DE3007287C2 - Zentriereinrichtung für das Kugelküken eines Kugelhahns großer Nennweite - Google Patents

Description

a) im Hahngehäuse (3) Verriegelungsbolzen (14a bis \4d) vorgesehen sind, die durch je einen Betätigungszylinder (16a bis I6d) betätigbar sind und in das Kugelküken (4) eingreifen können,

b) die Wellenzapfen (7a und Tb) des Kugelkükens (4) mit je einem in Richtung der Kugelküken-Drefea<hse Y-Y wirkenden Stellzylinder (20a und 2öb), einem Längenmesser (21a und 2Ib) und einem Temperaturmesser (22a und 22b) versehen sind,und

c) die Betätigungszylinder (16a bis \Sd) der Verriegetungsbolzen (14a bis Hd) und die Stellzylinder (20a und 21ib) der Wellenzapfen (7a und Tb) mit einer Steuereinheit (45) in Wirkverbindung stehen, welche die Druckbeaiifschlagung der Beiätigungszylinder und der Siellzylinder in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Kugelkükens bz>». der Längenden- nung und der Temperatur der Wellenzapfen so steuert, daß das Kugelküken (4) in seinem Endschaltstellungen zentrr ch zu den Dichtringen (5,6) ausgerichtet ist.

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2. Zentriereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit vier Verriegelungsbolzen (14a bis I4d) versehen ist, die in der mittleren, senkrecht zur Kugelküken-Drehachse Y-Y liegenden Längsebene des Kugelhahns und paarweise symmetrisch sowie parallel zu der in diesor Längsebene und senkrecht zur Durchflußachsc liegenden Achse X-X des Kugelkükens (4) angeordnet sind.

3. Zentriereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungsbolzen (14a bis 144) am Umfang des Kugelkükens (4) in Nuten (17) eingreifen, die zwischen zwei jeweils benachbarten Dichtflächen (12a bis \2d) des Kugelkükens liegen.

4. Zentriereinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungsbolzen (14,7 bis \4d) mit in Richtung der Kugelküken-Drehachse Y-Y keilförmig ausgebildeten Köpfen (18) versehen sind, deren Profil und deren Abmessungen denen der mit ihnen zusammenwirkenden Nuten (17) im Kugelküken (4) angepaßt sind.

5. Zentriereinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Stellzylinder (20a und 2Qb) für das Kugelküken (4) als Tandem-Zylinder ausgebildet sind.

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Die Erfindung betrifft eine Zentriereinrichtung /um Ausrichten eines in einem Hahngehäuse über zwei Wellenzapfen gelagerten Kugelkükens in eine zu zwei axial verschiebbaren, an das Kugelküken anpreßbaren Dichtringen zentrische Lage für einen Kugelhahn großer Nennweite, durch welchen Gase unter hohem Druck und hoher Temperatur strömen.

Derartige Kugelhähne werden beispielsweise in Kernreaktoranlagen bei Gastemperaturen von ca. 900⁰C und Drücken von über 40 bar eingesetzt. Dadurch sind sowohl das Kugelküken als auch die mit ihm zusammenwirkenden Dichtringe einer sehr hohen thermischen und mechanischen Belastung ausgesetzt Der unter diesen extremen Betriebsbedingungen arbeitende Kugelhahn muß dennoch gtrade bei iCernreaktoranlagen stets einwandfrei dichtende Ventilsitze aufweisen. Hierfür ist es erforderlich, das Kugelküken zentrisch zu führen, damit seine Dichtflächen stets genau mittig zu den Dichtflächen der ebenfalls zentrisch geführten Dichtringe liegen. Die Lagerung und Führung des thermischen hoch bean spruchten Kugeikükens müssen dabei so beschaffen sein, daß dieses sich auch in Richtung seiner Drehachse Y-Y frei ausdehnen kann. Der Forderung nach freier Dehnbarkeit kann man in der Praxis beispielsweise mit einem festen und einem losen Drehlager oder aber mit zwei losen Lagern mit mechanischer Hubbegrenzung durch Tellerfederri oder ähnlichen Vorrichtungen Rechnung tragen. Eine derartige Lagerung des Kugelkükens ist jedoch von Nachteil, wenn eine Störung beim Schaltvorgang eintritt und das Kugelküken in einer Zwischenstellung zwischen den beiden Endschaltstellungen (Offen- und Schließstellung) stehenbleibt. In diesem Fall kann sich eine links und rechts von der Mitte unterschiedliche Wärmebeanspruchung des Kugelkükens ergeben, die eine ebenfalls unterschiedliche Ausdehnung und somit eine Mittenverstellung dieses Teiles zur Folge hat. Die Mittenzentrierung des Kugelkükens gegenüber den Dichtringen geht damit verloren und es ergibt sich dadurch eine Exzentrizität der Ventilsitze, die sowohl Ventilundichtigkeiten als auch unzulässige Beanspruchungen der Lagerung des Kugelkükens zur Folge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde diese Nachteile zu vermeiden und eine Zentriereinrichtung für einen Kugelhahn der eingangs genannten Art zu schaffen, die gewährleistet, daß das Kugelküken in beiden Endschaltstellungen (Offen- und Schließstellung), insbesondere beirr· Stehenbleiben in einer Zwischenstel lung während des Schaltvorganges, stets eine genau mittige Lage einnimmt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß:

a) im Hahngehäuse Verriegelungsbolzcn vorgesehen sind, die durch je einen Betaiigungszylindcr betätigbar sind und in das Kugelküken eingreifen können.

b) die Wellenzapfen des Kugelkükens mit je einem in Richtung der Kugelküken-Drehachse V-V wirkenden Stellzylinder, einem Längenmesser und einem Temperaturmesser versehen sind, und

c) die Betätigungszylinder der Verriegeiungsbol/en und die Stellzv linder der Wellenzapfen mi; einer Steuereinheit in Wirkvcrbmdung stehen, weiche die Druckbcaufsehlagung der Betätigungs/ylincicr und der Stellzylinder in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Kugelkükens bzw. der Längendehnung und der Temperatur der Wellenzapfen so steuert, daß das Kugelküken in seinen F.iidschalt-

Stellungen zentrisch zu den Dichtringen ausgerichtet ist

In den beiden Endschaltstellungen des Kugelhahns (Offen- und Schließstellung) greifen die Verriegelungs- > bolzen in das Kugelküken ein, womit dieses genau mittig zu den beiden Dichtringen fixiert wird. Beim Umschalten des Ventils wird zuerst das Kugelküken entriegelt Bei einem normalen Schaltvorgang ist die Schaltdauer so kurz, daß das Kugelküken seine genau mittige Lage n> beibehält Bleibt jedoch dabei das Kugelküken in Folge einer Störung in einer Zwischenstellung stehen, kann sich dann aufgrund ungleichmäßiger Wärmebeanspruchung des Kugelkükens eine Mittenverstellung ergeben, die zu einer Exzentrizität der Ventilsitze führen würde. In diesem Fall sorgt die Steuereinheit dafür, daß die StellzylindcT der Wellenzapfen das Kugelküken entsprechend der eingetretenen Mittenabweichung soweit verstellen, bis er seine genau mittige Lage wieder erreicht Maß und Richtung der Versteilung werden dabei mit Hilfe der Längenmesser bzw. der Temperatur messer der Weilenzapfen festgestellt

Es ist ferner nach einem weiteren Vorschlag gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Zentriereinrichtung mit vier Verriegelungsbolzen versehen ist, die in der mittleren, senkrecht zur Kugelküken-Drehachse Y-Y liegenden Längsebene des Kugelhahns und paarweise symmetrisch sowie parallel zu der in dieser Längsebene und senkrecht zur Durchflußachse liegenden Achse X-X des Kugelkükens angeordnet sind. Auf diese Weise wird eine sichere Fixierung des Kugelkükens in seiner genau mittigen Lage erzielt.

Es ist dabei zweckmäßig, wenn die Verriegelungsbolzen am Umfang des Kugelkükens in Nuten eingreifen, die zwischen zwei jeweils benachbarten Dichtflächen des Kugelkükens liegen.

Zweckmäßigerweise sind die Verriegelungsbolzen mit in Richtung der Kugelküken-Drehachse Y-Y keilförmig ausgebildeten Köpfen versehen, deren Profil und deren Abmessungen denen der mit ihnen zusammenwirkenden Nuten im Kugelküken angepaßt sind.

Die keilförmige Ausbildung der Verriegelungsbolzen und der Nuten erleichtert die Ver- und Entriegelung der Bolzen sowie die Mkienzentrierung les Kugelkükens. ⁴S

Es ist ferner nach einem weiteren Vorschlag gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Stellzylinder für das Kugelküken als Tandem-Zylinder ausgebildet sind. Damit wird die Funktion der Stellzylinder auch bei Ausfall des einen Zylinderteils durch den zweiten Zylinderteil aufrechterhalten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Kugelhahn mit Bolzenverriegelung sowie mit temperatur- und längendehnungsabhängiger Mittenzentrierung des Kugelkükens, im Längsschnitt dargestellt, und zwar

a) linke Hälfte oben, in Offenstellung, Dichtflächen angepreßt.

Ό) linke Hälfte unten, in Offenstellung. Dichtflächen gelöst.

c) rechte Hälfte, in Zu-Stellung Dichtflächen angepreßt.

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Fig. 2 einen vereinfachten Steuerungsplan für die Bolzenverriegclung und die Mittcn/entrierung, wobei die Verriegclungsbolzen in einer um 9(T verdrehten Mittelebene dargestellt sind

Der in Fig. 1 dargestellte Kugelhahn weist ein dreiteiliges Hahngehäuse mit Gehäuseanschlußteilen 1 und 2 sowie einem Mittelteil 3, ferner ein Kugelküken 4 sowie zwei axial verschiebbare Dichtringe 5 und 6 auf.

Das Kugelküken 4 ist mit Wellenzapfen 7a und 76 versehen, die im Mittelteil 3 des Hahngehäuses drehbar gelagert sind.

Die Dichtringe 5 und 6 sind durch Kondensatoren 8 mit den Gehäuseanschluß teilen 1 und 2 verbunden und durch an ihrem Außenumfang eingreifende Führungsbolzen 9 axial geführt Sie können mittels druckmittelbeaufschlagbarer Anpreßbälge 10 bzw. Lösebälge 11 verschoben werden.

Das Kugelküken 4 weist vier ringförmige Dichtflächen 12a bis XId auf, die paarweise senkrecht zueinander liegen. Sie bilden die Dichtsitze des Ventils im Zusammenwirken mit ebenfalls ringförmigen Dichtflächen 13a ihid 136 der Dichtringe 5 und 6.

Im Mittelteil 3 des Hahngehäuses %U'i vier Verriegelungsbolzen 14a bis 14c/ vorgesehen, die in ;ier mittleren, senkrecht zur Kugelküken-Drehachse Y-Y liegenden Längsebene des Kugelhahns und paarweise symmetrisch sowie parallel zu der in dieser Längsebene Hegenden Achse X-X des Kugelkükens 4 angeordnet sind. Die Verriegelungsbolzen 14a bis 14c/ sind in Gehäusestutzen 15 geführt und mit Hilfe von Stellzylindern 16a bis 16c/verschiebbar. Die Verriegelungsbolzen 14a bis 14c/ greifen am Umfang des Kugelkükens 4 in Nuten 17 ein, die zwischen den beiden, jeweils benachbarten Dichtflächen 13a bis 13c/des Kugelkükens 4 liegen. Die Verriegelungsbolzen 14a bis 14c/ weisen einen in Richtung der Kugelküken-Drehachse Y-Y keilförmigen Kopf 18 auf. der sowohl bezüglich seines keilförmigen Profils als auch seiner Abmessungen dem Profil und den Abmessungen der Nuten 17 angepaßt ist.

Wie aus F i g. 2 ersichtlich, sind die Wellenzapfen 7a und 76 des Kugelkükens 4 in Lagergehäusen 19rf und 196 gelagert, die im Hahngehäuse 3 befestigt sind. Jedem der Wellenzapfen 7a und 76 ist ein hydraulischer Stellzylinder 20a bzw. 206 sowie ein elektrischer Längenmesser 21a bzw. 216 und ein Temperaturmesser 22a bzw. 226 zugeordnet.

Die hydraulischen Stellzylinder 20a und 206 sind als Tandemzylinder ausgebildet und wirken auf die Wellenzapfen 7a und 76 in Richtung der Kugelküken-Drehachse Y- Y. Sie stehen über Leitungen 23 und 24 mit je einem hydraulischen Druckspeicher 25a bzw. 256 in Verbindung und sind außerdem mit einer hydraulischen Druckmittelquelle 26 über Leitungen 27, 28, 29,30 und 31 sowie über Leitungen 32 und 33 verbindbar. In der Leitung 29 ist ein Servoventil 34 angeordnet. In den Lei.'ungen 30 und 31 sowie in der Leitung 32 sind elektromagnetisch betätigte Absperrventile 35 bzw 36 vorgesehen.

Die Betätigungszylinder 16a bis 16c/ der Verriegelungsbolzen 14a bis 14c/ sind ihrerseits mit der hydraulischen Druckmittelquelle 26 über eine Zuleitung 37 und ferner über Leitungen 38, 39 und 40 sowie über Rücklaufleitungen 41, 42 und 43 verbindbar. In den Leitungen 37 und 43 ist ein elektromagnetisch betätigbares Wegeventil 44 angeordnet.

Die Stellzylinder 20a und 206 sowie die Betätigungszylinder 16a und 166; iehen mit einem als Steuereinheil dienenden Rechner 45 in Wirkverbindung. Diese weist einen Wellenzapfenlängen-Sollwertgeber 46. einen Wellenzapfenlängen-Istwertgeber 47. einen Wellenzapfentempera'ur-Istwertgeber 48, ein Rechenglied 49 zur

Ermittlung der Mittenabwcichung des Kugelkükens 4 und einen Impulsgeber 50 zur Erzeugung eines von der Mittenabweichiing abhängigen Steuerimpulses für das Servoventil 34 auf.

Der Rechner 45 steht auch mit einer nicht dargestellten Steuereinrichtung in Wirkverbindmg, durch welche die Betätigungsvorrichtung zum Umschalten des Kugelhahns gesteuert wird.

Der Rechner 45 erhält hierdurch die Steuerimpulse der nicht dargestellten Steuereinrichtung und kann sie in die Steuerung der Betäligungszylinder 16a bis 16c/ und der Stellzylinder 20.7 und 206 miteinbeziehcn, so daß diese jeweils in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Kugelhahns beaufschlagt werden.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Verriegelungs-und Mittenzentrieiungsvorrichtung für das Kugelküken 4 ist wie folgt:

in den beiden in Fig. i dargestellten Endschaitsteilungen des Kugelkükens 4 sind die Betätigungszylinder 16a bis 16c/der Verriegelungsbolzen 14.-I bis 14c/über das vom Rechner 45 gesteuerte Wegeventil 44 beaufschlagt. Die Verriegelungsbolzen 14a bis 14c/ greifen in die Nuten 17 des Kugelkükens 4 ein und fixieren dieses in seiner zentrischen Mittenlage, in der es genau mittig zu den beiden Dichtringen 5 und 6 zentriert ist.

Beim Einleiten eines Schaltvorganges wird das Wegeventil 44 durch den Rechner 45 umgeschaltet. Die Betätigungszylinder 16a bis 16c/ werden nunmehr in umgekehrter Richtung beaufschlagt und ziehen die Verriegelungsbolzen 14a bis 14c/soweit zurück, bis diese aus den Nuten 17 herauskommen. Das Kugelküken 4 ist somit entriegelt und kann nunmehr in die gewünschte Endschaltstellung gedreht werden.

Nach Wegfall der Verriegelung würde das Kugelkü- J5 ken 4 in atr Küge'kiiken-Orehachse Y- Y»schwimmen«. Das wird dadurch verhindert, daß der hydraulische Kreislauf der beiden Stellzylinder 20a und 206 mit Hilfe der beiden Absperrventile 35 und 36 abgesperrt wird. Somit kann sich das Kugelküken 4 beim Drehvorgang infolge unterschiedlicher Strömungsbeaufschlagung entlang der Kugelküken-Drehachse V-Knicht verschieben.

Im Normalfall kann praktisch während des kurzen Drehvorganges (von ca. 5 Sekunden) keine Mittenverstellung des nunmehr hydraulisch blockierten Kugelkükens 4 erfolgen. Nach Ablauf des Drehvorganges schaltet der Rechner 45 das Wegeventil 44 wieder um und die Betätigungszylinder 16a bis 16</schieben erneut die VerriegelungsDolzen 14a bis 14c/in die Nuten 17 des Kugelkükens 4 ein, womit dieses erneut in seiner genau zentrischen Mittenlage fixiert wird.

Bleibt jedoch das Kugelküken 4 infolge einer Störung während des Drehvorganges in einer Zwischenstellung zwischen den beiden Endschaltsteüungen stehen. können sich dann im Kugelküken 4 Wärmebeanspruchungen ergeben, die eine Längendehnung der Wellenzapfen 7a und/oder 76 zur Folge haben. Dies macht sich durch Druckerhöhung im abgesperrten Hydraulikkreislauf der Stellzylinder 20a und 206 bemerkbar und wird in den zwei Hydraulikspeichern 25a und 256 kompensiert.

Die beiden Längenmesser 21a und 21 6 an den Enden der Wellenzapfen 7a und Tb zeigen dabei eine gleichmäßige Ausdehnung an, obwohl unter Umständen die eine oder andere Seite durch Temperatureinwirkung sich tatsächlich unterschiedlich ausgedehnt hat und das Kugelküken 4 nicht mehr mittig lagert. Die Anzeige der Längenmesser 21a und 216 wird vom Istwertgeber 47 registriert. Gleichzeitig ermitteln die beiden Temperuturmesser 22a und 22b die Temperatur der beiden Wellenzapfen 7a und Ib. und übermitteln die Meßwerte an den Istwertgeber 48. Letzterer stellt fest, auf welcher Seite des Kugelkükens 4 die höhere Temperatur herrscht und meldet (.lies dem Istvvertgeber 47.

Der Istwertgeber 47 ermittelt dann den Istwert der Wellenzapfenlänge auf der Seite, welche die höhere Temperatur aufweisi. und gibt ihn weiter an das Rechenglicd 49. welches in Abhängigkeit von diesem Istwert und dem entsprechenden Sollwert des Sollwert gebers 46 die aufgetretene Mittenabweichung des Kugelkükens 4 ermittelt.

Der Impulsgeber Si) erzeugt seinerseits in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Rechengliedes 49 einen Steuerimpuls, mit dem das Servoventil 34 gesteuert wird.

Nach Behebung eier Störung und Abscniuü des Drehvorganges wird dann die hydraulische Blockierung der beiden Stellzylinder 20a und 20b aufgehoben, in dem der Rechner 45 die beiden Absperrventile 35 und 36 wieder umschaltet. Das Kugelküken 4 wird dann mit Hilfe der Stellzylinder 20a und 20b entsprechend der aufgetretenen Mittenabweichung verschoben, wobei das Maß und die Richtung der Verschiebung die Mittenabweichung kompensieren, indem das Servoventil 34 in Abhängigkeit von dem Steuerimpuls des Impulsgebers 50 im Rechner 45 die Beaufschlagung der Stellzylinder 20a und IiOb entsprechend beeinflußt.

Anschließend wird Jas Kugelküken 4 erneut mit Hilfe der Verriegelungsbol/.en 14a bis 14c/ in der wiederhergestellten genauen M ttenlage arretiert.

Dehnt sich bei verriegeltem Kugelküken 4 der eine oder andere der Wellenzapfen 7a und Tb aus Temperatureinflüsser aus, kann der Rechner 45 die Ventile im hydraulischen Kreislauf der Sieüzyünder 20a und 206 so steuern, daß an den Wellenzapfen 7a und Tb der gleiche Hydraulikdruck ansteht. Gleichzeitig sorgt ein nicht dargestellter Kühlkreislauf, mit dem die Wellenzapfen 7a und Tb sowie deren Lager versehen sind, dafür, daß die Kühlung auf der thermisch höher beanspruchten Seite verstärkt wird, um der dort aufgetretenen Ausdehnung des Wellenzapfens entgegenzuwirken.

Nach Behebung der Mittenabweichung mit Hilfe der Stellzylinder 20a und 206 ergeben sich infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung entsprechend'unterschiedliche Längen der Wellenzapfen 7a und Tb. Diese werden vor. den Längenmessern 21« und 216 registriert, welche die Längenmeßwerte als neue Sollwerte an den Sollwertgeber 46 und den Istwertgeber 47 weiterleiten.

Bei einem neuen Umschalten des Ventils gelten dann für den Rechner 45 diese Werte als die neuen Mittenwerte, die bei einem erneuten Störungsfall für die Korrektur der Mittenlage des Kugelkükens 4 maßgeblich sind.

Die beschriebene Verriegelungs- und Zentrierungsvorrichtung gewährte istet eine genau zentrische Mittenlage des Kugelküken; 4 in den beiden Endschaltstellungen mit Hilfe der Verriegelungsbolzen 14a bis 14c/. wobei im Falle eines gestörten Schaltvorganges die Zentriereinrichtung eine eventuelle Mittenverstellung des Kugelkükens 4 infolge unterschiedlicher Wärmebeanspruchungen auf beiden Seiten desselben die Lage des Kugelkükens 4 mit Hilfe der Stellzylinder 20a und 206 selbsttätig korrigiert.

Hierbei wird die Zentriereinrichtung von den

Verriegelungsbolzen 14a bis XAd etwas unterstützt, da diese aufgrund ihrer keilförmigen Ausbildung im Zusammenwirken mi: den Nuten 17 das Kugelküken 4 noch um ca. ±0.5 mm in Richtung der Kugelküken-Drehachse Y- Y verschieben können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche: -

1. Zentriereinrichtung zum Ausrichten eines in einem Hahngehäuse über zwei Wellenzapfen gelagerten Kugelkükens in eine zu zwei axial verschieb- baren, an das Kugelküken anpreßbaren Dichtringen zentrische Lage für einen Kugelhahn großer Nennweite, durch welchen Gase unter hohem Druck und hoher Temperatur strömen, dadurch gekennzeichnet, daß