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Absperrventil, insbesondere Hochdruckabsperrventil
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Die Erfindung betrifft ein Absperrventil, insbesondere Hochdruckabsperrventil,
mit einer von einem Handrad od.
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dgl. betätigbaren Gewindespindel, die auf einen Verschlußkörper wirkt,
der als im Ventilgehäuse verschiebbarer ringförmig eingeschnürter Ventilkolben ausgebildet
ist.
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Sowohl bei einem Spindelventil mit eingeschnürtem Ventilkolben als
auch bei Spindelventilen mit einem Absperrkegel ergibt sich das Problem erschwerter
Öffnung bzw. Schließung, was übermäßigen Kraft- und Zeitaufwand zur Folge hat. Dies
ist darauf zurückzuführen, daß bei allen herkömmlichen und bekannten handbetätigten
Absperrventilen die Gewindespindel unmittelbar mit dem Verschlußkörper verbunden
ist und zu diesem Zweck in das Ventilgehäuse hineinragt. Der Spindeldurchtritt durch
den Gehäusedeckel ist mittels Stopfbuchse, mit Dichtungsringen oder Packungsschnur
abgedichtet. Da Hochdruckventile normalerweise bis zu ND 400 und auch höher eingesetzt
werden, muß die Abdichtung des Spindeldurchganges für ein Delta p von 100 % (Ventilinnendruck
zu Normalatmosphäre) ausgelegt werden. Dadurch entstehen bei Drehung der Gewindespindel
zum Zwecke der axialen Verstellung des Verschlußkörpers innerhalb des Gehäuses sehr
hohe Reibungskräfte. Eine weitere Erschwernis beim Verdrehen der Gewindespindel
beruht darauf, daß der bei geschlossenem Ventil auf dem Verschlußkörper lastende
Druck des Mediums zwar die Abdichtungskräfte unterstützt, die durch die Gewinde-
spindel
auf den Verschlußkörper übertragen werden, daß Jedoch das Ventil sich gegen den
Druck nicht mehr ohne besondere Maßnahme öffnen läßt. Entsprechend muß beim Schließen
des Ventils gegen den im System herrschenden Druck gearbeitet werden, was bei einem
Hand ventil großen menschlichen Kraftaufwand erfordert und ungünst$çnfalls sogar
ein Abreißen der Spindel zur Folge haben kann.
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Bei einem bekannten Hochdnzkabsperrventil mit in das Gehäuse eingef'iihrter
abgedichteter Gewindespindel haben sich in der Praxis folgende Werte ergeben: Bei
einem Druck von 220 bar dauert das Öffnen etwa 40 Sekunden und das Schließen etwa
100 Sekunden und selbst in drucklosem Zustand benötigt man für das Öffnen und Schließen
etwa je 20 Sekunden. Zur Erleichterung der Spindeldrehung werden kugelgelagerte
Spindelantriebe verwendet, die Jedoch bei hohen Drücken über mehreren 1000 kp die
in sie gesetzten Erwartungen nicht erfüllen.
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Bei Hochdrücken wird im übrigen mit einem Umführungsventil oder Vorhubkegeln
bzw. Entlastungskolben gearbeitet. Dabei wird der Zylinderraum zur drucklosen Seite
vorentlastet, so daß die entlastete Spindel sich leichter drehen läßt. Die Konstruktion
ist aufwendig und löst das in der Industrie bestehende Bedürfnis nach einem Hochdruckabsperrventil,
das sich sowohl leicht als auch schnell öffen und schließen läßt und absolut dicht
ist, nicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Handabsperrventil für
hohe Drücke zu schaffen, das sich mit geringstem Kraftaufwand von Hand schnell öffnen
und schließen läßt und auch bei Auslegung in größeren Nenn-
weiten
und bei Einsatz unter höheren Drücken keinerlei kraft- und zeitaufwendige Zusatzkonstruktionen
benötigt.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß durch das Ventilgehäuse eine
Spindelstange abgedichtet hindurchgeführt ist, deren inneres Ende mit dem Ventilkolben
fest verbunden ist und deren äußeres Ende mit der außerhalb des Ventilgehäuses endenden
Gewindespindel zusammenwirkt und daß zwischen dem Haupteinlaß des Ventilgehäuses
für das zu regelnde Medium und dem Gehäuseraum über dem Ventilkolben ein Vorsteuerungsventil
ehgeschaltet ist.
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Mit einem solchen Hochdruckabsperrventil wird erreicht, daß der innerhalb
des Ventilgehäuses herrschende Druck für die Öffnung und Schließung der Armatur
ausgenutzt wird und die handbetätigte zweiteilige Spindel im wesentlichen nur noch
als lösbare Zuhaltung wirksam ist, die den hydraulisch geschlossenen Ventilkolben
mechanisch auf den Ventilsitz preßt bzw. zur Abhebung von diesem freigibt. Der für
das Öffnen und Schließen des Ventils erforderliche Kraftaufwand ist sehr gering,
weil die Gewindespindel nicht unter dem im Ventilgehäuse herrschenden Druck steht
und als von Druckbelastung freier Teil leicht drehbar ist. Zusätzlich zu dem Vorteil
erleichterter manueller Bedienung wird mit dem Ventil eine Verkürzung der Betätigungszeiten
beim £5offen und Schließen der Armatur auf zwei bis drei Sekunden erzielt. Das Absperrventil
ist durch die mechanische Verriegelung auch bei hohen Drücken absolut dicht und
langJährig funktionstüchtig. Es läßt sich preiswert herstellen, weil eine hochdruck-
sichere
Abdichtung des Durchtritts der Spindelstange sich bereits mittels einen einfachen
Dichtringes erzielen läßt und kompliziertere Stopfbuchsen u.dgl.
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nicht benötigt werden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Spindelstange
keine Verstellkräfte auf den Verschlußkörper übertragen muß, sondern sich lediglich
mit diesem bei seiner hydraulischen Verstellung mitbewegt, so daß sie keine längere
abzudichtende Führung in der Gehäusewand benötigt. Im übrigen kann die Spindelstange
aus dem gleichen Grunde einen geringeren Durchmesser als die Gewindespindel autweisen
und entsprechend klein und einfacher abdichtbar ist der Durchtritt im Ventilgehäuse.
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Das Vorsteuerungsventil kann als manuell, elektrisch oder pneumatisch
gesteuertes 3/2-Wegeventil ausgebildet sein.
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Das innere Ende der Spindelstange ist vorteilhaft in eine zentrale
Gewinde bohrung im Kopfstück des Ventilkolbens eingeschraubt, während das äußere
Ende der Spindelstange in eine Axialöffnung in dem freien Ende der QNindespindel
lose hineinragt. Die Axialöffnung der Gewindespindel kann als zylindrische Sackbohrung
ausgebildet und wenigstens das in die Sackbohrung hineinragende äußere Ende der
Spindelstange entsprechend zylindrisch gestaltet sein. Vorteilhaft ist dieses äußere
Ende der Spindelstange mit einer abgerundeten Stirnflächeversehen, die auf einer
in der Sackbohrung frei beweglichen Kugel gelagert ist. Auf diese Weise wird durch
die punktförmige Berührung zwischen Kugel und Spindelstangenende eine sehr geringe
Reibung zwi-
schen Spindelstange und Gewindespindel erzielt, wenn
die Gewindespindel mittels des Handrades gedreht wird, um den in Schließstellung
befindlichen Verschlußkörper sichernd gegen seinen Sitz zu pressen.
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Die Spindelstange kann in der Sackbohrung mittels eines quergerichteten
Bolzens sicherbar sein. Diese kraftschlüssige Verbindung ist dann erforderlich,
wenn das System, in das das Absperrventil eingebaut ist, z.B.
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wegen Reparaturarbeiten drucklos ist und eine Verstellung des Verschlußkörpers
von Hand gewünscht wird.
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Die ringförmige Einschnürung des als Verschlußkörper dienenden Ventilkolbens
kann an beiden Enden von Je einer zur Ventilkolben-Längsachse im wesentlichen senkrecht
gerichteten ebenen Ringfläche begrenzt sein, und es können die beiden Ringflächen
zueinander unterschiedliche radiale Breite aufweisen. Dabei ist die Ringfläche größerer
radialer Breite an dem Kopfstück des Ventilkolbens ausgebildet und wirkt mit dem
Ventilsitz des Gehäuses zusammen. Die beiden Differenzringflächen und die Stirnfläche
des Kopfstückes des Ventilkolbens werden von dem von dem Vorsteuerungsventil geregelten
Druckmedium beaufschlagt, unter dessen Einfluß die Verstellung des Verschlußkörpers
in Öffnung oder Schließstellung erfolgt.
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Die radiale Breite der Ringflächen entspricht im wesentlichen dem
Durchmesser des sie aufweisenden Ventilstückes. Der Innenraum des Ventilgehäuses
ist zur Anpassung an die Durchmesser der beiden Ventilkolbenstücke stufenartig abgesetzt.
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Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung schematisch veranschaulichten
Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein IIochdruckabsperrventil
in geschlossener Stellung im Längsschnitt und Fig. 2 das liochdruckabsperrventil
nach Fig. 1 in geöffnete Stellung ebenfalls im Längsschnitt.
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Das ilochdruckabsperrventil besteht im wesentlichen aus einem Ventilgehäuse
1, in dem ein ringförmig eingeschnürter Ventilkolben 2 als Verschlußkörper bewegbar
ist, einer mit dem Ventilkolben fest verbundenen Spindelstange 5 und einer mit dieser
lose zusammengreifenden Gewindespindel 4,an deren oberem Ende ein Handrad 5 oder
eine beliebige andere Handhabe befestigt ist.
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Die Gewindespindel 4 ist durch eine Gewindebuchse 6 in einem bügelartigen
Ventilaufsatz 7 des Ventilgehäuses 1 axial verstellbar gelagert. Sie endet außerhalb
des Ventilgehäuses 1 und weist an ihrem unteren Ende eine Öffnung, z.B. eine Sackbohrung
8 auf, in deren Grund eine Kugel 9 gelagert ist, die durch geeignete Mittel, z.B.
einen Ring 10, gehalten ist und als Lagerstelle für das nach außen abgerundete Ende
der Spindelstange 5 dient. Sowohl die Gewindespindel 4 als auch die Spindelstarige
5 können von miteinander fluchtenden Bohrungen 11, 12 durchsetzt sein, durch die
ein nicht-gezeichneter Bolzen hindurchsteckbar ist, der in einem Ausnahmefall eine
kraftschlüssige Verbindung zwischen Gewindestange 5 und Gewindespindel 4 herstellt.
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Der Ventilkolben 2 ist in drei Abschnitte aufgeteilt, und zwar ein
Kopfstück 2a, eine ringförmige Einschnürung 2b und ein Endstück 2c. Das Kopfstück
2a hat einen größeren Durchmesser als das Endstück 2c und dementsprechend ist seine
untere Ringfläche F2 breiter als die Ringfläche F1 des Endstückes 2c. In die obere
Stirnfläche F5 des Kopfstückes 2a ist das mit Gewinde versehene Ende der Spindelstange
5 eingeschraubt. Der Durchmesser der Spindelstange 5 ist kleiner als derJenige der
Gewindespindel 4. Die Spindelstange 5 tritt durch eine Öffnung in der oberen Wand
des Gehäuses 1 hindurch und ist mittels eines Dichtringes 13, der von einer Buchse
14 gehalten ist, abgedichtet.
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In dem Ventilgehäuse 1 sind zwei weitere Buchsen 15 und 16 vorgesehen,
die die dem Durchmesser des Kopfstückes 2a und des Endstückes 2c angepaßten Zylinderräume
definieren. In den Buchsen sind an geeigneten Stellen Dichtringe vorgesehen. Ein
weiterer Einsatz im Gehäuseinnenra4m bildet die Sitzfläche 20, die mit der Ringfläche
F2 zusammenwirkt.
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Das Ventilgehäuse weist eine Einlaßöffnung 17 zum Anschluß einer Hauptdruckleitung
18 sowie eine Auslaßöffnung 19 auf. Die Öffnungen 17 und 19 werden durch die Verschiebung
des Ventilkörpers 2 geöffnet oder geschlossen, d.h. es wird der Durchstrom von der
Öffnung 17 zu der Öffnung 19 von dem Kopfstück 2a freigegeben oder durch Zusammenwirken
der Sitzfläche 20 mit der Ringfläche F2 abgesperrt.
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Außerdem ist in dem Gehäuse 1 eine Bohrung 21 ausgebil-
det,
die in den Cehäuseraum über der Stirnfläche F5 des Kopfstückes 2a mündet und an
die eine Leitung 22 angeschlossen ist. In diese Leitung 22 ist ein manuell, elektrisch
oder pneumatisch steuerbares Vorsteuerungsventil 23 eingeschaltet, das zweckmäßig
ein 3/2-Wegeventil ist. Die Leitung 22 steht mit der Hauptdruckleitung 18 über eine
Steuerwasserleitung 24 in Verbindung.
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Bei dem Vorsteuerungsventil 23 steht R für Rücklauf; P für Druck und
A für Anschluß.
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Die Funktion des handbetätigbaren Hochdruckabsperrventils, das insbesondere
für die Industrie geeignet ist, und bei dem sowohl das Öffnen als auch das Schließen
mit geringstem Kraftaufwand innerhalb weniger Sekunden möglich ist, wird nacbfolgeid
beschrieben.
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einer das D/2-Wegeventil 25 wird die Kolbenfläche F5 des Ventilkolbens
2 mit dem Systemdruck beaufschlagt. Da die Fläche F5 größer ist als die Ringfläche
F2 ./. F1 wird der Ventilkolben 2 hydraulisch auf den Ventilsitz 20 gedrückt. Die
Sndelstange 5, die aus dem Ventilgehäuse 1 nach außen gegen die Gewindespindel 4
ragt, macht die Kolbenbewegung mit.
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Die Gewindespindel 4 wird nun mittels des Handrades 5 nach unten gedreht,
bis sie gegen das abgerundete Ende der Spindelstange 5 drückt und damit der Ventilkolben
2 mechanisch gegen den Ventilsitz 20 angepreßt wird. Der hydraulisch in Schließstellung
gebrachte Ventilkolben 2 wird also mittels der Gewindespindel 4 zuhaltend arretiert.
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Um das Absperrventil zu öffnen, wird das Vorsteuerungsventil 23 geöffnet,
damit der auf der Fläche F3 lastende hydraulische Druck langsam abbauen kann. Danach
wird die Gewindespindel 4 nach oben gedreht.
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I)a die Kolbenüläche IÖ nicht mehr mit Druck beaufschlagt und die
Fläche F2 größer als die Fläche F1 ist, wird nunmehr der Ventilkolben 2 angehoben,
d.h. der Ventilkolben 2 löst sich von dem Ventilsitz 20. Somit kann durch die TTauptdruckleitung
18 das Medium strömen.
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Drosselstellungen können dadurch eingestellt werden, daß die Gewindespindel
4 nur einen Tellweg zurückgedreht wird und die abgerundete Kuppe der Spindelstange
5 an die Gegenfläche der Gewindespindel, d.h. an die Kugel 9 anlegt.
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Muß das Absperrventil 1 bei drucklosem System geöffnet werden, z.B.
bei Reparaturen, wobei die normalerweise auf die Fläche F2 wirkende hydraulische
Kraft fehlt, wird mittels des erwähnten durch die Bohrungen 11 und 12 hindurchgesteckten
Bolzens eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Gewindespindel 4 und der Spindelstange
5 hergestellt. Dadurch entsteht eine reine Handbetätigung für den Öffnung und Schließvorgang
des Absperrventils. Dies ist jedoch ein Ausnahmezustand. Im allgemeinen besteht
zwischen der Gewindespindel 4 und der Spindelstange 3 keine kraftschlüssige Verbindung,
sondern die Spindelstange 5 kann sich bei Verstellung des Ventilkolbens 2 von der
Gewindespindel 4 unabhängig bewegen und hierauf beruht das Ergebnis der leichten
und schnellen Drehbarkeit der selbsthemmenden Gewindespindel 4.
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L e e r s e i t e