DE3004384A1

DE3004384A1 - Drosselventil

Info

Publication number: DE3004384A1
Application number: DE19803004384
Authority: DE
Inventors: Dwight Newton Johnson
Original assignee: Textron Inc
Current assignee: Textron Inc
Priority date: 1979-02-06
Filing date: 1980-02-06
Publication date: 1980-08-14
Also published as: DK50880A; FR2448671A1; ES488273A1; GB2042133A; NL8000727A; LU82137A1; CA1123411A; NO800280L; GB2069664B; AU5451780A; IT8047780A0; GB2069664A; GB2042133B; IT1126922B; FR2448671B1; SE8000642L; US4232851A; BE881555A

Description

Drosselventil

Die Erfindung betrifft ein Drosselventil mit einem in einen Rohrleitungsabschnitt eingefügten Gehäuse und einem im wesentlichen koaxial angeordneten Ventileinlauf sowie Ventilauslauf, einer quer zum Gehäuseinnern verlaufenden kegeligen Stauplatte, welche einen ringförmigen Strömungsweg für das Medium festlegt und einen zentral zum Ventileinlaß weisenden Scheitelpunkt hat, einer Vielzahl von Ventilrippen, welche sich vom Umfang der Stauplatte zum Ventileinlauf erstrecken und ein kegelstumpf förmiges, eine Vielzahl von Strömungsschlitzen umfassendes Gitter bilden, und mit einer elastisch verformbaren Ventileinlage, welche auf der strömungsaufwärts gelegenen Seite der Stauplatte angeordnet ist, mit einem umlaufenden Rand an der Stauplatte dicht anliegt und zusammen mit der Stauplatte eine mit einem Steuerdruck beaufschlagbare Steuerkammer begrenzt, wobei die Ventileinlage mit der äußeren Oberfläche den Ventilrippen gegenüberliegend zugeordnet ist, sich mit abnehmendem Steuerdruck von der Schließstellung ausgehend vom kegelstumpfförmigen Gitter abrollt und die Strömungsschlitze zunehmend freigibt, wogegen ein ansteigender Steuerdruck die Ventileinlage von einer Offen-Fs/ai stellung

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Stellung ausgehend zunehmend an die Ventilrippen rollend anlegt und die Strömungsschlitze verschließt.

Mit einem derartigen Drosselventil kann die Strömung eines Mediums in einem Rohrleitungsabschnitt kontinuierlich geändert werden, wobei es sich sowohl um gasförmige als auch um flüssige Medien handeln kann. Für derartige Drosselventile ist es bekannt, nachgiebig elastische Ventilelemente zu verwenden, die einer Dehnung ausgesetzt sind. Diese Ventilelemente werden gegen eine oder mehrere Öffnungen mit Hilfe eines Steuerdruckes gedrückt, um die Durchfluß Öffnungen verschlossen zu halten. Zum Öffnen des Durchflusses wird der Steuerdruck verringert, so daß der Strömungsdruck das Ventilelement von der Öffnung wegtritt und das Medium durch das Ventil entsprechend dem durch den Steuerdruck zugelassenen Öffnungsquerschnitt fließen kann. Durch Verringern des Steuerdrucks kann der Öffnungsquerschnitt und damit die Menge des durchfließenden Mediums vergrößert werden. Zur Verringerung der Menge des durch das Drosselventil strömenden Mediums kann der Steuerdruck so weit vergrößert werden, bis das nachgiebig elastische Ventilelement wieder die gesamte Durchtrittsöffnung verschließt. Ein solches Drosselventil ist durch die US-PS 3 690 344 bekannt.

Drosselventile dieser bekannten Art haben einen Ventilkörper mit einer Vielzahl von Komponenten, wodurch sich sehr hohe Herstellungskosten, ein komplexer konstruktiver Aufbau und eine Vielzahl potentieller Leckströme ergeben kann. Ferner werden die elastisch nachgiebigen Ventilelemente bei der Benutzung gedehnt, um das Ventil zu öffnen, wobei sich eine Materialstreckung bzw.-dehnung von bis zu 30 % für ein ganz geöffnetes Drosselventil ergeben. Durch den häufigen Dehnungswechsel

im

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im Umfangsbereich derartiger Drosselelemente sind Materialermüdungen unvermeidlich, so daß die elastisch nachgiebigen Ventilelemente nach kurzer Zeit erneuerungsbedürftig sind. Ferner ergibt sich durch die physikalische Dehnung bzw. Streckung zum Öffnen des Ventils die Notwendigkeit, daß der Steuerdruck zur Erreichung einer vollen Öffnung wesentlich verringert werden mußte, wobei sich am elastisch nachgiebigen Ventilelement eine Druckdifferenz ausbildet, welche in der Regel sehr hoch ist.

Es ist auch bereits bekannt, bei Drosselventilen strömungsauf wärts Gitter mit einer Vielzahl von Strömungsschlitzen vorzusehen, wobei das Medium durch diese Gitter fließt, bevor der Drosselbe reich mit dem elastisch nachgiebigen Ventilelement erreicht wird. Wenn das Ventil ganz geöffnet ist, ergibt sich ein Strömungsdruckverlust und damit ein Geschwindigkeitsanstieg am Gitter. Diese Strömungsgeschwindigkeit des Mediums kann sehr hoch sein und das Ventilelement unmittelbar beeinflussen, so daß dieses erosive Beschädigung durch den hohen Druck, die hohe Geschwindigkeit und durch Sedimente erfahren kann. Eine solche erhöhte Erosion der Elemente führt zu einem größeren Wartungsaufwand und damit zu höheren Kosten durch das Austauschen eines beschädigten Ventilelementes. Die Druckverluste führen ferner dazu, daß der Strömlings druck im stromaufwärts gelegenen Teil Begrenzungen unterworfen ist, um eine völlige Öffnung des Drosselventils zu erhalten. Ein weiterer Nachteil einer Vielzahl von Drosselventilen ist das Ausströmen des Mediums mit hoher Geschwindigkeit am stromabwärts gelegenen Ausgang. Daher werden verhältnismäßig lange Beruhigungsstrecken benötigt, um den Strömungsfluß von einem hohen kinetischen Druck auf einen hohen statischen Druck umzuwandeln.

Der

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Drosselventil zu schaffen, mitweichem gasförmige und flüssige Strömungsmedien beeinflußt werden können und welches aus möglichst wenig Einzelteilen in kompakter Bauweise aufgebaut ist. Dieses Drosselventil soll aufgrund seines Aufbaus dafür Sorge tragen, daß elastisch verformbare Ventilelemente einer möglichst geringen Beanspruchung ausgesetzt werden und auch bei einer geringen Druckdifferenz an dem Ventilelement unter unterschiedlichsten Einsatzbedingungen einen zuverlässigen und fehlerfreien Betrieb ermöglichen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs erwähnten Drosselventil erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die innere Oberfläche der Ventilrippen und der zugeordnete äußere Oberflächenabschnitt der Ventileinlage einander gegenüberliegend derart ausgebildet sind, daß sich im geschlossenen Zustand des Drosselventils dazwischen ein freier Bereich ergibt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Die Erfindung wird besonders vorteilhaft bei einem Drosselventil verwirklicht, welches als koaxiale We it e rf üh rung in einen Rohrleitungsabschnitt eingesetzt werden kann, wobei der Ventileinlauf und der Ventilauslauf koaxial in die anschließenden Rohrleitungen übergeht. In dem Ventilkörper ist querverlaufend im zentralen Bereich eine Stauplatte ausgebildet, welche über Stützrippen an der Gehäusewandung abgestützt ist, so daß sich ein ringförmiger Strömungsweg außerhalb der Stauplatte ergibt. Zwischen der Stauplatte und dem Ventileinlauf sind ferner eine Vielzahl von radial verlaufenden

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laufenden Ventilrippen ausgebildet, welche mit ihren zur Stauplatte hin gerichteten Oberflächen längs einer kegelstumpfförmig verlaufenden Ebene enden, so daß ein Gitter aus einer Vielzahl von Ventilrippen entsteht, zwischen welchen Strömungsschlitze verlaufen. In dem Drosselventil ist ferner eine elastisch nachgiebige Ventileinlage vorgesehen, die konvex konkav zum Ventileinlauf hin gekrümmt ist und mit einer Umfangskante in den Rand der Stauplatte dichtend eingreift. Zur Verbesserung der Abdichtung ist eine umlaufende Dichtlippe am Rand der Stauplatte ausgebildet. Die Ventileinlage zusammen mit der Stauplatte begrenzen eine St euer kammer.

Ein von einer externen Quelle gelieferter Steuerdruck ermöglicht einen ansteigenden und abfallenden Druck in der Steuerkammer zur Betätigung des Ventils. Als Druckquelle kann der Druck des Mediums auf der Eingangsseite des Ventils Verwendung finden. Wenn der Steuerdruck gleich oder größer als dieser stromaufwärts wirksame Druck ist, legt sich die Ventileinlage an das Gitter der Ventilrippen an und unterbricht den Strömungsweg durch die Strömungsschlitze. Wenn dagegen der Steuerdruck unter den stromaufwärts wirksamen Druck im Medium abfällt, drückt sich die Ventileinlage aufgrund des Druckunterschiedes ein und rollt sich von den Ventilrippen ab. Dadurch wird der Strömungsweg freigegeben. Dieses Öffnen erfolgt in der Weise, daß sich zunächst der Zentralbereich der Ventileinlage nach unten auf den Scheitelpunkt der Stauplatte auflegt, wobei sich mit zunehmendem Differenzdruck die Ventileinlage zunächst vom Ventilsitz abhebt und dann von den Ventilrippen abrollt. Dadurch werden die Strömungsschlitze zwischen den Ventilrippen fortschreitend geöffnet. Das Anlegen des Zentralbereichs der Ventileinlage auf dem Scheitelpunkt der Stauplatte bewirkt eine TeilabStützung der sich abrollenden Ventileinlage

und

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mm

und deren Stabilisierung während des Öffnungsvorgangs. Dadurch läßt sich der Öffnungsvorgang besser und feinfühliger steuern.

Sobald die sich abrollende Ventileinlage den Ventilsitz freigibt, beginnt das Medium durch die Strömungsschlitze zwischen den Ventilrippen zu strömen. Bei einem weiteren Abfallen des Steuerdrucks in der Steuerkammer rollt sich entsprechend die Ventileinlage mehr und mehr von den Ventilrippen ab und gibt zunehmend einen größeren Strömungsquerschnitt frei. Bei einer bestimmten Druckdifferenz^ diefunktional von der Größe und Aus gestaltung des Ventils und dem Durchmesser der Ventileinlage sowie von deren Elastizität und der geometrischen Ausgestaltung abhängt, hat sich die Ventileinlage voll von den Ventilrippen abgerollt und den gesamten Strömungsquerschnitt freigegeben. Im völlig geöffneten Zustand des Drosselventils liegt die Ventileinlage großflächig auf der Stauplatte auf.

Wenn der Steuerdruck in der Steuerkammer ansteigt, hebt sich die Ventileinlage entsprechend von der Stauplatte ab und kommt in Form einer Rollbewegung zunehmend an den Ventilrippen zur Anlage. Dadurch verkleinert sich der Strömungsquerschnitt, bis schließlich die Ventileinlage den Ventilsitz erreicht und an diesem zur Anlage kommt. In diesem Zustand erreicht der Steuerdruck in der Steuerkammer etwa den Betrag des Drucks im stromaufwärts fließenden Medium. Sobald sich die Ventileinlage dicht an den Ventilsitz angelegt hat, ist der weitere Durchtritt des Strömungsmediums unterbunden.

Das Drosselventil gemäß der Erfindung unter Verwendung einer nachgiebig elastischen Ventileinlage, welche sich bei dem Öffnen und Schließen des Ventils mit einer Rollbewegung an die Ventil-

r ippen

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rippen anlegt, ist äußerst einfach im konstruktiven Aufbau und läßt eine genaue Drosseleinstellung für die meisten Betriebsbedingungen zu. Um zu vermeiden, daß das Aufrollen und Abrollen der Ventileinlage an den Ventilrippen in Form einer instabilen Bewegung abläuft, was z.B.bei einer geringen Druckdifferenz der Fall sein kann, wird die spezielle Formgebung der Ventileinlage bzw. der Ventilrippen in dem Bereich vorgesehen, in welchem diese Teile miteinander zusammenwirken. Durch diese Maßnahmen der Erfindung wird vermieden, daß sich die Ventileinlage in einer halb offenen Position aufgrund von Instabilitäten voll öffnet. Ferner wird vermieden, daß die Ventileinlage in einer beinahe geschlossenen Position anfängt zu schwingen bzw. instabile Rollbewegungen ausführt. Durch die Maßnahmen der Erfindung wird auch erreicht, daß die Zeitdauer zum Schließen des Ventils, die unter bestimmten Bedingungen mehrere Minuten ausmachen kann, wesentlich verkürzt wird. Damit einreicht man, daß durch die Maßnahmen der Erfindung sichere und stabile Rollbewegungen für die Ventileinlage unter allen Betriebsbedingungen gewährleistet sind.

Die Vorteile

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Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung

eines Rohrleitungsabschnittes mit einem Drosselventil gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf das Drosselventil gemäß der Erfindung;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 2;

Fig. 4 einen Schnitt gemäß Fig. 3 mit dem Drosselventil

in einer teilweise geöffneten Stellung;

Fig. 5 einen Schnitt gemäß Fig. 3 mit einem völlig geöffneten Drosselventil;

Fig. 6 einen Teilschnitt durch den Ventilsitzbereich in

vergrößerter Darstellung;

Fig. 7 einen Teilausschnitt der Fig. 6;

Fig. 8 einen vergrößerten Teilschnitt durch den Ventilsitzbereich bei geöffneter Ventilstellung.

In Fig. 1 ist ein Drosselventil 16 dargestellt, welches in einen Rohrleitungsabschnitt bestehend aus zwei Rohrleitungen 12 und 14 eingefügt ist, um einen Flüssigkeits- oder Gasstrom durch den Rohrleitungsabschnitt zu beeinflussen. Die Rohrleitungen und 14 sind mit Flanschen 18 und 19 versehen, zwischen welche

das

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mim

das Drosselventil 16 eingesetzt wird und welche durch Bolzen 22 miteinander verbunden sind, um das Drosselventil zwischen den Rohrleitungen zu verspannen. Das Öffnen und Schließen des Drosselventils 16 erfolgt über einen Steuerdruck, der über einen Steuereinlaß 28 zugeführt wird. Für einen typischen, nicht dargestellten Anwendungsfall wird der Strömungsdruck vor und nach dem Drosselventil 16 abgetastet und davon abhängig der Steuerdruck an das Drosselventil 16 angelegt. Zu diesem Zweck kann ein Regler mit dem Drosselventil 16 über Anschluß öffnungen 24 und 26 sowie den Steuereinlaß 28 verbunden sein.

Das Drosselventil 16 istmit einer verformbaren elastischen Ventileinlage 30 versehen. Diese Ventileinlage wird von dem Strömungsdruck vor dem Ventil verformt, wenn der über den Steuereinlaß angelegte Steuerdruck sich ändert, wobei die Ventileinlage sich vom Ventilsitz abhebt bzw. abrollt und einen dem Steuerdruck entsprechenden Strömungsquerschnitt freigibt. Dabei wird die Ventileinlage 30 w eder gestreckt oder gedehnt, um den Strömungsquerschnitt freizugeben, womit auch die Nachteile vermieden werden, die sich aufgrund von Materialermüdungen bei Drosselventilen mit elastischen Dehnungseinlagen nicht vermeiden lassen.

Das Drosselventil 16 besteht aus einem Gehäuse 32 und der eingesetzten Ventileinlage 30. Das Gehäuse 32 hat einen zentralen Ventileinlauf 34 und einen zentralen Ventilauslauf 36. Das Gehäuse wird zwischen die Flansche 18 und 20 der Rohrleitungen 12 und 14 derart eingespannt, daß der Ventileinlauf 34 sowie der Ventileinlauf 36 jeweils zentrisch auf die Rohrleitungen 12 und 14 ausgerichtet sind. Damit das Drosselventil 16 zwischen Flansche unterschiedlicher Nenngröße eingesetzt werden kann,

ist

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ist der Gehäusemantel ausgekehlt, so daß in Längsrichtung verlaufende Vertiefungen bzw. Nuten 38 am äußeren Umfang entstehen. Auf diese Weise ist es möglich, das Drosselventil zwischen Flansche einzusetzen, bei denen der Befestigungsradius für die Spannbolzen unterschiedliche Größe hat, so daß bei der Verwendung von Flanschen geringerer Festigkeit mit einem entsprechend kleineren Befestigungsradius die Spannbolzen durch die Nuten 38 verlaufen. Bei der Verwendung von Flanschen mit größerer Festigkeit und einem entsprechend größeren Befestigungsradius können die Spannflansche längs dem Außenmantel des Gehäuses im größten, den Strömungswegen 40 zugeordneten Durchmesserbereich verlaufen. In beiden Fällen kann durch an dem Gehäuse anliegende Spannbolzen eine Zentrierung des Drosselventils auf die Mittelachse der anschließenden Rohrleitungen 12 und 14 erreicht werden. Bei der Verwendung von Flanschen, deren Befestigungsradius zwischen den beiden erwähnten Anwendungsfällen liegt, wird eine Zentrierung dadurch erreicht, daß das Drosselventil zwischen den Flanschen so lange verdreht wird, bis jeweils eine Flanke der keilförmig verlaufenden Nuten an den Spannbolzen mit entsprechenden Mantellinien zur Anlage kommt. Damit kann das Drosselventil in Rohrleitungsabschnitt 10 mit unterschiedlichen Flanschgrößen und unterschiedlicher Bolzenzahl eingesetzt werden, wobei sich eine selbständige Zentrierung ergibt.

Das Medium fließt durch das Drosselventil 16 entlang einer Vielzahl von Strömungs wegen 40, welche zwischen den Nuten 38 des Gehäuses 32 auf der Innenseite ausgebildet sind. Durch diese Strömungswege 40 entsteht grundsätzlich ein etwa ringförmiger Strömungsverlauf vom Ventileinlauf zum Ventilauslauf. Im Bereich der Nuten 38 verlaufen auf der Innenseite des Gehäuses

Stütz-

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Stützrippen 44 nach innen, zwischen welchen die Strömungswege verlaufen. Im Gehäuse ist ferner eine Vielzahl von Ventilrippen 42 ausgebildet, durch welche ein kegelstumpfförmiges Gitter gebildet wird und zwischen welchen Strömungs schlitze 45 angeordnet sind. Ein im Gehäuse ausgebildeter Ventilsitz 46 befindet sich angrenzend an den Ventileinlauf 34 unmittelbar vor den Ventilrippen, so daß das zuströmende Medium an diesem Ventilsitz vorbei durch die Strömungs schlitze 45 des Gitters und über die Strömungswege 40 zum Ventilauslauf 36 fließen kann.

Der Strömungsfluß im Drosselventil 16 wird durch das Zusammenwirken der Ventileinlage 30 mit dem Ventilsitz 46 und den Ventilrippen 42 gesteuert. Die Ventileinlage 30 hat eine etwa parabolische oder konkav konvexe Form mit einer Umfangskante 48 und einem Zentralbereich 50. Bei der Montage des Drosselventils 16 wird die Ventileinlage 30 durch den Ventileinlauf 34 eingesetzt und die Umfangskante 48 hinter einer umlaufenden Lippe 51 am äußeren Rand einer Stauplatte 52, die innerhalb des Gehäuses 32 angeordnet ist, eingesetzt. Diese Stauplatte 32 begrenzt zusammen mit der Ventileinlage eine Steuerkammer 54. Die Stauplatte 52 ist im Zentralbereich kegelig ausgebildet. Nach dem Einsetzen der Yentileinlage 30 liegt der Zentralbereich 50 dieser Ventil einlage am ringförmigen Ventilsitz 46 einerseits und an den Ventilrippen 42 andererseits an. Diese Lage entspricht der Verschlußlage des Ventils.

Wenn im Rohrleitungsabschnitt 10 ein Strömungsmedium fließt, wird das Drosselventil durch Verformen der Ventileinlage 30 geöffnet, indem sich die Ventileinlage vom Ventilsitz 46 und den Ventilrippen 42 aufgrund eines höheren Druckes im Ventileinlauf gegenüber der Steuerkammer abhebt. Die Stellung der Ventil -

e inlage

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einlage 30 bezüglich des Ventilsitzes 46 und der Ventilrippen läßt sich durch eine Änderung des Steuerdruckes innerhalb der Steuerkammer 54 beeinflussen. Diese Steuerkammer 54 ist über eine Bohrung 56 innerhalb einer Strebe 57 mit dem Steuereinlaß 28 verbunden, so daß ein über den Steuereinlaß 28 zugeführtes Steuermedium die Ventil stellung beeinflussen kann. Der Steuerdruck in der Steuerkammer läßt sich mit Hilfe eines nicht dargestellten und in der US-PS 4 083 375 beschriebenen Stellgliedes einstellen.

Wenn das Drosselventil geschlossen ist und die Ventileinlage sich in der in Fig. 3 dargestellten Position befindet, herrscht in der Steuerkammer 54 zumindest der gleiche Druck wie auf der Ventileingangsseite des Rohrleitungsabschnittes 10. Mit Hilfe des Steuerdruckes wird der Zentralbereich 50 der Ventileinlage 30 gegen die Oberfläche 43 der Ventilrippen 42 und gegen den Ventilsitz 46 gedrückt. Der Ventilsitz 46 ist derart ausgebildet, daß er geringfügig über die Ebene der Oberfläche der Ventilrippen vorsteht, wobei dies jedoch in der Zeichnung nicht gezeigt ist. Durch dieses geringfügige Überstehen ergibt sich ein konzentrischer Andruck an den Ventilsitz 46 und eine sichere Abdichtung.

Wenn aufgrund der gewünschten Strömungsverhältnisse im Rohrleitung sab schnitt 10 das Ventil geöffnet werden soll, kann sich die Ventileinlage 30 infolge einer entsprechenden Druckdifferenz zwischen dem Ventileinlauf und der Steuerkammer vom Ventilsitz durch eine Rollbewegung abheben. Dies ist in Fig. 4 dargestellt. Dabei wölbt sich der Zentralbereich der Ventileinlage gegen die Stauplatte 52 und kommt am Scheitelpunkt 58 dieser Stauplatte zur Anlage. Wenn z.B. indem Rohrleitungsabschnitt

vor

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vor dem Ventil ein Druck von 21 kg/cm sowie im Rohrabschnitt nach dem Ventil ein Druck von 3, 5 kg/cm und in der Steuer-

2 kammer ein Mindestdruck von 21 kg/cm herrscht, dann ist das Drosselventil geschlossen. Um das Drosselventil zu öffnen, muß der Druck in der Steuerkammer auf einen Wert verringert werden,

2 der unterhalb des Druckes vor dem Ventil liegt und z. B. 20, 3 kg/cm"

haben kann. Diese Druckdifferenz von 0, 7 kg/cm am nicht abgestützten Teil der Ventileinlage 30 bewirkt, daß sich dieser Teil zurückrollt und gegen den Scheitelpunkt 58 der Stauplatte 52 anlegt. Derjenige Teil der Ventileinlage, der auf dem Scheitelpunkt 58 aufliegt, wird nicht mehr von dem Steuerdruck beaufschlagt, so daß sich dadurch die Fläche des nicht abgestützten Teils der Ventileinlage verringert. Eine wirksame Festhalte kr aft ergibt sich aus dem Druckunterschied in der Steuerkammer und dem ventilausgangsseitigen Druck multipliziert mit dem Bereich der abgestützten Fläche der Ventileinlage 30, wobei der Druckunterschied für das vorausstehend gegebene Beispiel etwa

2
16, 8 kg/cm ist und die abgestützte Fläche der Ventileinlage von demjenigen Teil der Ventileinlage gebildet wird, welcher an dem Ventilsitz und den Oberflächen 43 der Ventilrippen zur Anlage kommt.

Die Differenz zwischen der Festhalte kr aft und der das Aufrollen der Ventileinlage auslösenden Kraft bewirkt das sich Ablösen der Ventileinlage von dem Ventilsitz und der Oberfläche der Ventil rippen, wobei gleichzeitig der Steuerdruck verringert wird und sich das Ventil graduell öffnet. Diese Abrollbewegung, welche die Ventileinlage von den Oberflächen 43 der Ventilrippen abhebt, führt zu einem variabel einstellbaren Öffnungsquerschnitt des Drosselventils.

Bei

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Bei einer weiteren Verringerung des Steuerdrucks stützt sich die Ventileinlage mehr und mehr auf der Stauplatte 52 ab, wobei mehr und mehr Durchflußfläche durch die zunehmende Abrollkraft und die abnehmende Festhalte kr aft freigegeben wird. Eine progressive Proportionalität zwischen dieser Verformung der Ventileinlage und dem Steuerdruck wird durch die kegelstumpf förmige Konfiguration der Oberflächen 43 der Ventilrippen 42 und durch die kegelige Ausbildung der Stauplatte 52 bewirkt. Die Formgebung der Stauplatte 52 definiert den Bereich der Ventileinlage 30, welche nicht abgestützt ist und auf die Druckdifferenz zwischen dem eingangs se itigen Druck und dem Steuerdruck ansprechen kann. Dadurch wird die Amplitude der Kraft bestimmt, welche die Ventileinlage 30 von dem Ventilsitz und den Ventilrippen abzurollen versucht. Diese kegelstumpfförmige Konfiguration der Oberflächen der Ventilrippen bestimmt nämlich den Flächenbereich der Ventileinlage 30, in welchem diese an den Ventilrippen anliegt und dadurch die Amplitude der Festhalte spannung.

Das Drosselventil ist entsprechend der Darstellung gemäß Fig. völlig geöffnet, wenn die Steuerkammer 54 druckfrei ist und sich die Ventileinlage voll auf der Stauplatte 52 abstützt. Über die Bohrung 56 bleibt die Steuerkammer auch in diesem Zustand mit der Quelle für den Steuerdruck verbunden, so daß es möglich ist, das Ventil wieder zu schließen, indem der Steuerdruck zumindest wieder auf den Druck am Ventileinlauf angehoben wird.

Das in seinem grundsätzlichen Aufbau vorausgehend beschriebene Drosselventil hat einen einmalig einfachen Aufbau und arbeitet vorzüglich für die Steuerung von flüssigen sowie gasförmigen Medien. Bei bestimmten Betriebsbedingungen wurden gewisse Abweichungen von. den normalen Verhältnissen festgestellt.

Es

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Es zeigte sich nämlich, daß bei einigen Betriebsbedingungen die Ventileinlage instabil wird und sich diese ungleichmäßig auf den Oberflächen der Ventilrippen abrollt, wenn das Ventil vom offenen in den geschlossenen Zustand linear übergeht. Es hat sich auch gezeigt, daß sich in einzelnen Fällen eine Über zentrierung in den offenen Zustand ergibt, wenn die Ventileinlage nur etwa 2/3 geöffnet war. Ferner zeigte sich vereinzelt auch, daß die Ventileinlage beim Übergang von der offenen in die geschlossene Position nur langsam die vollgeschlossene Position einnimmt, wobei gelegentlich mehrere Minuten notwendig waren, bevor die Ventileinlage am Ventilsitz 46 voll anlag. Durch Maßnahmen gemäß der Erfindung wurden diese Instabilitäten überwunden und insbesondere die langsame Schließzeit wesentlich verbessert.

Diese Verbesserung ergibt sich durch das Vorsehen eines flachen ausgearbeiteten Bereiches 61, der in Fig. 7 kreuzschraffiert dargestellt ist, zwischen der Ventileinlage 30 und den Ventilrippen 42 entlang einer Stoßlinie 63 zwischen der Ventileinlage 30 und den Ventilrippen 42. Als Stoßlinie wird diejenige Schnittlinie einer imaginären Ebene betrachtet, welche senkrecht auf einer Durchmesserebene steht und vom Berührungspunkt der Ventileinlage 30 mit dem Ventilsitz 46 am einen Ende zum Berührungspunkt der Ventileinlage 30 mit den Stützrippen am gegenüberliegenden Ende verläuft , wenn das Drosselventil geschlossen ist.

Durch diese Stoßlinie wird eine imaginäre Kegelstumpfmantelfläche gekennzeichnet, die zwischen der Ventileinlage 30 und den Oberflächen der Ventilrippen 42 liegt. Wenn der Druck in der Steuerkammer 54 gleich dem Druck in den Strömungs-

schlitzen

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sclilitzen 45 ist und die Ventileinlage das Drosselventil ververschließt., hat diese Ventileinlage eine äußere kegelstumpf förmige Oberfläche, welche in einem Abstand von der inneren Oberfläche der Ventilrippen verläuft, wobei diese Oberfläche der Ventilrippen definitionsgemäß mit der Stoßlinie 33 zusammenfällt.

Aus Fig. 6 ergibt sich eine weitere Modifikation der Ventileinlage 30 zur Verbesserung der Stabilität beim anfänglichen Öffnen des Ventils. Die Ventileinlage 30 ist im oberen Bereich 77 mit einer Vertiefung, bezogen auf die Berührungsebene am obersten Teil der Ventileinlage versehen. Diese Vertiefung des oberen mittleren Bereiches ermöglicht, daß die Ventileinlage früher mit dem Scheitelpunkt 58 der Stauplatte 52 in Berührung kommt, wenn sich das Ventil öffnet. Durch diese frühere Berührung beim Öffnen des Ventils wird die lineare Stabilität verbessert und eine linearere Öffnungsbewegung in einem partialen Öffnungsbereich erreicht. Da sich das Drosselventil bei gesteuerten Betriebseinsätzen fast immer im teilweise geöffneten Zustand befindet, ist die Verbesserung der Linearität und Stabilität von großer Wichtigkeit. Durch die Vertiefung im oberen Zentralbereich ist der Abstand zum Scheitelpunkt 58 der Stauplatte verringert, und zwar etwa um 1 bis 5 %, bezogen auf den Außendurchmesser der Ventileinlage.

Der flache ausgearbeitete Bereich 61kann entweder durch eine entsprechende Formgebung an der Ventileinlage vorgesehen oder kann durch eine entsprechende Ausarbeitung der Oberflächen der Ventilrippen 42 hergestellt werden. Die Breite dieses ausgearbeiteten Bereiches ist unkritisch und braucht auch nicht über die gesamte Länge gleich zu sein. Die Breite, bezogen auf eine Durchmesserebene soll mindestens 2 % der Dicke der Ventileinlage

und

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und nicht mehr als etwa 50 % der Dicke der Ventileinlage an irgendeinem beliebigen Punkt des ausgearbeiteten Bereiches sein. Es ist auch nicht notwendig, daß sich der flache ausgearbeitete Bereich 61 über die gesamte Länge der Stoßlinie 63 erstreckt. Jedoch ist vorgesehen, daß sich dieser ausgearbeitete Bereich 61 vorzugsweise von einem Punkt aus erstreckt, der von beiden Enden der Stoßlinxe entfernt liegt und bis zu einem Punkt verläuft, der zumindest 25 % der Länge der Stoßlinie bzw. der Berührungsebene ausmacht.

Der flache ausgearbeitete Bereich 61 wird vorzugsweise an der Ventileinlage 30 angebracht, wobei hierfür, wie aus Fig. entnehmbar, die Ventileinlage entsprechend konstruktiv ausgebildet wird. Der oberste gekrümmte Bereich 71 der Ventileinlage beginnt nach dem Ventilsitz 46 von der Stoßlinie 63 wegzuverlaufen. Ein äußerer, über den Umfang verlaufender Oberflächenabschnitt 73, der grundsätzlich geradlinig verläuft, erstreckt sich unter einem Winkel A, bezogen auf die Mittelachse der Ventileinlage. Dieser Winkel A ist so groß, daß zwischen dem Oberflächenabschnitt 73 und dem obersten gekrümmten Bereich 71 ein Sprung 75 entsteht. Der Winkel A hat vorzugsweise einen Wert zwischen etwa 40 bis etwa 50 , wobei einem mittleren Wert von etwa 45 Vorzug gegeben wird. Der Unterschied, der sich aus dem Verlauf des Oberflächenabschnitts 43 längs dem einen Schenkel des Winkels A und dem Verlauf der durch die Weiterführung des gekrümmten Bereiches 41 sich ergebenden Ebene einstellt, ergibt den flachen ausgearbeiteten Bereich 61, wobei sich dieser keilförmig entlang der Stoßlinie 63 bis zum Sprung 75 vergrößert. Diese Ausgestaltung des ausgearbeiteten Bereiches läßt sich sowohl durch die Formgebung der Oberfläche der Ventileinlage als auch durch eine entsprechende Formgebung der Oberflächen der Ventilrippen erzielen, wobei

es

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es durchaus vorstellbar ist, auch eine Kombination beider Maßnahmen vorzusehen. Der flache ausgearbeitete Bereich 61 ist vorzugsweise keilförmig in seinem Verlauf, jedoch sind auch andere Formgebungen möglich und vorgesehen, wobei sich rechtwinklige, dreieckige, halbmondförmige oder beliebig gekrümmte Querschnittsflächen für den flachen ausgearbeiteten Bereich ergeben können.

Die innere Oberfläche 74 der Ventileinlage 30 im Bereich des Ventilsitzes verläuft etwa unter einem Winkel B zur Mittelachse, wobei dieser Winkel kleiner als der Winkel A ist. Dadurch ergibt sich eine Verdickung der Ventileinlage in Richtung auf den Umfangsbereich, und zwar über die gesamte Länge des flach ausgearbeiteten Bereiches 61. Für den Winkel B werden Werte in der Größenordnung von 30 bis 45 vorgesehen, wobei ein Winkel von etwa 35 Vorzug hat. Die sich dadurch ergebende konische Verdickung der Ventileinlage stellt lediglich eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar, welche für besondere Anwendungsfälle auch Ventileinlagen vorsieht, bei welchen der Winkel A gleich dem Winkel B ist.

Für die Erläuterung der verbesserten Wirkungsweise des Drosselventils gemäß der Erfindung gibt es keine sichere Theorie, jedoch wird angenommen, daß sowohl die räumliche Konfiguration der Ventileinlage und des Ventilkörpers als auch dynamische Eigenschaften der Ventileinlage während des Betriebs im halboffenen Zustand für die verbesserten Eigenschaften verantwortlich sind. Insbesondere wird angenommen, daß die Reibung zwischen der Ventileinlage und den Ventilrippen, wenn sich die Einlage an diese anlegt bzw. von diesen abrollt, durch das Vorsehen eines Abrolleffektes verringert wird, welcher in einem Bereich mit im wesentlichen einem Differenzdruck Null entlang einer Umfang s

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fangslinie der Ventileinlage auftritt. Es wird davon ausgegangen, daß sich bei einem halboffenen Ventil immer eine Umfangslinie an der Ventileinlage ergibt, bei welcher der Differenzdruck zwischen der Innenseite und der Außenseite im wesentlichen Null ist.

Für ein spezielles Beispiel, bei welchem der Druck vor dem

2
Ventil etwa 21kg/cm beträgt und der Druck nach dem Ventil

2
etwa 3, 5 kg/cm ist, muß der Steuerdruck in der Steuerkammer 54 zwischen diesen beiden Druckwerten für jegliche Position liegen, in welcher das Ventil teilweise geöffnet ist. Üblicherweise wird der Steuerdruck näher bei dem höheren Druck liegen. Wenn das Medium von der höheren Druckseite aus durch die Strömungsschlitze 45 und den Strömungsweg 40 fließt, baut sich der Druck vom hohen Wert auf den niederen WeH, d. h.

2 2

von 21 kg/cm auf 3,5 kg/cm ab. Wegen des verhältnismäßig größeren Ventilkörpers, der bei der Erfindung Verwendung findet, wird angenommen, daß dieser Übergang im wesentlichen kurz nach der Vorderkante der sich abrollenden Ventileinlage beendet ist. Während dieses Übergangs vom hohen Druckwert auf den niederen Druckwert ergibt sich kurz nach der Vorderkante der abrollenden Ventileinlage ein Punkt, bei welchem der Druck auf der Außenseite der Ventileinlage im wesentlichen gleich dem mittleren Steuerdruck auf der Innenseite der Ventileinlage ist.

Wenn das Ventil mit einer Druckdifferenz zwischen der Steuerkammer 54 und den Strömungsschlitzen 45 betrieben wird, die die Elastizitätsgrenze der Ventileinlage übersteigt, ergibt sich eine Verformung aufgrund des Differenzdruckes in den flachen ausgearbeiteten Bereich 61 hinein, so daß die Ventileinlage an den Ventilrippen 42 zur Anlage kommt und in diesem Bereich

der

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der freie Raum zwischen der Ventileinlage und den Ventilrippen nicht mehr existiert. Es wird jedoch angenommen, daß an dem Punkt bzw. längs der Linie, an welchem sich der Differenzdruck Null ergibt und geringfügig zu beiden Seiten dieser Stelle j die elastischen Eigenschaften der Ventileinlagen ausreichen, um die Ventileinlage zumindest in diesem Bereich von der Berührung mit den Ventilrippen freizuhalten. Dadurch bildet sich eine taschenförmige Vertiefung 67 aus, welche sich mit dem Strömungsmedium füllt, das dann seinerseits einen Lagereffekt bewirkt und die Reibung verringert, so daß sich die Ventileinlage leichter abrollen kann.

Es wird angenommen, daß sich die Verformung der Ventileinlage im Bereich der Vorderkante der Rollbewegung in einer Zwischen lage zwischen dem geschlossenen und voll geöffneten Zu stand in der in Fig. 8 dargestellten Weise einstellt. Die dargestellte Tasche 67 wird in dem Bereich angenommen, in dem der Differenzdruck im wesentlichen Null ist und sich daher aufgrund der elastischen Eigenschaften der Ventileinlage 30 die Tasche ausbilden kann. Durch die Ausbildung der Tasche ändert sich die Geometrie der Vorderkante 69, der sich abrollenden Ventileinlage. Durch die Ausbildung dieser Tasche wird der Anteil der Kraft verringert, der von der Ventileinlage in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche der Ventilrippen 42 wirkt. Diese Kraftverringerung senkrecht zur Oberfläche der Ventilrippen und die Verringerung der Reibung aufgrund des Abrolleffektes und der Wirkung der Tasche 67 läßt eine viel leichtere Verschiebung der Vorderkante 69 der sich abrollenden Ventileinlage zu.

Durch die Maßnahmen der Erfindung ergeben sich Vorteile in allen Betriebsbedingungen des Drosselventils, wobei ein solches

Drossel-

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Drosselventil insbesondere für einen Betrieb geeignet ist, bei weichem die Druckdifferenz zwischen der Steuerkammer und der stromungsabwärts gelegenen Seite des Ventils besonders klein ist. Unabhängig von der dargestellten Ausführungsform kann das Ventil in seinem konstruktiven Aufbau vielfach modifiziert sein. So ist es z.B. möglich, an-stelle eines einstückigen Ventilgehäuses dieses aus mehreren Teilen zusammenzusetzen, wobei die Rippen einerseits and die Stauplatte andererseits durch geeignete Befestigungsmittel im Gehäuse festgehalten werden.

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Claims

Patentansprüche

( IJ Drosselventil mit einem in einen Rohrleitungsabschnitt eingefügten Gehäuse und einem im wesentlichen koaxial angeordneten Ventileinlauf sowie Ventilauslauf, einer quer zum Gehäuse innern verlaufenden kegeligen Stauplatte, welche einen ringförmigen Strömungsweg für das Medium festlegt und einen zentral zum Ventileinlaß weisenden Scheitelpunkt hat, einer Vielzahl von Ventilrippen, welche sich vom Umfang der Stauplatte zum Ventileinlauf erstrecken und ein kegelstumpfförmiges, eine Vielzahl von Strömungsschlitzen umfassendes Gitter bilden, und mit einer elastisch verformbaren Ventileinlage, welche auf der strömungsaufwärts gelegenen Seite der Stauplatte angeordnet ist, mit einem umlaufenden Rand an der Stauplatte dicht anliegt und zusammen mit der Stauplatte eine mit einem Steuerdruck beaufschlagbare Steuerkammer begrenzt, wobei die Ventileinlage mit der äußeren Oberfläche den Ventilrippen gegenüberliegend zugeordnet ist, sich mit abnehmendem Steuerdruck von der Schließstellung ausgehend vom kegelstumpfförmigen Gitter abrollt und die Strömungsschlitze zunehmend freigibt, wogegen ein ansteigender Steuerdruck die Ventileinlage von einer Offenstellung ausgehend zunehmend an die Ventilrippen rollend anlegt und die Strömungsschlitze verschließt, dadurch gekennzeichnet,

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- daß die innere Oberfläche (43) der Ventilrippen (42) und der zugeordnete äußere Oberflächenabschnitt (73) der Ventileinlage (30) einander gegenüberliegend derart ausgebildet sind, daß sich im geschlossenen Zustand des Drosselventils (16) dazwischen ein freier Bereich (71) ergibt.
2. Drosselventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der äußere Oberflächenabschnitt (73) der Ventileinlage (30) mit einem flachen ausgesparten Bereich (71) versehen ist.
3. Drosselventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Ventilrippen (42) auf der inneren Oberfläche mit einem flachen ausgesparten Bereich versehen sind.
4. Drosselventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der freie Abstand des äußeren Oberflächenabschnittes der Ventileinlage von der inneren Oberfläche der Ventilrippen etwa 2 bis etwa 50 % der Dicke der Ventileinlage im Bereich des äußeren Oberflächenabschnittes beträgt.
5. Drosselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, -

- daß die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Ventilrippen und der zugeordnete äußere Oberflächenabschnitt der Ventileinlage in einem Abstand konisch zueinander verlaufen.
6. Drosselventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß der ausgesparte Bereich ((71) im äußeren Oberflächenabschnitt (73) der Ventileinlage sich ringförmig über den Ober-

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flächenabschnitt erstreckt.
7. Drosselventil nach einem oder mehreren der Ansprüche bis 6, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Dicke der Ventileinlage im konischen Bereich des äußeren Oberflächenabschnittes vom Umfang der Stauplatte ausgehend zum Ventileinlauf hin abnimmt.

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BAD ORIGINAL