DE2640458C3 - Druckreduzierventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft als Labyrinthventile ausgebildete Druckreduzierventile, die eine Strömungsgeichwindigkeitsregelung von unter hohem Druck strömenden Medien, und zwar sowohl Flüssigkeiten als auch Gasen, bewirken, und zwar insbesondere solche Reduzierventile, die eine wesentlich größere gesamte Austrittsfläche aufweisen als die gesamte Eintrittsfläche.

Bei der Einwirkung auf strömende, unter hohem Druck stehende Medien ist es üblich. Blenden zu verwenden, die einen kurzen Kehlen-Abschnitt für hohe Geschwindigkeit aufweisen, um Energieverluste oder hohe Druckverluste zu erzielen. 1st das Medium eine Flüssigkeit und neigt diese dazu, hinter der Blende oder Ventilöffnung zu entspannen, d. h. zu verdampfen oder in gasförmigen Zustand überzugehen, kann sie implosiv kondensieren und zu schädigenden Schockwellen führen, Erosionen verursachen und dergleichen. Auch treten, da die Geschwindigkeit des Mediums im Ventil höher ist als die Geschwindigkeit des Mediums in der Leitung, mehrere störende Reaktionen auf. Das ernsthafteste Problem ist die schnelle Erosion des Ventilsitz-Stopfens durch direktes Aufprallen der flüssigkeit und der darin schwebend vorhandenen ,Ffemdstöffe. Zusätzliche Erosionen entstehen durch Kavitation. Kavitation kann als bei hoher Geschwindigkeit erfolgende Implosion von Brüdendampf gegen Ventilinnenteile und Ventilgehäuse definiert werden.

Zusätzlich zu den schwerem sich durch Erosion ergebenden Problemen bewirkt die erhöhte Geschwind digkeit auch, daß die Strömungschqrakteristika eines Reduzierventils unvorhersehbar und unregelmäßig werden, weil die Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit erheblich die Strahleinschnürungswirbel des Ventils sowie die Medienenthalpien beeinflussen.

Sonstige unerwünschte Probleme, die durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit der Medien im Ventil auftreten, sind starke Geräuschbildung, Materialermüdung und eine mögliche Verschlechterung strömender

ίο Medienstoffe, wie z. B. Polymere.

Die vorstehend genannten sowie noch anderen Nachteile wurden etwas verringert durch neuere Vorrichtungen, die Energieverluste eines strömenden Hochdruckmediums dadurch bewirken, daß sie dieses aufteilen auf eine Vielzahl von Durchgängen und Labyrinthen, in denen schnelle Richtungsänderungen erfolgen.

Diese bekannten Druckreduzierventile weisen einen Drosselscheibenstapel auf, der an seinem Innenumfang eine Vielzahl von konzentrisch angeordneten Eintrittsöffnungen aufweist, die zu den in den Drosselscheiben ausgebildeten Drosselkanälen führen, und der an seinem Außenumfang Austrittsöffnungen von größerem Querschnitt als dem der Eintrittsöffnungen aufweist.

Wo ein größeres Verhältnis von A.ustritts- zu Eintrittsfläche erforderlich ist, um einen vorgegebenen Druckveriust in der Vorrichtung zu erzielen, wird der kreisförmige Austritt entsprechend vei größen, indem der Radius jedes Teils vergrößert wird, um dadurch die Austrittsfläche der Vorrichtungen zu vergrößern. Für hohe Druckminderungen wird dabei die Vorrichtung ziemlich groß, erfördert größere Materialmengen und höhere Kosten. Auch stellt sich beim Durchgang eines Mediums mit hoher Temperatur und hohem Druck durch eine solche Vorrichtung ein erhebliches Absinken der Temperatur zwischen Eintritt und Austritt infolge des Druckverlustes in der Vorrichtung ein. Diese Temperaturdifferenz kann Umfangs-Wärmespannungen durch auf die Hochtemperatur-Eintrittslläche ausgeübte Druckkräfte sowie auf die Niedertemperatur-Austrittsfläche ausgeübte Zugspannungen erzeugen, durch die Teile der Vorrichtung gespalten und verformt werden können. Wenn die Teile des Labyrinthes gespalten oder verformt werden, kann das Labyrinth dadurch kurzgeschlossen werden, was die Funktionstüchtigkeit und Wirksamkeit der Vorrichtung beeinträchtigt. Diese vorstehend genannten Probleme werden besonders akut, wenn ins Freie abgeblasen wird.
Abblasen in die Atmosphäre ist im allgemeinen der geräuschvollste allrr Vorgänge bei einem als Abblasventil dienenden Druckredu/ierventil. Das Problem ist schwer zu behandeln wegen der inhärent höheren Druckverhältnisse, Massenflußraten und des Fehlens der Rohrwand als Dämpfung. Das Geräusch hinter diesen Ventilen ist sehr stark. Wenn es nicht mit dem Rohr beeinflußt oder aufgehalten wird, kann dieses Geräusch zu Schalldruckwerten von 150 bis 17OdB einen Meter vom Abblaseaustritt entfernt führen. Schallquellen dieser Größenordnung sind für das Personal gefährlich und führen häufig zu Beschwerden der Ortsbewohner. Geräusch- und Schalldämpfer können medienbegleitende Geräusche nur bis auf 20—30 dB abschwächen. Daher wurden mit ihnen nur Teilerfolge zur Erreichung der gewünschten GeräUsch-

pegel erzielt Außerdem ist eine typische Behandlung des Sfrömungsweges, d. h, Schalldämpfer, Schalldänv mung, Ünterstützungskonstruktion usw. sehr umständlich und aufwendig. Oft können die Gesamtkosten der

Behandlung des Strömungsweges ein Vielfaches der Kosten des Ventils ausmachen.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese bei den bekannten Konstruktionen von Druckreduzierventilen mit Drosselscheibenstapel auftretenden Schwierigkeiten zu vermeiden und ein kompaktes Druckreduzierventil zu schaffen, das ein großes Verhältnis von Austritts- zu Eintrittsfläche, und das in einer verhältnismäßig kleinen Umhüllung, aufweist, und weniger anfällig für Rißbildung und Verformung durch Wärmespannungen ist als die bisher bekannten Druckreduzierventile.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, die äußere Oberfläche des Scheibenstapels über den ganzen Stapel gebogt ist und die Austrittsöffnungen entlang der gesamten gebogten Oberfläche verteilt sind, so daß die gesamte Austrittsfläche größer ist, als die eines Scheibenstapels mit gleichem Außendurchmesser, jedoch mit kreiszylindrischer Außenfläche.

Durch diese neuartige Ausbildung der Auslrittsseite ergibt sich eine kompaktere Konstruktion, für die weniger Material benötigt wird als für Druckreduzierventile mit Drosselscheibenstapel mit zylindrischer Außenfläche, bei denen die Austrittslläche also ausschließlich eine Funktion des Radius der Außenseite der Drosselscheiben ist. Durch die gebogte Form der äußeren Oberfläche des Scheibenstapels werden auch die Wärmespannungen erheblich verringert.

Eine herstellungsmäßig und auch bezüglich der Montage besonders günstige Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibenstapel folgende Teile umfaßt: Eine erste Scheibe mit einer Anzahl von öffnungen, die darin nach einem ersten vorherbestimmten Muster ausgebildet sind, eine an diese erste Scheibe anstoßende zweite Scheibe mit einer Vielzahl darin nach einem zweiten vorbestimmten Muster so ausgebildeter öffnungen, daß sie die nach dem ersten vorherbestimmten Muster geformten Öffnungen überlappen, um zu ermöglichen, daß das Medium zwischen der erster und der zweiten Scheibe vor- und zurückströmt, während es zwischen dem Eintritt und dem Austritt der Vorrichtung strömt, und daß der Sctieibenstapel außerdem zwei Blindplatten umfaßt, zwischen denen die erste und zweite Scheibe gestapelt sind, um eine Leckage aus der ersten und der zweiten Scheibe zu verhindern.

Es ist bereits (US-PS 38 56 049) bekannt, bei einem Druckreduzierventil anstelle der Öffnungen Vertiefungen vorzusehen. Auch ist es bereits bekannt (US-PS 38 99 001), außer den mit Vertiefungen versehenen Drosselscheiben Blindplaiten vorzusehen, aber dort sind jeweils drei mit Vertiefungen versehene Platten bzw. Lochplatten zwischen den Blindplatten vorgesehen. Daraus sind auch öffnungen anstelle von Vertiefungen bekannt. Die Gesamtheit der erfindungsgemäßen Konstruktion ergibt sich aber aus keiner der beiden genannten Vorveröffentlichungen noch aus deren Kombination.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Druckreduzierventiles, bei dem der Scheiben-Stapel für hohen Energieverlust verwendet ist

F i g. 2 Und 2a Draufsichten einer oberen Scheibe des Stapels der P ig. I₁

F i g. 3 und 3a Draufsichten einer unteren Scheibe des Stapels der Fi gi 1,

Fig.4 eine Draufsicht der oberen Und Unteren Scheibe der Fig.2 und 3, zusammengebaut, um einen mit vielen Windungen versehenen Strömungsweg zu ergeben,
F i g. 5 eine perspektivische Ansicht des Scheibep-Stapels der F i g. 1,

F i g. 6 eine vergrößerte Ansicht des Austrittes des Scheiben-Stapels der F i g. 5,

F i g. 7 eine Draufsicht einer alternativen Scheibe, die zur Bildung des Scheiben-Stapels der F i g. 1 verwendet

ίο werden kann,

F i g. 8 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Form des Scheiben-Stapels,

F i g. 9 eine Draufsicht einer Scheibe des Scheiben-Stapels der F i g. 8.

Die Fig. 1 zeigt ein Dampfreduzierventil für den Austritt einer vorgegebenen Dampf-Menge in die Atmosphäre 12 durch einen Scheibenstapel 14 mit einer Vielzahl von Windungen.

Dampf tritt in das Ventil durch einen Eintritt 16 ein

ίο und strömt in eine Kammer 18, aus der eine vorherbestimmte Menge des Dampfes durch den Scheibenstapel 14 über einen bewe -;chen Stopfen 20 austreten kann. Der Ventii-Stopfen 20 ist beweglich zwischen einer ersten Stellung, in der der Dampf

>5 vollständig gehindert wird, in den Scheibenstapel 14 einzutreten, indem der Stopfen alle Eintritte 22 des Scheibe istapels 14 absperrt, und einer zweiten Stellung, in der alle Eintritte 22 dadurch geöffnet sind, daß der Stopfen sich nach oben in einem Raum 24 bewegt, der

in durch ein oberes Gehäuse 26 des Ventils gebildet wird. Der Stopfen 20 wird durch eine Verbi.idungsstange 28 bewegt, die mit einer (nicht dargestellten) Betätigungsvorrichtung verbunden ist, die in bekannter Weise auf Steuersignale des Systems anspricht. Um die durch die

3i Betätigungsvorrichtung auszuübende Kraft zu verringern, die zur Bewegung des Stopfens zwischen den Stellungen erforderlich ist, wird der Dampfdruck im Stopfen 20 dadurch ausgeglichen, daß zwei Durchgänge 30 in Längsrichtung durch den Stopfen 20 führen, um

.to eine kommunizierende Verbindung zwische" der Kammer 18 und dem Raum 24 herzustellen.

Der Scheiben-Stapel 14 umfaßt eine Reihe einzelner Scheiben 32, die, bezogen auf den Stopfen 20. ausgerichtet und durch Zugstangen 34 zwischen einer unteren Befestigungsplatte 36 und einer oberen Befestigungsplatte 38 zusammengeklemmt sind. Ein den Umfang des Scheibenstapels 14 umgebendes Lenkblech 40 geht in einem Winkel von der unteren Befestigungsplatte 36 aus und führt den aus den Austritten 42 der Stapelvorrichtung austretenden Dampf sicher nach oben ins Freie ab. Der Scheibenstapel 14 schafft ein Labyrinth mit Vielfachwindungen für den Dampf, der von den Eintritten 22 zu den Austritten 42 über verschiedenartig geformte Scheiben 32 strömt, wie es weit"; unten beschrieben wird. Die Bewältigung dieser Windungen verursacht einen erheblichen Druckverlust beim Dampf sowi' ein Absinken der Temperatur. Um die Auswirkungen dieser Ternperaturdifierenz zwischen den Eintritten 22 und den Austritten 42 zu verringern, sind die Scheiben 32 so ausgebildet, daß sie eine gebogte oder blütenblattformige Austrittsfläche aufweisen, wie am besten aus der F i g- 2a ersichtlich wird.

Aus den Fig.2, 3 und 4 geht hervor, daß der Scheibenstapel 14 so gebildet werden kann, daß eine obere Lochplatte 44, die vorherbestimmte Löcher 46 aufweist, auf eine untere Lochplatte 48 gestapelt wird, welche Löcher 50 aufweist, die teilweise die einzelnen Löcher 46 überlappen, wie es in Fig.4 dargestellt ist.

Wenn massive, nicht gelochte Platten 52 auf die obere Platte 44 und an der Unterseite der Platte 48 eingebaut werden, wird die Dampfströmung so eingeengt, daß sie zwischen den Platten 44 und 48 verläuft. Die Strömung fließt entlang einem Eintrittsloch 51 der Platte 44 abwärts zu einem Loch 54 der Platte 48 und zurück durch das Loch 56 bis zur Platte 44. Diese alternative Strömung zwischen angrenzenden Löchern der Platten 44 und 48 dauert an, bis ein teilendes Loch 58 auf der Platte 44 erreicht ist. Die gleiche sich vielfach windende Strömung zwischen den Platten 44 und 48 wird dann entlang einer Reihe von Wegen fortgesetzt, die durch die überlappenden Löcher 60 auf den Platten 44 und 48 definiert sind.

Die Strömungswege, die durch die Löcher 60 bestimmt werden, enden in weiteren aufteilenden Löchern 62, die in der Platte 44 ausgebildet sind, und die wiederum die Dampfströmung in weitere Wege unterteilen, die durch die überlappenden Löcher 46 und 50 in den Platten 44 bzw. 48 ausgebildet sind. Die linear ausgerichteten Löcher sind so ausgebildet, daß sie mit einer sich vergrößernden Querschnittsfläche zu den Austritten 42 hin verlaufen, um für die Dampfströmung kammern für eine allmähliche Entspannung zu bilden. Wie bereits erwähnt, ist jede Scheibe 52,44 und 48 in der gleichen Weise eingekerbt oder gebogt wie in der Fläche 64 (F i g. 4), um eine größere Austrittsfläche für die Dampfströmung zu schaffen als sie bei einer kreisförmigen Austrittsfläche entstehen würde, die rund um die äußersten Punkte der Kerben oder Bögen umschrieben wäre. Das ermöglicht Materialeinsparungen bei der Herstellung von Scheiben, für die ein vorgegebener Druckverlust benötigt wird, wie er durch das Verhältnis von Eintrittsfläche zu Austrittsfläche bestimmt ist. Die kompaktere Ausführung bewirkt auch eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in den Scheiben 52, 44 und 48 und trägt dazu bei. eine Verformung der Scheiben zu verhindern, die die vorgegebenen, mehrfach gewundenen, durch die überlappenden Löcher gebildeten Wege »kurzschließen« würde.

Wie die F i g. 5 und 6 zeigt, bilden die Platten 52, 44

UtIU to Cmc vici-t tauv.ii-v_» ι υμτρν. υν, tun vit.iiv.ti v.iitv.

beliebige Anzahl gestapelt werden kann, um den Scheibenstapel 14 zu bilden. Wenn derartige Vier-Platten-Gruppen gestapelt werden, können die massiven Platten 52, die im Inneren des Scheibenstapels 14 angeordnet sind, so ausgeführt werden, daß sie nicht nur die unteren Platten 48 abdichten, sondern auch die oberen Platten 44 der nächstgelegenen Vier-Platten-Gruppen 66.

Aus F i g. 7 gehi hervor, daß alternativ der Scheibenstapel 14 aus nicht gelochten Scheiben 68 gebildet werden kann, die eine glatte, nicht gelochte (nicht dargestellte) Unterseite haben und eine gegenüberliegende Seite 70, auf der eine Anzahl radial verlaufender Zaunstrukturen 72 ausgebildet sind, die von der Fläche 70 empor ragen. Jede Zaüfistfuktur 72 weist eine Anzahl im Absland voneinander angeordneter Unterteiler 74 auf, die sich überlappen, um einen vielfach gewundenen Weg 76 für die Dampfströmung zwischen benachbarten Zaunslrukturen 72 zu bilden. Die Windungen werden in der Ebene der Scheibenseite 70 bewältigt. Um den Scheibenstapel 14 aus nicht gelochten Scheiben 68 zu bilden, werden diese Scheiben 68 so gestapelt, daD die untere flache Seite einer Scheibe 68 auf den Zaun- und UnterieilerStrukturen 72 und 74 der angrenzenden Scheibe 68 aufliegt, um damit die Wege 76 gegeneinander abzudichten. Die oberste Scheibe kann entweder durch die flache Scheibe 52 abgedichtet werden oder dadurch, daß man sie gegen eine der in Fig. 1 dargestellten Ventilplatten aufliegen läßt. Der Austritt

erfolgt klar entlang der gesamten gebogten Austnllsl'iäche. wodurch eine kompaktere Vorrichtung gegeben ist. die weniger kostet und weniger anfällig gegenüber temperaturverursachten Problemen ist. Es versteht sich auch, daß die dargestellte Zaunstruktur 72, 74 auch entsprechend den in Fig. 2 —5 des US-Patentes 35 14 074 dargestellten Mustern oder nach den Lehren und Mustern der Fig. 2-7 des US-Patentes 35 13 864 ausgebildet werden könnte, indem man diese Muster an der erivndungsgemäßen ausgebogten Scheibenform einbaut.

Die Fig.8 und 9 zeigen eine alternative Scheibenform, mit der. wie festgestellt wurde. Wärmespannungsprobleme in Scheibenstapeln wirksam beseitigt werden. Eine Scheibe 78 ist so ausgebildet, daß sie eine Anzahl von Einkerbungen 80 aufweist, die in kreisförmigen Flächen 82 enden. Eine Anzahl von Zaunstrukturen 84 mit Unterteilern 86 ist auf einer Seite der Scheibe 78 ähnlich wie in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 ausgebildet. Die Einkerbungen 80 und die kreisförmigen Flächen 82 weisen eine Wand 88 auf, die verhindert, daß der Dampf durch sie hindurch austritt. Jedoch könnten Teile der Wände 88 oder alle Wände 88 leicht entfallen.

Scheibe 78 zu erzielen.
Die Scheiben 78 werden in einem Scheibenstapel 90

gestapelt; indem man die flache Oberfläche einer

Scheibe 78 gegen die Zaun- und Aufteiler- 84, 86-Seite

der angrenzenden Scheibe 78 anordnet.

Die oberste Scheibe 78 kann dann abgedichtet so werden, indem man ihre Zaunstruktur 84 gegen eine der

in F i g. 1 gezeigten Ventilplatten 36 bzw. 38 anordnet.

um eine kompaktere Ausführung des Dampfausmtts-

ventils 10 zu erhalten.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Druckreduzierventil mit hohem Energieverlust mit einem Drosselscheibenstapel, der an seinem Innenumfang eine Vielzahl von konzentrisch angeordneten Eintrittsöffnungen aufweist, die zu den in den Drosselscheiben ausgebildeten Drosselkanälen führen, und der an seinem Außenumfang Austrittsöffnungen von größerem Querschnitt als dem der Eintrittsöffnungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche (64) des Scheibenstapels (14) über den ganzen Stapel gebogt ist und die Austrittsöffnungen (42) entlang der gesamten gebogten Oberfläche (64) verteilt sind, so daß die gesamte Austrittsfläche größer ist, als die eines Scheibenstapels mit gleichem Außendurchmesser, jedoch mit kreiszylindrischer Außenfläche.

Z Druckreduzierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibenstapel (14) umfaßt: eine erste Scheibe (44) mit einer Anzahl von Öffnungen (46), die darin nach einem ersten vorherbestimmten Muster ausgebildet sind, eine an diese erste Scheibe anstoßende zweite Scheibe (48) mit einer Vielzahl darin nach einem zweiten vorherbestimmten Muster so ausgebildeter Öffnungen (50), daß sie die nach dem ersten vorherbestimmten Muster geformten Öffnungen überlappen, um zu ermöglichen, daß das Niedium zwischen der ersten und der zweiten Scheibe vor- und zurückströmt, während es zwischen dem Eintritt (22) und dem Austritt (42) der Vorrichtung strömt, und daß der Scheibenstapel außerdem zwei Blindplatten (52) umfaßt, zwisu.nen denen die erste und zweite Scheibe gestapelt sind, um eine Lecka £ aus der ersten und der zweiten Scheibe zu verhindern.