventil gemäß Fig. 5·
Aufgabe der Erfindung ist es, eine (einstellbare) Einrichtung
zu schaffen, welche derart ausgebildet ist, daß damit die Geschwindigkeit des Fluids steuerbar bzw. regelbar ist, ohne
daß die oben beschriebenen Nachteile der herkömmlichen Ventile
auftreten. Zur Lösung dieser Aufgabe werden konzentrische Käfige verwendet, indem die Idee angewandt wird, einen Druckabfall
durch die Reibung des Fluids an festen Wänden und das
gegenseitige Aufeinandertreffen von Fluidbändern zu erzeugen.
Gemäß Pig. 11 weist eine bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
als Dichtelement einen Kolben auf, der in einem System von Käfigen gleitbar angeordnet ist, welche durch
eine Vielzahl von konzentrischen Zylindern gebildet werden. Diese Zylinder haben Bohrungen, welche durch die innere Umfangswand
entlang dem Umfang hindurchgeführt sind, und zwar in Ebenen, die parallel und senkrecht zu der Achse des Dichtelementes angeordnet
sind. Solche Bohrungen haben einen Durchmesser, der von dem ersten inneren Zylinder bis zu dem letzten äußeren
Zylinder zunimmt» wobei die Bohrungen mit Nuten oder Kanälen
in Verbindung stehen, die auf dem äußeren Umfang desselben Zylinders entlang dem Umfang angeordnet sind, und zwar in denselben
Ebenen wie die Bohrungen, und welche während des Kolbenhubes allmählich und kontinuierlich freigegeben werden.
Die Anordnung jedes Zylinders in bezug auf den nächsten Zylinder ist derart gewählt, daß Labyrinthwege erzeugt werden, von
denen jeder in einer einzelnen Ebene liegt, durch welche sich das Fluid ausbreiten kann, wobei auf diese Weise der größere
Teil seiner kinetischen Energie verbraucht wird. In den Fig. 7 und 8 sind in jeweils einem Querschnitt zwei Regelventile
dargestellt, mit welchen die Geschwindigkeit eines Fluids einstellbar ist, und zwar mit Hilfe von Käfigen, die durch konzentrische
Zylinder der oben beschriebenen Art gebildet werden, wobei ein Käfig einen geraden Weg und der andere einen winkligen
Weg aufweist, während die Fig. 9 und 10 einen Vertikalschnitt
bzw. einen Horizontalschnitt der entsprechenden Einstelleinrichtung
veranschaulichen.
Der Fluidweg in einem Schnitt senkrecht zu der Achse des Dichtelementes
ist in der Fig. 10 veranschaulicht (in einem Querschnitt entlang der Linie x-x der in der Fig. 9 dargestellten
Einstelleinrichtung).
Während das Dichtelement 1 im Inneren des Zylinders und der Sitzanordnung verschoben wird, werden eine st.ets zunehmende
Anzahl von Bohrungen 3 freigegeben.
Das Fluid, welches aus den Bohrungen 3 des ersten Zylinders
austritt, wird in Strahlen von entgegengesetzten Eichtungen unterteilt, welche auf die Fluidbänder 5 auftreffen, die in
entgegengesetzter Richtung strömen. Anschließend tritt das
Fluid in die Bohrungen 6 des folgenden Zylinders ein und so weiter, bis es aus dem letzten Zylinder 7 austritt.
Fluid in die Bohrungen 6 des folgenden Zylinders ein und so weiter, bis es aus dem letzten Zylinder 7 austritt.
Das Auftreffen des Fluids auf die Wände des Ventilkörpers 8 (Fig. 7) ist minimal, weil der weitaus größere Teil der in
der Fluidströmung enthaltenen kinetischen Energie durch die Reibung innerhalb der Einstelleinrichtung in Wärme umgewandelt wurde.
der Fluidströmung enthaltenen kinetischen Energie durch die Reibung innerhalb der Einstelleinrichtung in Wärme umgewandelt wurde.
Gemäß den obigen Ausführungeformen ist die Ausdehnungsebene
des Fluids senkrecht zu der Zylinderachse. Aus diesem Grunde
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begrenzen die Flügel 9, welche auf jedem Zylinder ausgebildet sind, die Ausdehnung in der vertikalen Richtung in der Weise,
daß der Druckabfall aufgrund der nachfolgenden Käfige konstant
ist und zu der Hublänge des Dichtelementes proportional sind.
Dadurch wird es ermöglicht, vorgegebene Viderstandswerte einzustellen,
welche in Abhängigkeit von der Anzahl der Zylinder wählbar sind, und zwar als Funktion der Hublänge des Dichtelementes.
Diese Wegkonfiguration ermöglicht hohe Druckenergieverluste, ohne daß die Notwendigkeit von stark verengten Drosselstellen
besteht, so daß die Gefahr der Verstopfung der Regeleinrichtung überwunden ist.
Zusätzlich zu den oben bereits ausgeführten Vorteilen ist durch die Erfindung eine weitere Anzahl von Vorteilen erreichbar:
a) geringer Rauschpegel.
Die Art des Geräusches und die Parameter, welche den Geräuschpegel
bestimmen, sind eine Funktion der mechanischen Energie und des akustischen Wirkungsgrades. Im Falle der erfindungs- ■
gemäßen Anordnung ist der Wirkungsgrad sehr niedrig, und zwar aus den Gründen, daß der erneute Druckanstieg gering ist und
daß die spezielle geometrische Konfiguration der erfindungsgemäßen Einrichtung eine Dämpfungswirkung hat und die Ausbildung
von starken Stoßwellen nicht gestattet.
Ein geringer akustischer Wirkungsgrad bedeutet, daß nur ein
kleiner Prozentsatz mechanischer Energie in akustische Energie umgewandelt wird. Wenn zu dieser Eigenschaft die Möglichkeit
hinzukommt, die Geschwindigkeit des Fluides zu steuern, in welchem die mechanische Energie enthalten ist, so führt dies
zu dem Ergebnis, daß es möglich ist, ein Einstellventil mit einem konzentrischen Käfig zu bauen, dessen Arbeitsweise auf
einen beliebig niedrigen Geräuschpegel begrenzt ist.
b) dynamische Stabilität:
Die dynamische Stabilität ist außerordentlich gut, und zwar
aufgrund der geometrischen Konfiguration des Dichtelementes, welches als einfacher zylindrischer Kolben ausgebildet ist,
der in dem innersten Käfig geführt ist. Diese symmetrische Anordnung ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der Fluidströmungen
auf der Berührungsfläche.
Auf diese Weise werden diejenigen Momentenveränderungen vermieden,
welche durch Unsymmetrieeffekte auftreten, und durch
Verdrehung oder Rotation hervorgerufene Unsymmetrien sind
gänzlich ausgeschlossen. Dies führt zu einem wesentlichen Vorteil, weil Servomotoren mit geringerer Leistung verwendet werden
können, was zu Einsparungen führt, während zugleich eine zufriedenstellende Regelung erreicht wird.
c) großer Arbeitsbereich: (Kapazität der Durchflußregelung) Der Arbeitsbereich- ist festgelegt als das Verhältnis zwischen
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dem Durchfluß bei voll geöffnetem Ventil und dem minimal einstellbaren Durchfluß.
Bei einem Ventil mit einem einzigen Sitz und mit einem Dichtelement,
welches auf dem oberen und dem unteren Schaft geführt ist, ist zwischen dem Sitz und der Dichtfläche ein minimaler
Abstand erforderlich, um die freie Beweglichkeit zu gewährleisten. Wenn das Dichtelement eine zylindrische Form hat und
direkt im Sitz geführt werden kann, wie es gemäß der Erfindung der Fall ist, sind die Abstände beträchtlich .vermindert, und
dadurch wird auch der minimale einstellbare Durchfluß vermindert.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht somit einen größeren
Arbeitsbereich in bezug auf herkömmliche entsprechende Einr i chtung en.
d) lange Betriebslebensdauer:
Die Stärke des abgetragenen Materials und somit die Erosion ist direkt proportional zu der dritten Potenz der Geschwindigkeit,
Somit kann im Hinblick darauf, was oben in bezug auf die Möglichkeit der Steuerung der Geschwindigkeit in der erfindungsgemäßen
Einrichtung bereits ausgeführt wurde, die Erosion praktisch vollständig unterdrückt werden.
Durch Vermeidung von Vibrationen und anderen Ursachen, welche eine stärkere Abnutzung hervorrufen, wird die Lebensdauer der
erfindungsgemäßen Einrichtung weiter verbessert.
Wenn die Arbeitsbedingungen dieselben sind, kann durch Vergleich eines Einsteilventils mit entsprechender Kontur einerseits
und eines Einstellventils mit Mehrfachkäfigen andererseits
abgeschätzt werden, daß die Lebensdauer des ersten Käfigs der erfindungsgemäßen Einstelleinrichtung (des am stärksten
belasteten Käfigs) zwischen 8 und 10-mal langer ist, während für die folgenden Käfige die Abnutzung praktisch gleich Null
ist.
e) Aufwand für Wartung und Reinigung:
Es hat sich gezeigt, daß der strömungsdynamische Widerstand · nicht nur von der Gleitreibung über den Metalloberflächen der
Einstelleinrichtung abhängt, sondern auch von dem Auftreffen
der Fluidbänder oder Strömungsfäden, welche aus den verschiedenen öffnungen austreten und in neue Durchgangsquerschnitte
hineingeführt werden, zusätzlich zu den plötzlichen "Veränderungen im Strömungssinn und in der Strömungsrichtung. Dies führt
zu dem Ergebnis, daß trotz des hohen Widerstandes in der Vielfachkäfig-Einrichtung
die Durchgangsquerschnitte Bohrungen sind, deren Fläche ausreichend groß ist, um die Gefahr der
Verstopfung und des Ansatzes zu vermeiden, und zwar selbst dann, wenn ein Fluid verwendet wird, welches für solche Nachteile
kritisch ist.
f) großer Anwendungsbereich:
Die Vielfachkäfig-Einstelleinrichtung kann ohne Veränderung
des Ventilkörpers in fast alle Typen von Regelventilen eingesetzt wer'den. -
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In den Fig. 7, 8 und 12 sind schematisch einige Ventilkörper
dargestellt, in welche die erfindungsgemäße Einstelleinrichtung eingesetzt werden kann.
g) zufriedenstellende Dichtigkeit und Abgleichmöglichkeit: Die Dichtheit der in Präge stehenden Einstelleinrichtung ist
dieselbe wie-diejenige eines Ventils, in welchem sie eingebaut
ist. Wenn eine einwandfreie Dichtheit erforderlich ist, können spezielle Lösungen vorgesehen werden, beispielsweise kann ein
Weicheinsatz verwendet werden. Wenn bei Ventilen mit einem einzigen Sitz ΔΡ und die Durchgangsquerschnittsfläche derart
gewählt sind, daß Hochleistungs-Servomotoren erforderlich sind oder sogar nicht tragbar sind, wird auf einen entsprechenden
Ausgleich des Dichtelementes zurückgegriffen. Bei einem Mehrfachkäfig-Einstellventil
kann das Dichtelement statisch ausgeglichen werden, und zwar sowohl durch einen inneren Ausgleich
für Arbeitstemperaturen von -190 0C bis 230 0C als auch durch
einen äußeren Ausgleich für Temperaturen bis zu 600 C.
h) Unterhaltung und leichter Zugang:
Sowohl der Zusammenbau als auch die Zerlegung sind außerordentlich
einfach. Es gibt kein Verschweißen des Teiles oder keine starre mechanische Verbindung, und der Zusammenbau erfolgt
durch genaue Passungen. Dadurch wird eine Inspektion während einer vorbeugenden Wartung erleichtert, und es ergeben sich
beträchtliche Einsparungen an Arbeitskosten.
- Patentansprüche -
6O9825/OS90
Claims (3)
- - -12 -PatentansprücheM-/Regelventil mit einem Körper und einem Dichtelement, welches als Kolben ausgebildet ist und welches in einem System von zylindrischen Käfigen gleitbar ist, die mit Bohrungen ausgestattet sind, welche während des Kolbenhubes allmählich und kontinuierlich freigebbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das System aus zylindrischen Käfigen, in welchem der Kolben gleitet, aus einer Mehrzahl von konzentrischen Zylindern gebildet ist, welche mit Bohrungen ausgestattet sind, welche durch den inneren Mantel hindurchgeführt sind, entlang dem Umfang, wobei die Bohrungen in parallelen Ebenen angeordnet sind, welche senkrecht zu der Achse des Dichtelementes liegen, daß die Bohrungen mit horizontalen Nuten oder Kanälen in Verbindung stehen, welche auf dem äußeren Mantel desselben Zylinders angeordnet sind, entlang dem Umfang, welcher in denselben Ebenen der Bohrungen liegt, so daß durch Überlagerungen der Zylinder in konzentrischer Anordnung Labyrinthwege gebildet werden, von denen jeder in einer einzelnen Ebene angeordnet ist, und daß durch die Labyrinthwege das Fluid entspannbar ist, welches von dem stromaufwärtigen Teil zu dem stromabwärtigen Teil des Dichtelementes strömt, wobei der größte Teil der kinetischen Energie des Fluids verbraucht wird.
- 2. Regelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Bohrungen und der Kanäle, welche in den konzentrischen Zylindern der Käfige ausgebildet sind, als Funktion der Geschwindigkeit und des Druckabfalles des Fluids durch das Ventil dimensioniert sind.
- 3. Kegelventil nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement sowohl intern als auch extern ausgeglichen ist.60&625/O696Leerseite
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