DE2759091C2 - Vorrichtung zum Regulieren eines Gasdurchflusses - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regulieren eines Gasdurchflusses, mit einem axial durchströmten Hohlraum, welcher mit einem Fluideinlaß und einem Fluidauslaß in Verbindung steht, einem innerhalb des Hohlraumes hin- und herbewegbaren Zylinder, wobei Einrichtungen zum Hin- und Herbewegen des Zylinders vorgesehen sind, und einem stationären Stützteil, wobei sich zwischen dem Zylinder und dem stationären Stützteil ein durch Kompression radial aufweitbares Ventilinnenteil aus einem elastomeren Körper befindet, dem in Strömungsrichtung ein die Stirnseite des Körpers verdeckendes Schild vorgeordnet ist.
• In der Industrie, wie z. B. in der Naturgasindustrie, wo es erwünscht ist, unter veränderlichem Druck stehende Fluide in ihrer Strömung zu regulieren, werden Durchflußregelventile benutzt, bei denen ein massives, elastomeres Innenteil zusammengedrückt wird, um den Umfang desselben zu vergrößern und hierdurch den Druckflußquerschnitt der Reguliervorrichtung zu verringern.
• Ein solches Ventil ist beispielsweise aus der US-PS 33 80 470 bekannt. Dieses Regelventil besitzt ein Gehäuse, welches in einem Fluidsystem angebracht ist. Innerhalb des Gehäuses ist ein hin- und hergehender Zyliner angeordnet, der von einem außenliegenden Kolben gesteuert werden kann. Innerhalb des Regelventiles befindet sich ein zu dem Kolben benachbartes, feststehendes Teil. Das elastomere Innenelement ist zwischen dem Kolben und dem stationären Teil angeordnet. Um den Durchfluß durch das Regelventil zu vermindern, wird der Zylinder mit Hilfe des Kolbens betätigt, wodurch das Innenelement zusammengedrückt wird. Als Folge davon baucht sich das elastomere Innenelement aus und vermindert den Durchflußquerschnitt des Regelventils. Der Durchfluß kann auf diese Weise überwacht und gesteuert werden. Weitere Beispiele für derartige Regelventile sind in den US-PS 29 17 269 und 33 68 787 offenbart.
• Diese bekannten Ventile sind besonders deshalb erwünscht, da sie bei geringem Geräuschniveau eine wirksame Regulierung des Fluidstromes über einen weiten Bereich erlauben. Allerdings ist bei größerer Ausbildung der Innenelemente und der Durchflußventile ein unerwünschter Verschleiß der äußeren Oberfläche des massiven Innenelementes zu verzeichnen, woraus eine verminderte Lebensdauer resultiert. Dies um so mehr, sofern innerhalb des Ventiles der Durchfluß bis auf einen relativ geringen Austrittsdruck vermindert wird. Obwohl der Austausch des Innenelementes in der Regel leicht zu bewerkstelligen ist, ist der Austausch aufgrund der damit verbundenen Abschaltzeit für das gesamte Leitungssystem in höchstem Maße unerwünscht.
• Aus der US-PS 32 892 296 ist eine Ventilvorrichtung zum Regeln des Durchflusses von Feststoffe aufweisenden Fluiden bekannt, die dazu neigen, an Kontaktflächen anzubacken. Bei dieser Ventileinrichtung ist der Ventilkörper über seine Oberfläche mit einer Zusatzschicht versehen, die verschleiß- und korrosionsmindernd wirken soll.
• Die US-PS 40 25 050 zeigt ein Klappenventil, bei dem diesmal der Ventilsitz mit einer elastischen, die Oberfläche des Ventilsitzes abdeckenden Zusatzschicht versehen ist, welche aus einem chemisch resistenten Kunststoff besteht. Unter dieser Zusatzschicht befindet sich eine zweite Schicht aus einem elastischen Kunststoff, damit sich die Ventilklappe in geschlossenem Zustand des Ventiles in den Ventilsitz eindrücken kann, um die Dichtheit des Ventils zu verbessern.
• Schließlich zeigt noch die US-PS 29 60 109 ein Ventil, mit einem metallenen Ventilkörper, der mit einem elastischen Ventilsitz zusammenwirkt. Die Sitzfläche des Ventilsitzes ist mit einer metallenen Zusatzschicht überzogen, welche bei der Herstellung des Ventilsitzes in den elastomeren Ventilsitz mit eingegossen wurde.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art konstruktiv derart zu verbessern, daß Schädigungen durch Diffusion, Erosion und Scherkräfte vermindert werden.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf dem äußeren Umfang des elastomeren Körpers mindestens eine ringförmige, elastische Zusatzschicht befestigt ist, welche mit dem elastischen Körper eine Grenzschicht einschließt, wobei der Werkstoff des Körpers eine geringere Härte als derjenige der Zusatzschicht aufweist, und daß das Schild die Stirnseite der Zusatzschicht mit abdeckt.
• Durch diese Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dieses besonders gut in der Lage, den schädlichen Wirkungen des durchströmenden Hoch-Gasstromes zu widerstehen.
• Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt
• Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Regulieren des Durchflusses eines Fluids,
• Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt durch ein Innenelement, und
• Fig. 3 eine Schnittansicht eines Innenelements einer zweiten Ausführungsform.
• In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zum Regulieren des Durchflusses eines Fluids gezeigt. Sie besitzt ein Gehäuse 12 mit einem Einlaß 14 und einem Auslaß 15, die so gestaltet sind, daß sie jeweils mit Hilfe eines der Flansche 16 und 18 an ein Fluidsystem angeschlossen werden können. Eine genaue Beschreibung dieser Vorrichtung ist in dem US-Patent 33 80 470 (Culpepper) gegeben.
• Der Fluidstrom durch das System wird durch Zusammenpressen eines elastomeren Ventilinnenteiles kontrolliert, das allgemein mit dem Bezugszeichen 20 versehen ist. Das Innenteil 20 ist innerhalb einer im Gehäuse vorhandenen Kammer 22 angeordnet und baucht sich unter Kompression in radialer Richtung aus, um die Durchtrittsfläche 21 der Innenkammer 22 zu reduzieren, wodurch die Durchflußrate des Regulators 10 bestimmt werden kann.
• Die Kompression des Innenteils 20 wird mit Hilfe einer pneumatischen Betätigungsvorrichtung 24 gesteuert. Diese benützt eine Membrananordnung mit einer Membran 26, die ein Gehäuse 28 in eine pneumatische Kammer, oder auch Luftkammer, 30 und eine Ölkammer 44 teilt.
• Die Membran 26 kontrolliert die Stellung eines Kolbens 34, der im Gehäuse 28 gelagert ist. Genauer gesagt ist die Membran 26 an dem Kolbenkopf oder an einer Plattform 36 befestigt. Nach Einleitung von Druckluft in die Kammer 30 durch den Einlaß 38 bewegt die Membran 26 die Plattform 36 nach unten, wodurch die Kolbenstange 40 in den Gehäusekörper 42 eingefahren wird. Dieser enthält eine Pumpenkammer 44, die mit einem Fluid, z. B. Öl gefüllt ist.
• Die Betätigung der pneumatischen Ölbetätigungseinrichtung 24 bewirkt die Betätigung, d. h. die Kompression des Ventilinnenteils 20, und zwar geschieht diese Kontrolle durch die Bewegung eines allgemein mit 46 bezeichneten Zylinders, der in der Kammer 22 hin- und herbeweglich gelagert ist. Der Zylinder schließt einen feststehenden Kolben 48 ein, der an einem Stütznetz 50 befestigt ist, das selbst innerhalb der Kammer 22 fest angeordnet ist. Der Kolben 48 enthält eine zentrale Bohrung 52, die die Fluidverbindung mit der Pumpenkammer 44 über eine Leitung 54 herstellt. Die Bohrung 52 kommuniziert mit einer Zylinderkammer 56, die im Kopf des stationären Kolbens 48 und des hin- und hergehenden Zylinders 46 vorhanden ist.
• Demgemäß wird beim Einleiten eines Steuerdrucks durch den Einlaß 38 in die Betätigungseinrichtung (24) der Kolben 34 unter dem Einfluß der Membran 26 um einen proportionalen Betrag nach unten gedrückt, worauf sich in der Bohrung 52 aufgrund der Leitungsverbindung mit der Pumpenkammer 44 ein gesteigerter hydraulischer Druck aufbaut. Das komprimierte Fluid dringt in die Kammer 56 und schiebt den hin- und herbewegbaren Zylinder 46 vom stationären Kolben 48 weg.
• Diese Stellbewegungen des Zylinders 46 und eines Stützteils 59, das am Zylinder 46 befestigt ist, komprimieren das Ventilinnenteil 20 gegen ein stationäres Stützteil 60, das mit Hilfe eines üblichen Befestigungsmittels, nämlich hier einer Schraube, an einem Stütznetz 62 befestigt ist. Das Ventilinnenteil 20, das aus einem elastomeren Werkstoff gefertigt ist, baucht sich in radialer Richtung aufgrund der Kompression aus, wodurch die freie Durchtrittsfläche 21 zwischen dem Außenumfang des Ventilinnenteils 20 und einer an der Innenfläche der Kammer 22 befestigten Auskleidung 68 verringert wird.
• Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung weist das Ventilinnenteil einen Körper 74 und eine äußere Schicht 76 auf. Bei bekannten Regulatoren, die mit einem elastomeren Scheibenventil ausgestattet sind, verursacht ein bei hohem Druck durchfließendes Fluid, eine deutlich meßbare Abnutzung der äußeren Oberfläche des Ventilinnenteils. Um diesen Nachteil zu überwinden, ist das erfindungsgemäße Ventilinnenteil 20 bei der gezeigten Vorrichtung verwendet. Der innere Bestandteil 74 des Ventils 20 ist aus einem elastomeren Material, wie z. B. Nitril-Gummi mit einer vorbestimmten Härte, hergestellt.
• Der Körper 74 beinhaltet einen länglichen Pfropfen 78, der im wesentlichen ähnlich wie eine Scheibe geformt ist. Der Pfropf kann massiv sein, so wie er in den Zeichnungen dargestellt ist, er kann aber auch hohl sein, so wie er in der amerikanischen Patentschrift 29 17 269 beschrieben ist. Der Körper 74 enthält auch einen zweiten Bestandteil 80, der die Außenfläche des Pfropfens 78 z. B. durch Kleben angebracht ist. Ehe der Bestandteil 80 am Pfropfen befestigt wird, wird eine äußere Schicht vom Pfropfen 78 entfernt und die Oberfläche in der bekannten Art und Weise chemisch behandelt, um eine gute Bindung zu erreichen. Der Pfropfen und der Bestandteil 80 bestehen aus dem gleichen Material und sind vornehmlich aus Herstellungsgründen getrennte Teile.
• Es ist festzustellen, daß die Verwendung eines Pfropfens 78 nicht für alle Innenteile notwendig ist. Es ist insbesondere gemäß einer anderen Ausbildung der Erfindung möglich, daß der Pfropfen 78 das gesamte Volumen innerhalb der Schicht 76 einnimmt. Genauer gesagt kann das Teil einen einstückigen Pfropfen enthalten, der von einer Schicht 76 umwickelt ist.
• Der Bestandteil 80 erstreckt sich über die Stützteile 60 und 59 und ist an diesen angebracht. Die Eigenschaften des für den Pfropfen 78 und dem Bestandteil 80 verwendeten, elastomeren Materials sind vorbestimmt und bekannt, da zuerst ein Teststück jeder Partie des elastomeren Materials Standardtests unterzogen wird. Nach dem Behandeln des Materials des Pfropfens 78 und des Bestandteils 80, z. B. durch Trocknen, Vulkanisieren, usw. (curing), können die Eigenschaften des bearbeiteten Elastomers über den gesamten Querschnitt voneinander abweichen. Die äußere Oberfläche des Bestandteils 80 wird in hohem Maße belastet und unterliegt der Wirkung des Hochgeschwindigkeitsgasstromes, wodurch sie erodiert und verschleißt. Es ist auch festzustellen, daß sie von Gas durchwandert wird. Es ist deshalb möglich, daß die Oberfläche nicht die gleichen physikalischen Eigenschaften aufweist, wie die vom Pfropfen 78 und dem Bestandteil 80 untersuchten Proben.
• Aus diesem Grunde wird bei der Herstellung des Ventilteils 20 der Körper 74 mit einem etwas verminderten Durchmesser gefertigt. Eine Schicht 76 eines elastomeren Werkstoffes mit überprüften Eigenschaften und Qualitäten wird dann auf den äußeren Umfang des Körpers 74 aufgebracht und/oder aufgeklebt. In einer bevorzugten, aber nicht ausschließlich angewandten Ausführung wird ein Band aus elastomeren Werkstoff um den Körper 74 herumgewickelt. Hierbei werden genügend Schichten aufgebracht, um die gewünschte Dicke der Schicht 76 zu erzielen. Die Hilfsschicht 76 wird dann auf den Körper 74 durch die gleichzeitige Anwendung von Druck und Temperatur aufvulkanisiert, bis eine homogene Verschmelzung des Körpers 74 und der Schicht 76 erreicht wird. Es können aber auch andere Verfahren für die dauerhafte Verbindung der äußeren Schicht 76 mit dem inneren Teil 74 Verwendung finden.
• An dieser Stelle sei vermerkt, daß, obwohl nur eine einzige Hilfsschicht 76 offenbart worden ist, mehrere Schichten auf den Körper 74 aufgebracht werden können, um auf diese Weise das Ventilinnenteil 20 herzustellen.
• Da das Ventilinnenteil 20 und speziell die äußere Zusatzschicht 76 unter der Einwirkung eines Hochdruck-Hochgeschwindigkeitsgasstromes stehen, kann die Grenzfläche 82 zwischen dem Körper 80 und der Hilfschicht 76 von den nachteiligen Einwirkungen durch ein Schild 84 geschützt werden. Dieses ist an den stromaufwärtsgelegenen Stützteil 60 und dem Vorderteil des Ventilinnenelements 20 befestigt. Auf diese Weise ist die Grenzschicht 82 an ihrer stromaufwärtsgelegenen Seite von den Wirkungen des hohen Gasdrucks geschützt, wodurch die Beschädigung der Grenzfläche 32 verhindert und eine verlängerte Lebensdauer des Ventils 20 erreicht wird.
• Es wurde festgestellt, daß beim Innenelement 20 weit weniger Ablöse- oder Verschleißerscheinungen aufgrund der Gaswanderung und der schädlichen Wirkung des Hochgeschwindigkeits- und Hochdruckgasstromes zu verzeichnen sind, als dies bei den bekannten Innenelementen der Fall ist. Besonders bei den bekannten, massiven Innenelementen hat die Gasdurchdringung und der Einfluß des Hochgeschwindigkeitsstromes die Ablösung von größeren Teilen aus dem Innenelement zur Folge, wodurch dasselbe noch rascher verschleißt. Das Innenelement 20 jedoch mit seiner äußeren Schicht 76 schupp höchstens eine oder ein Bestandteil einer Schicht zur gleichen Zeit ab. Dies ist eine Folge der Ungleichförmigkeit an der Grenzfläche jeder Schicht 76. Die Grenzschicht 82, die das Ablösen vom Umfang 76 auf die Dicke einer jeden Schicht begrenzt, dient auch als Barriere gegen den Gasdurchtritt und gegen den Dampf, der im Gasstrom enthalten ist. Als Folge davon werden keine großen, unkontrollierten Stücke vom Innenelement 20 abgezogen, wodurch die Lebensdauer des Innenelements 20 vergrößert und die Ausfallzeit für etwa notwendige Reparaturen verringert wird.
• Es wurde bereits vorstehend angegeben, daß das Innenelement 20 in der gleichen Weise arbeitet, wie das bereits bekannte, massive Innenelement in ähnlichen Strömungsregulatoren, wie z. B. denjenigen aus der US-PS 33 68 787 (Sachnik) oder dem US-Patent 33 80 420 (Culpepper). In jedem Fall wird das Innenelement 20 komprimiert. Der Körper 74 und der zweite Bestandteil 80 bauchen sich in radialer Richtung an der Umfangsfläche 76 aus und reduzieren damit die Strömungsfläche 21, wodurch der den Regulator durchfließende Gasstrom oder Fluidstrom kontrolliert wird. Aufgrund der verbesserten Qualitäten der Hilfsschicht oder der Hilfsschichten 76 kann das Innenelement 20 erheblichen Drücken und vom Fluid ausgehenden Verschleißkräften widerstehen, wodurch die Lebensdauer des Regulators und die Benutzbarkeit des Innenelements im Vergleich zu den bekannten Lösungen erheblich gesteigert ist.
• In Fig. 3 der Zeichnung ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Innenelement 20 dargestellt. Das dort gezeigte Innenelement 120 besteht aus einem länglichen Pfropf 178 , um das spiralförmig eine Schicht 176 mit unterschiedlichen Dicken gelegt ist. Der Pfropf 178 ist zwar massiv gezeigt, er kann jedoch ähnlich wie derjenige aus der US-PS 29 17 269 hohl sein. Der spiralförmige Querschnitt des Elements 120 hat sich als vorteilhaft erwiesen, da er während des Betriebes sich weniger ablöst als bisher bekannt.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Regulieren eines Gasdurchflusses, mit einem axial durchströmten Hohlraum, welcher mit einem Fluideinlaß und einem Fluidauslaß in Verbindung steht, einem innerhalb des Hohlraumes hin- und herbewegbaren Zylinder, wobei Einrichtungen zum Hin- und Herbewegen des Zylinders vorgesehen sind, und einem stationären Stützteil, wobei sich zwischen dem Zylinder und dem stationären Stützteil ein durch Kompression radial aufweitbares Ventilinnenteil aus einem elastomeren Körper befindet, dem in Strömungsrichtung ein die Stirnseite des Körpers verdeckendes Schild vorgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem äußeren Umfang des elastomeren Körpers (74) mindestens eine ringförmige, elastische Zusatzschicht (76) befestigt ist, welche mit dem elastischen Körper (74) eine Grenzschicht (82) einschließt, wobei der Werkstoff des Körpers (74) eine geringere Härte als derjenige der Zusatzschicht (76) aufweist, und daß das Schild (84) die Stirnseite der Zusatzschicht (76) mit abdeckt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (74) im Inneren hohl ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (74) im Inneren einen ebenfalls elastischen Pfropfen (78) aufweist.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzschicht (76) spiralförmig mehrfach um den Körper (74) aufgewickelt und befestigt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzschicht (76) mit unterschiedlichen Dicken um den Körper (74) gelegt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Körpers (74), des Pfropfens (78) und der Zusatzschicht (76) Nitril-Gummi ist.