DE2558562A1

DE2558562A1 - Hochdruck-membranventil

Info

Publication number: DE2558562A1
Application number: DE19752558562
Authority: DE
Inventors: Harold Eugene Bass
Original assignee: Dresser Industries Inc
Current assignee: Dresser Industries Inc
Priority date: 1974-12-23
Filing date: 1975-12-23
Publication date: 1976-06-24
Also published as: ZA756085B; FR2296137B1; JPS5179021A; CH594152A5; CA1036570A; FR2296137A1; LU73639A1; BR7507951A; AU8530375A; NL7512137A; GB1530586A; IT1047693B; GB1530587A; BE834751A

Description

DIPL-ING. W. MEISSNER (BLN) DIPL-ING. P. E. MEISSNER (MCHN) DIPL-ING. H.-J. PRESTING (BLN)

1 BERLIN 33, HERBERTSTR. 22

Ihr Schreiben vom Unser Zeichen Berlin, den 23.ΒβΖβηίθβΓ 1975

Fall No. 281
VI-74-1

DRESSER INDUSTRIES, INC.

The Dresser Building, EIm and Akard Streets, Dallas, Texas, USA.

Hochdruck-Membranventil

Ihr Zeichen

Die Erfindung betrifft ein Membranventil mit einem Gehäuse, mit einem in diesem zwischen einem Ein- und Auslaß umschlossenen Strömungskanal, in dem ein Ventilsitz angeordnet ist, mit einem mit dem Ventilsitz zusammenarbeitenden, den Strömungskanal öffnenden oder schließenden Ventilteller, mit einem im Gehäuse angebrachten Deckel und einer sich durch eine Bohrung des Deckels erstreckenden Spindel, die den Ventilteller gegenüber dem Ventilsitz hin- und herbewegt, und mit einer zwischen dem Strömungskanal und der Spindel eine Abdichtung aufrechterhaltenden Membran. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Ventile für Betrieb mit hohem Druck und hoher Temperatur.

Es ist bekannt, daß die Notwendigkeit für eine Zuverlässigkeit gegen Ventilspindel und -deckelleckagen in Abhängigkeit vom Druck und von der Temperatur im Betrieb, für die das Ventil verwendet werden soll, ansteigt. Wenn das Ventil unter erschwerenden Betriebsbedingungen, z.B. im Bereich von 140 at und 515⁰C, arbeitet, so ist es üblich, entweder Balgdichtungskonstruktionen oder Mehrschichten-Membrankonstruktionen mit einer Spindelpackung anzuwenden, um eine Leitungsleckage an der Spindelbohrung vorbei zu vermeiden. Von diesen beiden Konstruktionen ist die Balgdichtung um einen beträchtlichen Unterschied

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BORO MÖNCHEN: TELEX: TELEGRAMM: TELEFON: BANKKONTO: POSTSCHECKKONTO:

8 MÖNCHEN 22 1-86644 INVENTION BERLIN BERLINER BANK AQ. W. MEISSNER,BLN-W

■kostspieliger. Zu den niedrigeren Kosten des Membranventils träert die übliche Verwendung· eines relativ kostengünstigen Kugelventilerehäuses bei, das mit der Membran verbundene Hubbeschränkungen gut aufnehmen kann und vorzugsweise als Schrägsitz- oder Freiflußventil ausgebildet ist, um die Strömungskennwerte zu verbessern, übliche Kugel-Schrägsitzventile dieser Art sind in einer Vielzahl erhältlich.

Wenn auii solche Membran ventile einen hohen Grad an -Erfolg erreicht haben, so liegt doch ein charakteristischer Mangel in der relativ kurzen Lebenserwartung unter erschwerenden Bedingungen für die Membran, wenn es sich um 500 - 3000 Öffnungs- und Schließzyklen handelt, ^as ist im allgemeinen auf die Vielfalt der Beanspruchungen zurückzuführen, die gegen die Membran unter -üruck ausgeübt v/erden, wenn sie zwischen den ^uffen- und Geschlossenstellungen des Ventils verformt wird. Bei ,jedem vollständigen öffnungs- und Schließzyklus unterliegt wenigstens der mittlere 'J-'eil der Membran einer zwischen einer konvexen und konkaven Ausbildung umkehrenden Verformunng, da der Ventilteller bzw. die Ventilscheibe gegen eine aufsitzende und eine vom Sitz gelöste Lage bewegt wird. Das führt zu Abnutzungserscheinungen, wie z.B. Ausbeulen, Knittern oder Knicken, Ermüdung usw. Wird ein Fehler an oder Aiisfall der Membran festgestellt, so ist es üblich, den Betrieb zu unterbrechen, um die Austauscharbeit durchzuführen; wird ein solcher fehler aber nicht festgestellt, so bleibt einzig die Stopfbuchspackung an der Spindel als Hindernis gegen das Auftreten einer Leckage. Mit dem Aufkommen der K-eir.nkraft als Ersatz für fossile Brennstoffe für die Energieerzeugung wurde es in steigenden Maß auf Grund der anwachsenden -Erschwernisse im Betrieb und der Schwierigkeiten bei der Wartung zwingend, Betriebsunterbrechungen auf einem Minimum zu halten. Forschriften für Ventile im Kernkraftbetrieb fordern als Folge dessen nunmehr, daß die Membran eine Mindestlebenswerwartung von wenigstens 12 000 Zyklen haben muß. Eine solche Vorschrift überschreibet selbstverständlich jede bisherige Leistungsfähigkeit weit, und trotz der Kenntnis und Würdigung dieses Problems ist bisher eine Konstruktion, die dieses

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Erfordernis erfüllen kann, nicht bekanntpceworden.

Als Sicherheit zur Verhinderung von Leckap-en im -B'all eines Membranschadens ist bei diesen Ventilen die Packung vorgesehen, die im Deckel um die Ventilspindel herum zusammengepreßt ist. Bei der üblichen Konstruktion, um eine geeignete Abdichtung zu erreichen, sind eine Packungsstopfbuchse, Stopfbuchsflansche, Stopfbuchsbolzen, Muttern ud.dgl. im Zusammenwirken mit einem geschmiedeten oder gegossenen -üeckelbÜKel vorgesehen. Wenn auch die für derartige Konstruktionsanordnungen hohen Kosten seit langem bekannt sind, so ist es bis jetzt jedoch nicht bekannt, wie man diese Kosten beträchtlich vermindern kann, ohne hierbei Opfer im Hinblick auf die Oualitiät und Zuverlässigkeit dieser Konstruktion zu bringen.

Membranventile der hier in Rede stehenden Art, insbesondere solche von 5 cm (2") und größer, ergeben äußerst komplizierte und begrenzte Strömungsbilder sowie solche mit mehreren Richtungen bei einer Strömung am Ventilsitz vorbei. Da der Hub auf Grund der Verwendung einer Membran relativ klein ist, ist ein größerer Sitzdurchmesser als normal notwendig, um den erforderlichen £>trömungsquersehnitt zu erhalten. Das führt wiederum dazu, daß der Strömungsweg eine schärfere Abbiegung als normal im und um den Sitz erfährt, was zu einem höheren Druckverlust und demzufolge einem geringeren Strömungskoeffizienten (Ov) führt, als es erwünscht ist. Ein vollkommen geöffnetes Ventil von 5 cm (2") dieser Art hat einen Cv~Wert im Bereich von etwa 4-0 - 60. Trotz einer Reihe von Versuchen, diesem Problem beizukommen, ist es bei diesen Ventilen bisher nicht gelungen, die Leistung über den oberen Grenzwert 60 zu erhöhen.

■^er Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Membranventil für Betrieb mit hohem Druck und hoher Temperatur zu schaffen, bei dem die Membran selbst eine beträchtlich gesteigerte Betriebsdauer und Lastspielzahl hat, bei dem der Strömungskoeffizient günstig gesteigert ist und das eine besondere Deckelausbildung hat, die im Vergleich zu bekannten Ventilen für den gleichen Zweck mit beträchtlich geringeren Kosten herzustellen ist. Es ist weiter ein

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Ziel der Erfindung, die vorgenannte Aufgabe bei einem Durchgangs-Sehrägsitz-Membranventil zu lösen, ohne kostspielige Änderungen in Kauf nehmen zu müssen, die die wirtschaftlichen Vorteile, die solche Ventile im Vergleich zu Ventilen mit Deckeldichtung für vergleichbare Betriebsbedingungen bieten, wieder aufheben.

Die gestellte Aufgabe wird mit den in den Ansprüchen angegebenen Mitteln und Haßnahmen gelöst.

Erfindun^sgemäß ausgebildete Ventile haben für die Membran eine erhöhte Lebensdauer, die den heute gestellten Anforderungen genügt und wodurch die bisherige Beschränkung von bekannten Ventilen für den geleichen Zweck überwunden wird. Zugleich wird eine besondere Art von Hilfsdurchlässen im Ausströmkanal geschaffen, woduch die Strömungsbahn begradigt wird und bisherige Grenzen im Strömungskoeffizient überschritten werden. Ferner wird eine wesentlich billigere Deckel- und Packungskonstruktion, als sie bei bekannten gleichartigen Ventilen normal ist, geschaffen.

Das wird durch eine Membran erreicht, die aus einem nachgiebig gelagerten, zusammengeklemmten Vielschichtenstapel besteht, wo_ bei wenigstens einige der übereinanderliegenden Schichten unterschiedlich gewählte Elastizitätsmoduln haben. Wenigstens die obere Schicht ist zusätzlich in bestimmter Weise geschlitzt, um durch das Arbeitsspiel hereingebrachte Belastungen zu verteilen. Obere Auflagerkanten sind ausreichend nachgiebig, um scharfe Belastungsungleichmäßigkeiten an ihnen auszuschalten.

Verbesserte Strömungskennwerte werden durch einen Hilfsauslaß im stromab führenden Kanal nahe dem Ventil in Verbindung mit einem sich verjüngenden Hingkanal erhalten, da damit eine mehr geradlinige, laminare Strömung erreicht wird, die die Druckverluste herabsetzt. Eine neuartige Mehrzweck-Stopfbuchse mit identischem Innen- und Außengewinde ermöglicht die Herstellung des Ventildeckels aus normalem Stangenmaterial, wodurch die bisher ver-

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v/endeten komplizierten und kostspieligeren Bauarten vermieden werden.

Weitere Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes werden für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung deutlich.

Die Zeichnungen zeigen ein Ausführungsbeispiel des Erfindunerspree:enstandes.

Fier. 1 ist eine üchnittdarsteliune: eines Schrägsitz-Membranventils gremäß der Erfindung.

Pip;. 2 zeigt den Schnitt nach der Linie ?-'? in der !'ig. 1, Fig. 3 den Schnitt nach der Linie 3-3 in der ^'ig. 1 und Fig. M- den Schnitt nach der Linie M-M- in der ^'ig. 1.

Fig. 5 und 6 zeigen in einem geschnittenen Aufriß bzw. in einer geschnittenen Draufsicht das Strömungsbild für Ventilsrrößen von 2, S cm (1") und kleiner.

Fie. 7 und 8 zeigen in jeweils zu Fig. 5 und 6 gleichartigen Darstellungen das btrömungsbild für Ventilgrößen von 3,8 cm (1 1/2") und großer.

Fig. 9 ist eine vergrößerte Darstellung der im Kreis 9 von Fig. Λ enthaltenen Teile bei der Offenstellung des Ventils, während

Fig. 10 die gleichen Teile bei der Geschlossenstellung des Ventils zeigt.

Fig. 11 ist eine weiter vergrößerte Darstellung der im Kreis 11 von Fig. 10 enthaltenen Teile.

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Fig. 12 zeigt eine abgebrochene Draufsicht gemäß der Linie 12-12 in Fig. 9.

Fig. 13 ist eine graphische Darstellung (Kennlinie) für die Leistung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Ventils.

Das Durchgangs-Schrägsitz-Membranventil von *'ig. 1 hat ein Gehäuse 10, das zwischen einem Einlaß 14- und Auslaß 16 einen Strömungskanal 12 umschließt, und trägt einen Deckel 17, der mit dem Gehäuse verschraubt ist. Im Kanal 12 ist ein Hartmetall-Hingsitz 18 aus Stellit od. dgl. Material angeordnet, mit dem ein Ventilteller 20 zusammenarbeitet, um den Kanal 12 gegenüber einem Strömungsmittel zu öffnen oder zu schließen. Der in Pig. 1 in seiner Offenstellung gezeigte Ventilteller 20 ist in einer rohrförmigen -"-'ührung 22 gelagert, die im Gehäuse 10 durch einen Stift 23 ausgerichtet gehalten wird, wobei eine ringförmige Abschlußk-appe 24- den Ventilteller 20 durch einen Sicherungsring 26 festlegt. Zwischen der Abschlußk-appe 24- und der Führung 22 ist eine Schraubenfeder 28 zusammengedrückt, die den Ventilteller 20 aufwärts in die Offenstellung und gegen die Unterseite der Membran 30 drückt. Auf der Oberseite der Membran ist ein abwärts gegen die Kraft der Feder 28 bewegbarer und damit den Ventilteller 20 in die Schließstellung auf den Sitz 18 drückender Spindel- oder Schaftkopf 32 mit sechseckigem Außenumriß angeordnet, der in einer sechseckigen Ausnehmung 34- im Unterteil des Deckels 17 verschiebbar ist.

Um das Ventil zu öffnen oder zu schließen, ist ein Schaft oder eine Spindel 36 vorgesehen, die s±sfe den Deckel 17 hh durchsetzt und sich von einer Stelle, an der sie gegen die schalenförmige Oberseite des Kopfes 32 anliegt, nach außen erstreckt. Eine rund um die Spindel 36 angebrachte Stopfbuchsenmutter 38 reicht in das Innere des Deckels 17 und dient dazu, die Dichtpackung 4-0 zusammenzupressen sowie die Spindel 36 verschraubbar aufzunehmen. Bei dieser Anordnung werden bei Drehung des Handrades 4-2 in der einen Richtung der Kopf 32 und der Teller 20 in die Schließstellung gegenüber dem Sitz 18 bewegt, während bei Drehung in der entge-

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gengesetzten Richtung der Leitungsdruck im Zusammenwirken mit der Feder 28 den Teller 20 und den Spindelkopf 32 aufwärts bewegen, so daß der Kanal 12 geöffnet wird.

Mit Bezug auf die Fig. 9 bis 12 soll nun die Membran 30 erläutert werden. Wie zu erkennen ist, ist die Membran 30 ein Schichtenkörper, der aus mehreren übereinanderliegenden Schichten 46, 48 gebildet ist, die üblicherweise vore:epackt und mit Molybdändisulf id od. dgl. trocken geschmiert sind, um eine gewisse Gleitbewegung zwischen ihnen zuzulassen. Jede der Schichten besteht aus einem hoch beanspruchbaren Federmetall in Stärken von 0,127 bis 0,38 mm; sie sind in der Lage, eine maximale Flexibilität zu gewährleisten, während sie eine ausreichende Festigkeit behalten, um eine schalenartiee Querausbiegung, die sonst auftreten kann, zu vermeiden. Die Schichten sind in geringem Maß vertieft, d. h. tellerförmig ausgebildet, und sie sind an ihren Kanten verklammert, um einen Ventilhub aufzunehmen, der geringer ist als eine Durchschlagsverlagerung. Zusammengefaßt soll der Membranstapel eine ihm eigene ausreichende Festigkeit haben, daß er dem Ventilinnendruck standhält. Durch in Abstand zueinander angeordnete radiale Schlitze 50 in der Oberfläche der obersten Schicht 46 wird diese Schicht aus noch zu erläuternden Gründen im wesentlichen von einem schalenartigen Verhalten zu einem trägerartigen Verhalten gebracht. Abhängig von Belastungsfaktoren können die Schlitze 50 in mehr als einer der oberen Schichten angebracht werden. Es hat sich gezeigt, daß eine Versetzung der Schlitze 50 im ^inkel von 30 ° für den angestrebten Zweck günstig ist.

Bevorzugterweise sind die Schichten 46 etwa 0,2 bis 0,3 mm stark und bestehen aus "Inconel 718" (Warenzeichen) der Huntington Alloy Oo. Es handelt sich hier um eine hohe Nickel-Chrom-Legierung mit einem Elastizitätsmodul von etwa 2,1 · 10 at. Die Schichten 48 sind vorzugsweise etwa 0,25 bis 0,38 mm stark und bestehen aus Titan 6A14V, d. h. aus einer hochfesten Titan-Aluminium-Vanadium-Legierung von geringem Gewicht und korrosions-

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beständigen Eigenschaften, die einen Elastizitätsmodul von etwa 0,42 · 10 at hat. Wie Fig. 9 zeigt, sind die ersten acht Schichten - von unten an gezählt - der Membran für Ventile von 3,8 cm (1 1/?") und größer abwechselnde Schichten 46 und 48, während- die oberen bchichten 46 alle aus dem gleichen Material bestehen, Durch abwechselnde Anordnung der Schichten .in dieser Weise bleiben die Elemente 48 mit niedrigem Elastizitätsmodul über den gesamten Ventilzyklus gut innerhalb der elastischen Standfestigkeit, andererseits übernehmen die Elemente 46 mit hohem Elastizitätsmodul eine unverhältnismäßig höhere Belastung, wenn sie sich einem örtlichen Wölbungszustand nähern, gegen den sie durch die anliegenden bchichten gehemmt oder festgehalten sind.

Zur Lagerung des Membranstapels derart, daß eine ungleiche Zyklusbelastung, die sonst auftreten kann, verringert oder ausgeschaltet wird, wird der Stapel rund um seine Kanten in einer weich verlaufenden Hin-und Herbieeung zwischen einer nach oben gerichteten Gehäuselippe 52 und einer Vertiefung 54 in der Unterseite eines ringförmigen Halteteils 56 fest erfaßt. Das Halteteil 56 ist in seiner Lage fest und enthält eine dichtung 57, die mit einer flexiblen Leiste 61 gegen die Unterseite des Dekkels 17 einen Druckabschluß bildet. Radial einwärts von der Biegung liegt die Unterseite des Membranstapels gegen ein nachgiebiges Lafxerkissen 58 an, das ai:ch dazu dient, den Stapel außer Berührung mit der Führung 22 zu halten, ßie Oberseite des Stapels liegt in Verbindung hiermit außen gegen einenjrelativ flexiblen, sich verjüngenden Tragflansch 60 an, der sich vom Halteteil 56 nach innen erstreckt, und sie liegt im inneren Teil gegen einen relativ flexiblen, sich verjüngenden Auflageflansch 62 am Kopf 32 an. Vorzugsweise bestehen sowohl das Kissen 58 wie die Dichtung 57 aus einem behandelten Graphitmaterial in einer flexiblen Grundmasse, wie es von Union Carbide Corp. unter dem Warenzeichen "Grafoil" erhältlich ist. Es ist besonders darauf hinzuweisen, daß der Membranstapel in der Offenstellung (Fig. 9) gegen die gesamte vorragende Fläche des flexiblen Tragflanschs 60 und nur teilweise - wenn überhaupt - gegen den Auflageflansch 62 an-

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liegt, während in der Geschlossenstellunec (Fig. 10) der umgekehrte Fall vorliegt. Es ist ferner zu bemerken, daß in der üffenstelluner des Ventils (Fig. 9) die Unterseite des Stapels lediglich gegen einen Teil der Oberfläche des La^erkissens 58 anliegt, während in der Schließstellung (Fig. 10) der Stapel gee:en die gesamte Oberfläche des Kissens 58 einschließlich einer Tnnenlippe 59 anliegt, die dazu dient, die Auflagerelastizität bei der Bewegung von der Offen- in die Geschlossenstellung zu erhöhen.

Die durch die Flansche 60, 62 gegebene Flexibilität wird so gewählt, daß sie den Stapeleigenschaften derart entspricht, daß über die gesamte auskragende Spanne der Flansche der Berührungs-Gegenstiitzdruck nicht abrupt, sondern in kontinuierlicher Weise abnimmt. V/enn die letzte Anlage an den Flanschspitzen erreicht wird, so ist ein minimaler Gegenstützdruck dort vorhanden, doch durch die Flexibilität kann er keine scharfen oder harten diskontinuierlichen Belastungen auf den Stapel übermitteln. Das Kissen 58 wirkt in gleichartiger Weise sowohl als Dichtung wie als Lagerkissen, und es ermöglicht Druckverlagerungen, die auftreten, wenn das Ventil in seiner untersten Hublage ist, und die in den unteren Membranelementen dicht innerhalb der Klemmverbindung aufgenommen werden müssen. Um örtlich vergrößerte Auflagerbeanspruchungen zwischen der Membran und dem flexiblen Bereich eines der beiden Flansche 60 oder 62 zu verhindern oder zu verringern, sind in der obersten Schicht oder den obersten Schichten 46 der Membran Schlitze 50 VORGEsehen. Durch diese Schlitze können diese Schichten besser als Lastverteilungskissen wirken, indem sie die Funktion einer Reihe von einfachen Trägern oder Seilen übernehmen, um nur einfachen Trägerbelastungen mehr als normalen, umlaufenden Schalenbeanspruchungen zu widerstehen. Auf diese V/eise sind die äußerst kritisch liegenden und gegen Fehler empfindlichen Membranelemente besser in der Lage, größeren Laat- und Zyklusbeanspruchungen standzuhalten, was auf einer gleichförmigeren Verteilung der Grund-Kantenbelastungen in einer radialen Richtung parallel zu den Schlitzen beruht.

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Mit Bezug; auf die Fig. 1 wird die Stopfbuchspackung beschrieben Die Stopfbuchsenmutter 38 dient sowohl als Packungsmutter wie als Gewindebuchse, die die Hubkräfte der Spindel 36 auf den Ventildeckel 17 überträft. Zum Dichtpacken ist die Stopfbuchsenmutter mit einer Gewindeverbindung 64 in den Deckel 17 eingeschajrubt, um einige Lagen oder eine durchgehende Hülse 66 der Packung 40, die an Graphit-Fiberringen 68 abgestützt sind, zusammenzudrücken, -^ie Packung 40 besteht vorzugsweise aus dem "Grafoil" - Material, das für das La₁erkissen 58 schon beschrieben wurde. Die Stopfbuchsenmutter 38 hat ein Innengewinde 72, an dem die Spindel 36 durch Drehung in der einen oder anderen Richtung zur Betätigung des Ventiltellers 20 bewegbar ist. Dadurch, daß die Stopfbuchsenmut-tergewinde 64 und 72 gleiche Steigung in derselben Richtung haben, kann die Mutter 38 gegen die Packung 40 ohne Bewegung der Spindel 36 abgedichtet werden, ob das Ventil nun gesetzt oder gelöst wird. Die Stellschraube 44 sichert die Lage der Stopfbuchsenmutter 38, nachdem die Pakkung 40 in geeigneter Weise zusammengedrückt worden ist. Sollte der Fall eintreten, die Packung 40 entfernen zu müssen, so kann das in einfacher Weise geschehen, indem die Stopfbuchsenmutter 38 herausgeschraubt wird, ohne in irgendeiner Weise sonst das Ventil zu beeinflussen. Mit einer Packung von dauerhafter Qualität, wie das bei "Grafoil supra" der Fall ist, überschreitet die nutzbare Lebenserwartung der Packung üblicherweise diejenige einer Anla^enausrüstung, indem sie selten ein Nachdichten wenn überhaupt - erforderlich macht. Mit diesem Material tritt in gleicher Weise die Notwendigkeit zur Entfernung der Spindel-Stopfbuchspackung derart selten auf, daß die Verwendung dieser verbesserten und vereinfachten Deckelkonstruktion mehr als annehmbar ist. Dank der durch diese Anordnung und Ausbildung erzielten Einfachheit, kann der Deckel 17 aus relativ billigem Stangenmaterial gefertigt werden, wodujch die bisher für solche Ventile erforderlichen Schrauben, Bolzen, Muttern, Flansche und Bügel wegfallen.

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Anhand der ^¹Xg. 1 bis 8 und 13 werden nun Merkmale beschrieben, die die Strömungskennwerte des Ventils verbessern. Wie bei allen Ventilen der vorliegenden Art strömst das durch den Einlaß 14 eintretende Strömungsmittel durch den Kanal 12 am offenen Sitz 18 vorbei zum Auslaß 16. Auf Grund des bei einem Membranventil durch die Verformungseigenschaften der Membran bestimmten geringen Hubes kann sich ein wesentlicher Teil Cetwa 75 #) des in den Sitzringraum eintretenden Strömungsmittels im allgemeinen aufwärts bewegen. An dieser Stelle wird das aufwärts strömende Mittel um 90 ° gegen den Auslaß hin abgelenkt, um rund um die Führung 22 in einen Hingkanal einzuströmen, bevor es sich stromab mit dem übrigen Strömungsmittel mischt, das den Ringraum unmittelbar in stromabwärtiger Richtung passiert. Um die Umlenkungsverluste zu mindern oder auszugleichen und den Strömungskoeffizienten zu steigern, wird erfindungsgemäß eine Hilfsentlantungs-Schlitzanordnung zusammen mit einem sich verjüngenden, geglätteten Ringkanal vorgesehen. Die Hilfsentlastungs-Schlitzanordnung besteht aus zwei besonderen Durchgängen 78 und 80, die an ihren Unterseiten offen mit dem Kanal 1? in Verbindung sind. Die Achsen der Durchgänge 78, 80 sind in einer gemeinsamen Ebene 82 divergierend voneinander angeordnet, die unter einem Winkel zur Achse des Kanals 12 abgesetzt ist. Der Einlaß zu den Entlastungsdurchgängen liegt wenig oberhalb des Kanals 12, und zwar unmittelbar angrenzend an den oberen Teil der Führung 22, wo etwa vorher die scharfe Umlenkung erfolgte. Dank der durch die Entlastungsdurchgänge erzielten Ausschaltung der Umlenkung ist das Strömungsbild mehr laminar, wie das Fig. 7 zeigt. Durch diese Ausbildung des Ventils wird mittels der Entlastungsdur chgäftge ein direkterer -oder verkürzter Weg für das Strömungsmittel geschaffen, wenn es in den Ventilhohlraum eintritt oder in diesem aufsteigt und seine stromab gerichtete Bahn zum Auslaß 16 hin einzuschlagen beginnt. Da das Strömungsbild direkter sowie gerader und weniger schräg ist sowie die bisherige Ab- uder -Versetzung nicht aufweist, kann ein größerer prozentualer Anteil des Strömungsmittels in die obere Hälfte des stromab liegenden Kanals eintreten, was zu einer allmählicheren, ausgemittelten

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Umlenkung führt, so daß die Verteilung- des Strömunprsmittels wesentlich verbessert und der Druckabfall an dieser Stelle vermindert wird.

Zur ^ic-herstellung des höchsten Nutzens der Hilfsentlastungsdurchffänge 78, 80 wird noch ein Rinekanal 84 vonjwechselnder Weite vorgesehen, der sich rund um denjobersten Außenumfang der Führung 22 zieht. Der Ringkanal 84 wird von dem Bereich gebildet, der zwischen der exzentrischen Innenwandfläche 76 oberhalb der konzentrischen Wandfläche 74 des Vn^etilgehäuses 10 und der Außenoberfläche der Führung 22 liegt. Die Wandflächen und die Oberfläche der Führung 22 sind in entsprechend geeigneter Weise ausgebildet, \tfobei letztere tropfenförmig ausläuft, und der Tropfen 86 in der Achse des Kanals 12 verläuft. Der Tropfen 86 dient auch dazu, die Möglichkeit des Entstehens einer Kavitation zu vermindern und trägt dazu bei, dem Strömungsmittel eine minimale Turbulenz - wenn überhaupt - zu geben. Die Weite des Ringkanals 84 vergrößert sich an dieser Stelle von der stromauf gelegenen Seite her, um die vom Sitz kommende Strömung gleichförmig und wirksam ohne plötzliche Erweiterungen oder scharfe Wechsel-in der Strömungsrichtung zu sammeln. V_On dieser Stelle aus geht die Strömung vom Ringkanal 84 durch die Entlastungsdurchgänge 78, 80. Für Vn^tilgrößen von 2,54 cm (1") und kleiner ist die Anwendung von Entlastungsdurchgängen und einem sich verjüngenden Ringkanal ziemlich unnötig, weshalb diese Teile des Ventils in den Fig. 5 und 6 weggelassen wurden.

Die Wirkungen der geschilderten Ausbildung werden aus dem Diagramm von Fig. 13 deutlich, wonach für ein Membranventil von 5 cm (2") mit einem Hub von 9»5 mm der Strömungskoeffizient Cv bei voller Öffnung auf 60 und darüber anwachsen kann. Das ist mit einem Strömungskoeffizienten Ov von etwa 37 £ür das gleiche Ventil ohne die Hilfsentlastungs-Schlitzanordnung und ohne den Ringkanal zu vergleichen. Zu gleicher Zeit wird eine relativ lineare Drosselkurve aufrechterhalten, so daß das Ventil für Einstell- und Steuersysteme mit Teillastbetrieb verwendet werden kann.

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Durch die -Erfindung wird, bei einem üchräesitz-Membranventil fi'5r hohen Druck und hohe Temperatur eine verbesserte Betriebsweise und eine höhere Lebenserwartung für die Membran erreicht, Durch die erfindunersgemäße Ausbildung der Membran sowie ihres Layers wird die Lebensdauer der Membran im Vergleich zu bekannten Konstruktionen Ranz beträchtlich verlängert. Durch den Aufbau der Membran aus übereinanderliegenden Schichten von ecenau bestimmter Stärke und aus ausgewählt unterschiedlichen Werkstoffen wird im Zusammenhang: mit einer Lagerung:, die, v/enn das Ventil in seiner untersten Stellung ist, die Äbsorbierung von Kompresse onsverlapjerungen der Membran innerhalb der Klemmverbindung ermöglicht, die bisherige Beanspruchung;, die durch Ausbeulen, Knittern, Knicken und/oder Ermüdung hervorgerufen wird, überwunden. Ferner werden noch durch einen Hilfsdurchgang und durch eine Strömungswegerweiterung die Strömun^skoeffizienten derartiger Ventile im Vergleich zu bekannten, dem erleichen Zweck dienenden Ventilen wesentlich verbessert.

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Claims

Patentansprüche

[A J Membranventil mit einem Gehäuse, mit einem in diesem zwischen einem -^in- und einem Auslaß umschlossenen Strömungskanal, in dem ein Ventilsitz angeordnet ist, mit einem mit dem Ventilsitz zusammenarbeitenden, den Strömungskanal öffnenden oder schließenden Ventilteller, mit einem am Gehäuse angebrachten Deckel und einer sich durch eine Bohrung des Deckels erstreckenden Spindel, die den Ventilteller gegenüber dem Sitz hin- und herbewegt, und mit einer zwischen dem Strömungskanal und der Spindel eine Abdichtung aufrechterhaltenden Membran, gekennzeichnet durch einen im Ventilgehäuse (10) zwischen dem Ventilteller (20) und der Spindel (36) angeordneten flexiblen Schichtenstapel (30), von dem einige Schichten (46) eine andere Zusammensetzung haben als andere Schichten (48), und durch eine den Stapel (30) ip, dichter Lage gegenüber dem Gehäuse (10) sichernde Lagerung (52, 54, 56, 58, 59, 60, 62).
2. Membranventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einige der Schichten (46) eine erste und die anderen Schichten (48) eine zweite Zusammensetzung haben.
3. Membranventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ausgewählte, einander benachbarte Schichten zwischen der ersten und zweiten Materialzusammensetzung abwechseln.
4. Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Schichten (46) eine einen beträchtlich höheren Elastizitätsmodul vermittelnde Zusammensetzung haben als die zweiten Schichten (48).
5. Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung ein nachgiebiges Kissen (58) für eine wenigstens teilweise Auflage des Stapels (30) in der Geschlossenstellung des Ventiltellers (20) enthält.

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6. Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lagerung angrenzend an den Außenumfang des Stapels (30) ringförmige, den Stapel in einer Hin- und Herbiegung geklemmt festhaltende Elemente (52, 5²O enthält.
7. Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung einen ersten, flexiblen, ringförmigen Flansch (60), der sich völlig gegen die Oberseite des Stapels (30) in der Offenstellung und teilweise gegen diese Oberseite in der Geschlossenstellung des Ventiltellers (20) anlegt, enthält.
8. Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung einen zweiten, flexiblen, ringförmigen Plansch (62), der sich völlig gegen die Oberseite des Stapels (30) in der Geschlossenstellung und teilweise gegen diese Oberseite in der Offenstellung des Ventiltellers (20) anlegt, enthält.
9. Membranventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Flansch (62) mit dem Spindelkopf (32) einstückig ist und sich ringförmig um diesen erstreckt.
10. Membranventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die oberste Schicht des Stapels (30) eine derart geänderte Fläche aufweist, daß eie Betriebsbeanspruchungen nach einwärts und von ihrem Außenumfang hinweg¹ verteilt.
11. Membranventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenänderung aus einer Mehrzahl von Schlitzen (50) bestehet, die sich im wesentlichen radial erstrecken und gleichförmig fiber die fläche ■ verteilt sind.
12. Membranventil mit einem Gehäuse, mit einem in diesem zwischen einem Ein- und Auslaß umschlossenen Strömungskanal, in dem ein Ventilsitz angeordnet ist, und mit einem mit dem Ventilsitz zusammenarbeitenden, den Strömungskanal öffnenden und schließenden Ventilteller, gekennzeichnet durch Hilfsentlastunesdurchgänge (78, 80) im Gehäuse (10), die eine relativ geradlinige Verbindung für ein um den Ventilteller (20.) zum Auslaß (16) des Strömungskanals (12) fließendes Strömungsmittel herstellen.

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13. Membranventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die HilfsentlasturiKsdurchgänp-e wenigstens zwei mit Abstand zueinander angeordnete, mit dem Ütrömune-skanal (12^ stromab vorn Ventilteller (20) an einer diesem Teller nahegelegenen Stelle im Kanal (12^) kommunizierende Durchlässe (78, 80) enthalten.
14. Membranventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen (82) der Durcheänp:e (78, 80) winklig gegenüber der Achse desjstromab führenden Kanals (12) versetzt sind.
15. Membranventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen (82) der Durchgänge (78, 80) in einer mit Bezug auf die Achse des Stromab führenden Kanals (12) gemeinsamen Ebene liegen, jedoch in bezug zueinander divergieren.
16. Membranventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen (82) der Durchgänge (78, 80) deren Auslaß näher zur Achse des stromab führenden Kanals (12) verlegen als den Einlaß der Durchgänee (78, 80).
17. Membranventil nach einem der A_nSp_rüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß um den stromab liegenden Teil des Ventiltellers (20) ein sich verjüngender und geglätteter -^ingkanal (84) im Strömungskanal (12^ angeordnet ist.
18. Membranventil mit einem Gehäuse, mit einem in diesem zwischen einem Ein- und Auslaß umschlossenen Strömungskanal, in dem ein Ventilsitz angeordnet ist, mit einem mit dem Ventilsitz zusammenarbeitenden, den Strömungskanal öffnenden oder schließenden Ventilteller, mit einem am Gehäuse angebrachten Deck&l und mit einer sich durch eine Bohrungs des Gehäuses erstreckenden Spindel, die den Ventilteller gegenüber dem Sitz hin- und herbewegt, gekennzeichnet durch eine Stopfbuchse (30) zwischen der Spindel (36) und dem Deckel (17), die sowohl eine die Spindel umgebende Dichtunp:spackung (66) festlegt, wie auch eine die Spindelhubkräfte auf den Deckel übertragende Gewindebüchse bildet.

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19. I^viembrnnventil nach Anspruch 1K, dadurch s-ekennzeichnet, daß die Htonfbuchse (²O") rohrföruiip: ausgebildet ist und ein mit dem Deckel (ΛΊ) versohraubüares Außengewinde (64^ wie mich ein mit der Spindel C^6) in l^n-^riff stellendes Innengewinde (7P) hat.

PO. Membranventil nach Anspruch Λ°>, dadurch gekennzeichnet, dnii dns Pulsen- und Tnnengrewinde im wesentlichen die Kleic^e Üteisr haben.

c.

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