DE3029884C2

DE3029884C2 - Hydraulische Stoßbremse für Rohrleitungssysteme

Info

Publication number: DE3029884C2
Application number: DE3029884A
Authority: DE
Inventors: Udo 7530 Pforzheim Erlenmayer; Reinhard Dipl.-Ing. 7540 Neuenbürg Gropp; Hans Dipl.-Ing. 7530 Pforzheim Zenn
Original assignee: Witzenmann GmbH
Current assignee: Witzenmann GmbH
Priority date: 1980-08-07
Filing date: 1980-08-07
Publication date: 1982-11-25
Also published as: DE8026458U1; DE3029884A1

Description

Die Erfindung geht aus von einer Stoßbremse der im Oberbegriff der beiden nebeneinandergestellten Hauptansprüche 1 und 6 dargestellten und z. B. durch das DE-GM 77 15 444 bekanntgewordenen Art

Derartige Stoßbremsen dienen vor allem in Kraftwerken und kerntechnischen Anlagen dazu, Rohrleitungssysteme mit den Gebäudeteilen dieser Anlagen zu verbinden. Die Funktion der Stoßbremsen besteht darin, langsame, in der Regel wärr<edehnungsbedingte Kriechbewegungen der Rohrleitung ohne nennenswerte Behinderung zuzulassen, andererseits aber rasche, stoßartige Bewegungen, beispielsweise aufgrund von Wasserschlag, Erdbeben oder anderen anormalen Ereignissen zu unterbinden und wie eine starre Halterung zu wirken, damit die Rohrleitungen nicht relativ zu den Gebäudeteilen schwingen und damit Leitungsstöße nicht unmittelbar in das Gebäudeinnere, beispielsweise zum Reaktor, durchschlagen können. Grundsätzlich sind also nur langsame Kriechbewegungen des Kolbens zulässig; dadurch ist auch ein Druckabbau bei unter Last stehender Stoßbremse möglich.

An diese Stoßbremsen werden insbesondere bei Eignung für kerntechnische Anlagen hohe Anforderungen gestellt. Dabei sind von entscheidender Bedeutung: Strahlenfestigkeit der verwendeten Werkstoffe, Wartungsfreiheit bei hoher Lebensdauer und eine Auslegungstemperatur von etwa 150⁰C.

Durch die DE-GM 77 15 444 werden diese Forderungen zwar erfüllt. Doch erfordert diese Konstruktion vor allem bei großer Nennlast wegen des Dichtungsbalges, der zum hermetischen Abschluß des Druckzylinders gegenüber der Atmosphäre notwendig ist, eine große axiale Baulänge. Dementsprechend muß die Führung der Kolbenstange und die Befestigung des Dichtungsbalges ein beträchtliches Stück vom eigentlichen Zylinderraum weg nach außen versetzt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Stoßbrem-

sen der im Oberbegriff der beiden nebeneinandergestellten Hauptansprücuf 1 und 6 dargestellten Art insoweit zu verbessern, daß sie sich unter Beibehaltung der Wartungsfreiheit und der kostengünstigen Konstruktion durch kompaktere Abmessungen (kleinere Baulänge und kleinere Durchmesser, insbssomk-rc bei größeren Nennlasten) auszeichnen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind in ?.wei Lösungen !Tt selben Gestaltungsprinzip die Merkmale der nebeneinandergestellten Hauptansprüche 1 und 6 vorgesehen, wobei noch in den Unteransprüchen 2 bis 5 für die erste Aufgabenlösung, in dem Unteranspruch 7 für die zweite Aufgabeiifösüii^ vorteilhafte und förderliche Weiterbildungen beansprucht werden, die teilweise Merkmalsgleichheiten mit dem Stand der Technik aufweisen.

Die Entwicklung des Gcstaltungsprinzips bei der Erfindung, bestehend aus der noch zu iösenden, von dem im Oberbegriff der beiden Hauptansprüche 1 und 6 ausgehenden, z. B. durch die DE-GM 77 15 444 bekanntgewordener! Stand der Technik ausgehenden und auf diesen Stand der Technik spezifizierten Aufgabe und den im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 6 dargestellten beiden nebeneinandergestellten Lösungen im selben Gestaltungsprinzip war nicht ohne weiteres und ohne erfinderische Überlegungen möglich, weil zu dieser Entwicklung beim Stand der Technik keine ausreichenden technischen Hinweise zu erkennen sind. Insoweit es bei den beiden Aufgabenlösungen Merkmalsgleichheiten mit dem Stand der Technik gibt, bei der ersten Aufgabenlösung mit dem Stand der Technik gemäß der US-PS 25 40 525 und bei der zweiten Aufgabenlösung mit dem Stand der Technik gemäß der DE-PS 10 23 942, können auch die entsprechenden, durch den jeweiligen Stand der Technik bekanntgewordenen Merkmalsgleichheiten die Erfindungshöhe auch für sich allein begründen, weil sie bei dem jeweiligen Stand der Technik in einem ganz anderen technischen Zusammenhang bekanntgeworden sind. Die US-PS 25 40 525 beschreibt lediglich eine gefederte Stütze. Ein Balg ist jedoch in diese Stütze nicht eingebaut, und das Problem der Druckabstützung eines Balges tritt dort nicht auf. Und die DE-PS 10 23 942 betrifft eine Spindelabdichtung mittels mehrerer konzentrischer Bälge, wobei es darum geht, den Spindelhub gleichmäßig auf die einzelnen Bälge zu verteilen. Dabei sind jedoch die Bälge dem vollen Differenzdruck zwischen dem Leitungsdruck und dem Umgebungsdruck ausgesetzt. Auch sonst finden sich keine Anregungen in dieser Druckschrift für die erfindungsgemäße Druckabstützung des Balges. Vor allem ist die Erfindungshöhebegründung durch das gesamte Gestaltungsprinzip in der obengenannten Art gestützt.

Die beiden erfindungsgemäßen Lösungen beruhen auf der Erkenntnis, daß bei gleicher Nennlast der Stoßbremse dann wesentlich kleinere Dichtungsbälge für die Kolbenstange verwendet werden können, wenn man den Balg gegenüber dem bei hoher Belastung der Stoßbremse auftretenden Druck der Hydraulikflüssigkeit abschirmt. Der Balg wird dadurch druckentlastet, er kann in dünnerer Wandstärke ausgeführt werden und erhält dadurch eine wesentlich höhere Flexibilität, das bedeutet, daß er bei wesentlich geringeren Abmessungen dieselbe Hubbewegung der Stoßbremse aufzuneh= men vermag. Er kann aufgrund seiner Druckabstützung ohne Rücksicht auf den maximal auftretenden hydraulischen Druck für höchste Flexibilität und damit kürzeste Baulänge der gesamten Stoßbremse ausgelegt werden. Selbst die Verwendung eines hochflexiblen, relativ teuren Membranbalges Kann vorteilhaft reift, wenn tiie Kosteneinsparungen aufgrund verkürzter Baulange der Stoßbremse die Mehrkosten des Mcmbftiübalges übersteigen. Ein weiterer, jnibesotidcre für ki.rntr: .'!ini- '■· sch.. Anwendungen bedeutsamer VorTciS iiegt da.in, diiß dei Dichtungsbalg aufgrund seiner geringeren Beanspruchung ein höheres Bruchlastspiel aufweist und diüjii; die Lebensdauer der Stoßbremse verlängert und daß die Stoßbremse gegen unvorhergesehene Überlastungen weniger anfällig ist, da die beiden Balgfunktionen Druckfestigkeit und Flexibilität voneinander getrennt sind» weshalb der Dichtungsbalg trotz kleinerer Abmessungen für höhere Belastungen geeignet ist.
Für die Führung des Rohres in einer am Zylinderdekkel befestigten Gleitdichtung bestehen verschiedene Möglichkeiten. So kann das Rohr beispielsweise in einem Axialdichtring des Zylinderdeckels verschiebbar geführt sein. Besonders geeignet ist jedoch die im Anspruch 2 erwähnte Möglichkeit, wo mit teleskopartig zusammenfahrbaren Rohren gearbeitet wird.

Durch die Merkmale des Anspruches 4 ergibt sich vor allem ein herstellungstechnischer Vorteil, da die Verwendung des Ringraumes zwische. Kolbenstange und Dichtungsblag zur Entlüftung des in Kolben angeordneten Ausgleichsbalges billiger ist als eine Längsbohrung durch die gesamte Kolbenstange hindurch.

Durch <'.ie Merkmale des Anspruches 5 ist sichergestellt, daß es auch dann zu keinem nennenswerten Druckaufbau am Dichtungsbalg kommen kann, wenn Druckflüssigkeit durch die Gleitdichtung zwischen Zylinderdeckel und Rohr hindurch in den Ringraum strömt Denn aufgrund der Verbindung zwischen Ringraum und Kolbeninnerem kann sich im Ringraum

praktisch kein Oberdruck einstellen. Zwar führt eine Durchströmung längs der Gleitdichtung mit der Zeit zu einer minimalen Kriechbewegung des Kolbens; Diese Kriechbewegung ist aber in der Praxis erwünscht, da man einen allmählichen Druckabbau innerhalb der Stoßbremse anstrebt und lediglich ein kurzzeitiges Blockieren verlangt wird.

Bei dem Gestaltungsprinzip nach der zweiten Lösungsform ergibt sich der Vorteile der Symmetrie, d. h, daß in beiden Richtungen der Kolbenverschiebung gleiche Flüssigkeitsmengen verdrängt werden und infolgedessen auch für beide Richtungen Schließventile gleicher Dimensionierung und Einstellung eingebaut werden können.

Die Merkmale des Anspruches 7 nützen den Raum innerhalb des als Tandemkolben ausgebildeten Hohlkolbens optimal aus, da der Dichtungsbalg über einen Großteil seiner Länge innerhalb des Hohlkolbens verläuft, was der axialen Baulänge der Stoßbremse zugute kommt.

Die Merkmale der Erfindung und deren technische Vorteils, ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Dabei zeigt

F i g. 1 eine Stoßbremse gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und

Fig.2 eine Stobbremse gemäß einem zweiten Ausführungsbeispieh
Fig. 1 zeiqt einen Druckzylinder t und einen darin axial verschiebbaren Hohlkolben 2. Die Kolbenstange 3 des HohlkolLens 2 b'. in cim.r Verlängerung 4 ihres zugehörigen Zviindcideckels la axial versch^:-bbar geführt. Sie ist vor; einem Cichi'ingsbalg 5 umget cn, der

mil seinem einen Ende am Kolben 2, mit seinem anderen Ende an der Verlängerung 4 flüssigkeitsdicht befestigt ist. Der Dichtungsbalg 5 schließt den mit Flüssigkeit gefüllten Zylinder 1 hermetisch gegenüber der Atmosphäre ab. >

Der Hohlkolben 2 weist an seinen beiden Stirnwänden 2a und 2b Schließventile 6 bzw. 7 auf, die in an sich bekannter Weise entgegengesetzte Schließrichtung aufweisen und derart funktionieren, daß bei einer langsamen Bewegung der Kolbenstange 3, beispielswei- in se in Pfeilrichtung, Druckflüssigkeit aus dem rechten Zylinderraum 8 durch das Schließventil 7 hindurch in den Hohlkolben 2 und von dort über das Schließventil 6 in den linken Zylinderraum 9 strömen kann. Findet jedoch eine Bewegung des Kolbens 2 in Pfeilrichtung statt, die schneller ist, als die Schließgeschwindigkeit, so wird das Schließventil 7 durch das aus dem Zylinderraum 8 abströmende Druckmittel einerseits und durch seine Massenträgheit andererseits gegen den Ventilsitz gedrückt, womit der Durchfluß versperrt wird. Entspre- >n chendes gilt in umgekehrter Richtung für das Schließventil 6. Der Konstruktion nach können die Schließventile als Rückschlagventile oder als Plattenventile ausgebildet sein. Entscheidend ist jeweils, daß sie bei einem bestimmten Durchflußvolumen, also bei einer 2> bestimmten Kolbengeschwindigkeit, schließen.

Diese insoweit bekannte Stoßbremse ist mit einer Druckabstützung des Dichtungsbalges 5 versehen. Sie besteht aus zwei teleskopartig ineinanderfahrbaren Rohrstücken 10 und 11, die mit ihren äußeren Enden an der Stirnseite 2f>des Hohlkolbens 2 bzw. an der Führung 4 f'üssigkeitsdicht festgelegt sind. Im Überlappungsbereich der beiden Rohrstücke 10 und 11 kann zusätzlich eine Dichtung vorgesehen sein. Der zwischen den Rohrstücken 10 und 11 einerse'ts und dem Dichtungs- J5 balg 5 andererseits gebildete Ringraum 12 ist über zumindest eine Bohrung 13 in der Kolben-Stirnwand 2b an den mit Druckflüssigkeit gefüllten Hohlraum im Kolben 2 angeschlossen. Dadurch ist der Ringraum 12 in den Mechanismus des annähernd drucklosen Volumenausgleiches einbezogen, d. h, es ist sichergestellt, daß Lecköl, das vom Zylinderraum 8 zwischen den beiden Rohrstücken 10 und 11 hindurch in den Ringraum 12 gelangt, dort keinen Druck aufbauen kann. Der Dichtungsbalg kann daher unabhängig vom Systemdruck, also unabhängig von der Nennlast der Stoßbremse, für höchste Flexibilität und kleinste Abmessungen ausgelegt werden.

Man kann auf das Rohrstück 11 verzichten, wenn statt dessen das Rohrstück 10 im Bereich des Zylinderdeckels la mit an sich bekannten Maßnahmen abgedichtet wird.

Der zwischen dem Dichtungsbalg 5 und der Kolbenstange 3 befindliche Ringraum 14 wird zur Entlüftung des an sich bekannten, im Hohlkolben 2 angeordneten Ausgleichsbalges 15 verwendet Hierzu steht der Ringraum 14 an seinem einen Ende über Querbohrungen in der Kolbenstange 3 und eine Axialbohrung in der Kolben-Stirnwand 2b mit dem Innenraum des Ausgleichsbalges 15 in Verbindung, während er an seinem anderen Ende zur Atmosphäre μ hin offen ist

Das in F i g. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen Druckzylinder 20, der etwa in seiner Mitte eine mit der Zylinderwand fest verbundene, sich radial nach innen erstreckende Trennwand in Form einer Loch- si scheibe 21 aufweist Im Zylinder 20 läuft ein Hohlkolben 22, der aus zwei Kolben-Stirnwänden 22a und 22b besteht die zu beiden Seiten der Lochscheibe 21 angeordnet sind und durch ein Rohr 23 miteinander verbunden sind. Das Rohr 23 ist im Durchmesser reduziert und durchquert im Gleitsitz die Innenbohrung der Lochscheibe 21, während die beiden Kolben-Stirnwände 22a und 226 an der Zylinderwand des Druckzylinders 20 anliegen.

Die linke Kolben-Stirnwand 22a ist in ihrem Zentrum mit einer Kolbenstange 24 verbunden, die den Hohlkolben 22 durchquert und axial verschiebbar an dem zugeordneten Zylinderdeckel 20a des Druckzylinders 20 geführt ist. Zur hermetischen Abdichtung der Kolbenstange gegenüber der im Zylinder befindlichen Druckflüssigkeit dient wiederum ein die Kolbenstange umgebender Dichtungsbalg 25, der mit seinem einen Ende an der Kolben-Stirnwand 22a, mit seinem anderen Ende am Zylinderdeckel 20a bzw. an der hieran angeordneten Führung der Kolbenstange befestigt ist. Durch die Tandem-Konstruktion des Kolbens 22 befinden sich innerhalb des Kolbens zwei Ringräume 26 und 27, die durch die Lochscheibe 21 und einen längs ihrer Innenbohrung laufenden Dichtring voneinander getrennt sind. Außerhalb des Kolbens 22 befinden sich beidseits Zylinderräume 28 und 29, die durch Bohrungen 30 und 31 in den beiden Kolben-Stirnwänden 22a bzw. 22Z? und durch einen Ringraum 32, der sich zwischen dem Rohr 23 und dem darin laufenden Balg 25 erstreckt, miteinender verbunden sind. Die Räume 26, 27, 28, 29 und 32 s'id mit Druckflüssigkeit gefüllt, wohingegen der Ringraum zwischen der Kolbenstange 24 und dem Dichtungsbalg 25 mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

Die Funktion ist folgende: Bewegt sich die Kolbenstange 14 langsam in Pfeilrichtung, etwa durch thermisch bedingte Verlagerung der Rohrleitung, so verkleinert sich der Ringraum 26, während sich der Ringraum 27 vergrößert. ;"V:· hierzu erforderliche Abströmung von Druckflüssigkeit aus dem Ringraum 26 und Zuströmung in den Ringraum 27 erfolgt über ein Schließventil 35, das in der als Zylinderirennwand fungierenden Lochscheibe 21 eingebaut ist. Zugleich fließt aufgrund der Kolbenverschiebung Druckflüssigkeit aus dem Ringraum 29 über den Ringraum 32 in den Zylinderraum 28. Da die Volumenverringerung des Ringraumes 29 geringer ist als die Volumenzunahme des Zylinderraumes 28, 'nngt sich der im Zylinderraum 28 untergebrachte Arsgieiehsbalg 37.

Das Schließventil 35 hat dieselbe Funktion wie die Ventile 6 und 7 in Fig. 1. Es kann beispielsweise ein doppelt wirkender, federbelasteter SteuerschLVir sein, der in einer Radialbohrung der Lochscheibe 21 verschiebbar geführt ist und zwei endständige ^ventilstempel aufweist, deren Position auf die Position der axialen Verbindungsbohrungen in die Ringräume 26 und abgestimmt ist Statt dessen könnte selbstverständlich auch mit Sitzventilen gearbeitet werden.

Erreicht die Geschwindigkeit der Kolbenstange 24 die vorgegebene Ansprechgeschwindigkeit, so schließt das Schließventil 35, im Ringraum 26 kann sich ein Druck aufbauen und es entsteht eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Zylinder 20 und Kolbenstange 24. Mit 36 ist ein Drosselventil bezeichnet, das ein länger anhaltendes Blockieren der Stoßbremse bei anstehender Kraft verhindern soll. Dieses Drosselventil führt zu einem allmählichen Druckausgleich zwischen den Ringräumen 26 und 27, wodurch das Schließventil 35 wieder öffnen kann.

Ferner sind in den beiden Kolben-Stirnwänden 22a und 22b Rückschlagventile 33 brw. 34 eingebaut Sie

lassen jeweils eine Strömung aus dem Ringraum 26 bzw. 27 in die äußeren Zylinderräume 28 bzw. 29 zu, blockieren jedoch eine Strömung in umgekehrter Richtung. Ihre Funktion besteht darin, das Auftreten von Unterdruck in den Ringräumen 26 und 27 zu verhindern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hydraulische Stoßbremse für Rohrleitungssysteme, bestehend aus einem flüssigkeitsgefüllten, geschlossenen Druckzylinder und einem darin verschiebbaren Hohlkolben, dessen Kolbenstange den einen Deckel des Druckzylinders durchquert und mit der zu dämpfenden Rohrleitung oder einem festen Widerlager zu verbinden ist, während der Druckzylinder an dem Widerlager bzw. der Rohrleitung zu befestigen ist, wobei die einander gegenüberstehenden Stirnwände des Hohlkolbens Schließventile aufweisen, die eine Strömungsverbindung des Kolbeninneren mit den beiden außerhalb des Kolbens liegenden Zylinderräumen herstellen is und Kriechbewegungen des Kolbens zulassen, rasche Bewegungen dagegen hemmen, und wobei die Kolbenstange von einem sie umgebenden, einerseits an dem genannten Zylinderdeckel, andererseits am Kolben festgelegten Dichtungsbalg gegenüber der Druckflüssigkeit abgedichtet ist, während der Ringraum zwischen Kolbenstange und Dichtungsbalg mit der Atmosphäre in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsbalg (5) gegenüber seinem zugeordneten Zylinderraum (8) durch minderens ein ihn umgebendes Rohr (10) abgedichtet ist, das einerseits mit dem Kolben (2) verbunden ist und andererseits in einer an dem Zylinderdeckel (la bzw. 4) befestigten Gleitdichtung (11) axial verschiebbar geführt ist

2. Stoßbrt.,ise nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitdichtur<; als ein an dem axial nach außen versetzten Zylinderdeckel (4) befestigtes Rohr (11) ausgebildet ist, da·= teleskopartig das andere, am Kolben (2) betestigte Rohr (10) überlappt

3. Stoßbremse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen beiden Rohren (10, 11) ein Dichtring angeordnet ist

4. Stoßbremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlkolben einen an der kolbenstangenseitigen Innenwand des Kolbens befestigten Ausgleichsbalg mit einer Entlüftungsöffnung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlüftungsöffnung (15a; in den Ringraum (14) zwischen Kolbenstange (3) und Dichtungsbalg (5) mündet.

5. Stoßbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (12) zwischen dem Dichtungsbalg (5) und dem Rohr (10) duch Bohrungen (13) in der Kolbenwand (2b) mit der Druckflüssigkeit im Kolbeninneren in Verbindung steht.

6. Hydraulische Stoßbremse für Rohrleitungssysteme, bestehend aus einem flüssigkeitsgefüllten, geschlossenen Druckzylinder und einem darin verschiebbaren Hohlkolben, dessen Kolbenstange den einen Deckel des Druckzylinders durchquert und mit der zu dämpfenden Rohrleitung oder einem festen Widerlager zu verbinden ist, während der Druckzylinder an dem Widerlager bzw. der Rohrleitung zu befestigen ist, wobei die einander gegenüberstehenden Stirnwände des Hohlkolbens Zylinderräume bilden, deren Volumen von der Kolbenposition abhängt und deren Strömungsverbindung durch zumindest ein Absperrventil gegeben ist, das Kriechbewegungen des Kolbens zuläßt, rasche Bewegungen dagegen hemmt, und wobei die Kolbenstange von einem sie umgebenden, einerseits am Kolben festgelegten Dichtungsbalg gegenüber der Druckflüssigkeit abgedichtet ist, während der Ringraum zwischen Kolbenstange und Dichtungsbalg mit der Atmosphäre in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkolben (22) mit einem im Durchmesser gegenüber dem seiner Kolben-Stirnwände (22a, 22b) reduzierten, diese verbindenden Rohr (23) gebildet ist, daß dievis Rohr (23) zur Bildung der beiden Druckräume (26, 27) zwischen den Kolben-Stirnwänden (22a, 22b) in einer mit dem Zylinder (20) fest verbundenen Lochscheibe (21) axial verschiebbar, aber gedichtet geführt ist, daß die Lochscheibe (21) zumindest ein die ihr benachbarten Druckräume (26, 27) verbindendes Schließventil (35) aufweist und daß axial außerhalb der Kolben-Stirnwände (22a, 22b; drucklose Zylinderräume (28, 29) liegen, die über einen Ringraum (32) zwischen Rohr (23) und Dichtungsbalg (25) miteinander verbunden sind.

7. Stoßbremse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (24) mit ihrem Dichtungsbalg (25) das Rohr (23) des Hohlkolbens (22) koaxial durchquert und an der dem Kolbenstangenaustritt aus dem Druckzylinder (20) abgewandten Kolben-Stirnwand (22a; festgelegt ist.