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Hydraulisch betätigtes Ventil
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Die Erfindung betrifft ein hydraulisch betätigtes Ventil mit eine
in eine Gehäuse angeordneten Ventilglied, auf das ein Kolben und eine Feder einwirken.
Sie hat sich das Ziel gesetzt, die Betätigung in bezug auf die denkbaren Kräfte
und die Sicherheit der Wirkungsweise zu verbessern. Dies ist besonders wichtig bei
den großen Ventilen, wie sie in Frischdampfleitungen von Kernreaktoren benötigt
werden, wo wegen der relativ geringen Dampftemperaturen und der großen Kraitverksleistungen
sehr große Massenströme zu bewältigen sind.
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Bei diesen Massenströaen besteht eine erhebliche Gefahr von Schwingungen
des Ventilgliedes in Gehäuse, so daß dieses in Offenstellung sehr zuverlässig mit
dem GeMuse vorspannt werden muß. Dies kann durch eine Ventilstange erfolgen, die
mit dei Kolben verbunden ist.
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Während bei bekannten hydraulisch betätigten Ventilen, die zur Beispiel
für die Steuerung von Verkzeugmaschinen eingesetzt werden, die Feder als Antriebsmittel
für die Gegenbewiegung zu der des einsinnig wirkenden Kolbens eingesetzt wird, ist
erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Feder nur einen kleinen Teil des Ventilhubes
als wirksamen Weg aufweist und so engeordnet ist, daß der Kolben Uber die Feder
aui das Ventil glied wirkt.
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Bei de neuen Ventil verringert die Feder einmal die zwischen
dem
Kolben und dem beweglichen Ventilglied bei Differenzwärmedehnungen auftretenden
Schwankungen der Zugkraft. Andererseits ist sie in der einen Endstellung des Ventilgliedes
in der Lage, Druckschwenkungen in der Hydraulik aurzugleichen. Dies ist besonders
dort wichtig, wenn die hydraulische Betätigung zusätzlich zu einer Betätigungseinrichtung
vorgesehen ist, die in an sich bekannter Weise das dadurch das Ventil gesteuerte
Medium als Antriebsmittel ausweist. Solche Ventile sind zum Beispiel in der deutschen
Offenlegungsschrift 25 19 346 angegeben.
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Für den letztpenannten Fall ist es vorteilhaft, wenn dem Kolben ein
Auslaßquerschnitt zugeordnet ist, der 1/20 bis 1/5 der Kolbenfläche beträgt und
durch druckbegrenzende, normalerweise federbelastete Überströmventile verschlossen
ist. Hierdurch wird nämlich erreicht, daß die hydraulische Betätigungseinrichtung
den Bewegungen infolge der Wirkung des vom Ventil gesteuerte@ Mediums auch danii
nur eiriii begrenzten Widerstand entgegensetzt, wenn diese Bewegung insbesondere
im Schließsinn sehr schnell erfolgt.
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Bescinders gunstig ist es, wenn :iz dein Kolben zugeordneter Zylinder
außerhalb des Gehäuses angeordnet und an diesem über die Feder abgestützt ist. Dabei
kann die Feder außerhalb des Gehäuses angeordnet und mit Endschaltern zur Stellungsmeldung
verschen sein. Mit Hilfe der Stellungsmeluung kann die Feder].age und damit die
Kraft überwacht werden. so daß gegebenenfalls zusätzlich zu einer Drucküberwachung
des Hydraulikmittels eine redundante Messung der Stangenkraft und damit eine vergrößerte
Sicherheit gegen Schwingungen gegeben ist.
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Der Kolben kann vorteilhaft Ein Ringkolben sein, der eine mit dem
Ventilglied verbundene Stange umgiht, weil man daraus eine raumsparende Bauweise
für den Fall einer zusätzlichen, gege benenfalls nachträglich anbaubaren Einheit
erhält. Die Stange kann auf dem Kolben in Öffnungsrichtung des Ventils lesbar
aufsitzen.
Dies ist für deri schon erwä@nten Fäll der Bettitigung durch ein weiteres Antriebsmittel
vorteilhaft, weil dann in der einen Richtung keine zusätzlichen Kräfte von dem iach
der Erfindung vorgesehenen Kolben ausg@ü@t werden. Im Pr@nzip ist es aber auch denkbar,
daß die lösbare Anordung für die Schließrichtung des Ventils gilt. Ferner kann man
eine in Gegenrichtung zu der lösbaren Verbindung wirkende Sollbruchstelle vorsehen,
wie anhand e.in es Ausführungsbeispiels spnter noch erläutert wird.
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Der Zylinder für den bei der Erfindung vorgesehenen Kolben kann mit
einem ihn umgebenden Vorratsbehälter Für die Hydraulikflüssigkeit baulich vereinigt
sein. Mat behötigt dann keine Ölführenden Leitungen und kann damit auch zugehörtige
Steuerventile und gegebenenfalls eine Pumpe für die Hydraulikflüssigkeit in kompakter
Anordung zusammenla@@ Dies erleich tert die Montage am Einsatzort am Einsatzort
und ver.ingert die Geinhr eines Ölbrandes.
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Das Ein- und Ausschalten der Pumpe kann vor einem Druckschalter aus
gesteuert werden. Wenn am Ende des @oibenhubes der Druck ansteigt und das Ausschaltsignal
für die Pumpe kommt, kann es vorteilhaften sein, die Pumpe unter Zenilfenanme eines
Zeitrelais noch einige Sekubden weiterlaufen zu lassen. Sie fördert dann Öl Über
das üblicherweise vorhandene druckbegrenzende Überströmventil zurück in den Vorratsbehälter.
Dies ist besonders gi'instig, wenn die Überströmleitung von einem hochgelegenen
Punkt des Zylinderra@ms ausgeht. Dann ergibt sich nämlich eine automatische, @@@er
wiederkehrende Entlüftung des Hydrauliksystems.
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Die Antriebseinrichtung kann einschließlich der Feder am Gehäuse in
einer Leckölsammelwanne sitzen. Damit vermeidet man bei Dichtungsproblemen, daß
die Hydraulikflüssigkeit das Ventil verschmutzt oder gar daran entzilndet wird,
denn wenn das Ventilglied längere Zeit in der Ends-teilung verharrt, ist zu erwarten,
daß der Druck infolge von Leckagen langsam absinkt
trotz der Speicherwirkung
der Feder. Beim Unterschreiten des vorgegebenen Grenzdruckschalters setzt die Pumpe
dann wieder ein und die Feder wird stärker gespannt. Hierbei bewegt sich die Kolbendichtung,
so daß die Gefahr des Festbackens wegen zu langer Ruhezeit; verhindert wird.
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Zur näheren Erläuterung dei Erfindung wird anhand der beiliegenden
Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben, das maßstäblich dargestellt ist und
zwar in Fig. 1 als Seitenansicht eines Ventils mit der Antriebseinrichtung im ganzen
und in Fig. 2 in vielfach größeres ;lal3stab @ einem Schnitt durch die Antriebseinrichtung.
Fig. 3 zeigt schematisiert ein weiteres Ausführungsbeispiel.
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Das Ventil 1 mit seinem Ventflgehäuse 2 und dem beweglichen Ventilglied
3, das in der Figur auf dem Ventilsitz 4 aufsitzt, ist ein Absperrventil in einer
Frischdampfleitung 5 für einen Druckwassereaktor und hat eine Nennweite von 700
mm. Das Ven-'iiglled 3 wird im Normalfall lurch den in der Frischdampfleitung vorhandenen
Dampf mit einen, Druck ron 70 bar betätigt.
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Zu diesem Zweck sind an einem Deckel 6 des Ventilgehäuses 2 magnetisch
betätighare Entlüftungsventile 7 und 8 angebracht.
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Einzelheiten der Betätigung sind in der deutschen Offenlegungsschrift
25 19 346 beschrieben.
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Das bewegliche Ventilglied 3 legt zusammen mit seinem nicht näher
dargestellten dampfbetätigten Kolben 9 etwa 3 t. Es soll in der Öffnungsstellung
zudem mit etwa 3 t gegen einen oberen Sitz gepreßt werden, um ein Vibrieren des
Ventilgliedes in der Dampfströmung zu verhindern. Die hierfür gewUnschte Haltekraft
von 6 t wird mit einer hydraulischen Antriebseinrichtung 10 aufgebracht. Diese greift
an dem Ventilglied 3 über eine Stange 11 an, die dicht durch den Deckel 6 des Ventilgehäuses
2 geführt ist. Die Stange ist von einem Stützrohr 12 umgeben, das die Antriebseinrichtung
10 trägt und Reedkontakte 13 (Reedrelais) zur Stellungsmeldung trägt.
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Die Antriebseinrichtung 10 umfaßt einen Hydraulikzylinder 14,
der
in Längsrichtung der Stange j1 beweglich gelagert ist.
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Der Hydraulikzylinder 14 wird von dem Rohr 12 getragen. Er stützt
sich gegenüber einer daran befestigten Platte 16 durch einen Stapel 17 von Tellerfedern
18 ab. Da die Platte 16 auf dem Rohr 12 sitzt, das am Ventilgehäusedeckel 6 befestigt
ist, sitzt der Zylinder 14 auch gegenüber dem Gehäuse 2 beweglich, so daß der als
Feder wirkende Stapel 17 die zwischen dem Ventilglied 3 und der Antriebseinrichtung
10 auftretende Kraft mit einer Federkonstante von 0,8 t/mm begrenzt.
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Fig. 2 zeigt, daß der Zylinder 14 im wesentlichen rotationssymmetrisch
ausgebildet ist und die Stange 11 zentrisch umgibt. Er enthält einen Ringkolben
20, der unter einen mit der Stange 11 über eine Schraube 21 verbundenen Trägerkörper
22 greift. Die Schraube 21 ist als Sollbruchstelle mit einer Verjüngung 19 versehen.
Damit wird erreicht, daß ein Versagen der Hydraulic, das an sich selbstverständlich
nach Gestaltung und durch Uberwachun, vermieden wird, das Schließen des Ventils
nicht behindern kann, weil dann die Sollbruchstelle öffnet. Das Versagen der Hydraulik
ist damit für sicherheitstechnische Betrachtungen nicht mehr relevant.
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Der Tragkörper 22 ist über ein Kugellager 23 mit einem Arm 24 verbunden,
der zu einer mit einer Spule 25 arbeitenden nnalogen Stellungsanzeige 26 fur die
Stange 11 führt. Die Stellungsanzeige -6 ist in Fig. 2 versetzt gezeichnet. Sie
durchsetzt den Körper 27 des Zylinders 14 und mit Schrauben 28 an der Platte 16
befestigt.
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Der Körper 27 des Zylinders 14 ist seinerseits ;ron einem Ö1-sammelbehältei
3<) umgebeii, so daß zwischen dem Zylinder 14 und dem Ölsammelbehälter nur kurze
Leiturger. 29 erforderlich sind.
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Das Öl aus dem Sammelbehälter 30 wird durch eine an dessen Oberseite
angeflanschte Zahnradpumpe 31 unter Druck gesetzt, wenn die Haltekraft der Antriebseinrichtung
10 aufgebracht werden soll. Der Kolben 20 bewegt sich dann nach oben, die Endstellung
ist in Fig. 1 bei 32 gestrichelt gezeichnet. In
der oberen Endlage
wird eine Umgehungsleitung durch ein Überströmvebtil 33 freigegeben. Gleichzeitig
kann die Pumpe 31, die aus dem Vorratsbehälter 30 Jiydrauiiköl ansaugt und damit
für den erforderlichen Druck unter dem Kolben 20 sorgt, abgeschaltet werden. Dabei
kann man durch ein nicht dargestelltes Zeitrelais dafür sorgen, daß ein bestimmter
Druck von zum Beispiel 180 bar erreicht wird, der für das Arbeiten der Antriebseinrichtung
als Offenbaltesystem gewünscht wird.
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Die Pumpe 31 wird aber nicht @@u stellungsabhängig sondern auch druckabhängig
gesteuert. Dadurch kann man erreichen, daß bei einem Absinken des Druckes der Hydraulikflüssigkeit
auf beispielsweise @40 bar die Pumpe @1 @eu eingeschaltet wird.
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Man kann in diesem Fall auf einen zusätzlichen Speicher.
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etwa einen Hydraulikspeicher mit Gasblase verzichten. Die Feder 17
sorgt dabei für einen Ausgleich der mit dem Öldruck absinkenden Haltekraft. Sie
kann zugleich als Druckgeber wirken. Ihre Kompression wird dadurch gemessen, daß
@@ der Unterseite 36 des Zylinders 14 ein Winkel @6 angebracht ist, der einen Steuerschalter
37 je nach Lage des Winkels und damit je nach der Spannung der Feder 17 bewätigt.
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Auf der Platte 16 sitzt ein Rohr 40, das beim Ausführungsbeispiel
zusemmen mit dem die Stange 11 umfassenden Teil 41 der Platte 16 eine Leckölsammelwarne
42 bildet. Deshalb kann das aus verschiedenen Dichtungsstellen gegebenenfalls austretende
Lecköl nicht über das Ventil 1 laufen, wo es wegen der hohen, dort vorhandenen Temperaturen
(etwa 300°C) entzündet werden könnte. Außerdem ist der Teil 41 im Bereich der Unterseite
35 mit einem Absatz 43 versehen, auf dem der Körper 27 aufsetzen kann, wenil die
maximale gewünschte Kompression der Feder 17 erreicht ist.
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In Fig. 3 ist schematisiert ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt.
Man erkennt die Stange 11, die mit dem nicht gezeichneten beweglichen Ventilglied
verbunden ist i:4nd an ihrem freien Ende über den Körper 22 auf einem oberen Federteller
45
abgestützt ist. Das Tellerfederpaket 17, das von unten gegen den Federteller 45
drückt, sitzt auf einem unteren Federteller 46, der seinerseite auf den Rlngkolben
20 drückt.
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Hier ist also die Lage der Feder zwescher dem Ringkolben und dem beweglichen
Ventilglied im @lnne des Betätigungshubes klar ersichtlich.
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Die Fig. 3 zeigt darüber hinaus die Einzelheiten des Hydrat likkreises.
Man erkennt den Vorratsbehälter 30, der mit dem Körper 27 für den Zylinder 14 baulich
vereinigt ist. Aus diesem Vorratsbehälter saugt die in doppe@ter Ausführung vorgesehene
Zahnradpumpe 31 über Filter @8 Öl an und drückt dies über Rückschlagventile 49 in
die Drückleitung 50. An der Druckleitung ist ein Druckmessen 5 vor@@sehen der auch
zur Steuerung der Antriebsmotoren 5@ der Formen 31 dienen kann.
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Dis Druckleitung 50 ist über zwei parallel geschaltete Drosseln 53,
denen Magnetventile 54 nenge der @@t sind, mit einer Entlastungsleitung 55 verbunden,
die @@ den vorratsbehälter 30 führt. Mit diesen kann einmal eine @@@@@ @nsprüfung
durchgeführt werden. Außerdem ermöglichen die Ventile @4 über die Drosseln 53 eine
Druckentlastung beim Mietritt eines Störfalles.
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In Fig. 3 ist ferner eine Leittung 57 zu sehen, die vom oberen Ende
des Zylinders 14 in den Vorratsbehälter 30 führt. Diese Leitung ergibt eine skellungsabhänglge
Entlastung am Ende des Hubes des Kolbens 20.
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Am oberen Ende des Kolbaus 20 ist ferner ein Entlüftungsventil 58
vorgesehen, das den Übertritt son Gas oder Schaum am Ende des Kolbenhubes ermöglichen
soll. Sollte sich dies im Hydrauliksystem entwckeln, so wird es zu dessen einer
gelegenen Teilen wandern und kann deshalb iiher das Entlüfungsventil 58 entfernt
werden.
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Am unteren Ende des Zylinders 14 ist für das schnelle Ausschieben
des
Öls eine Parallelschaitung v@n drei Ventilen 60, 61 und 62 vorgesahen. deren A@
lässe 63, 64 und 65 ebenfalls in den Vorratsbehälter 30 munden. Die Ventile können
druckabhängig Öffnen, wie durch die ihren zugeordneten Federn angedeutet ist. Der
Ansprechdruch ist geringfügig größer als der des Entlüftungsventils 58. Zum Beispiel
kann der Druck des Entlüftungsventils 195 bar, der der Abblaseventile 200 har betragen.
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13 Patentansprüche 3 Figuren