DE3045057C2 - Druckreduzierventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckreduzierventil mit großem Regelbereich für Flüssigkeiten bei hohem Druck und hoher Temperatur, bestehend aus einem zylindrischen Ventilgehäuse mit seitlichen Ein- und Austrittsstutzen, einer Ventilspindel sowie einem als Absperrelement dienenden Abschlußkegel und einem darunterliegenden, axial beweglichen Steuerkolben in Form eines mehrstufigen Kaskaden-Drosselschiebers, wobei der Drosselschieber in einer Anfahrsteuerbuchse geführt wird, deren Wandung am Innenumfang mit zylindrischen Ausnehmungen, diesen zugeordneten Oberdeckungslängen und Steuerkanten versehen ist, und der Kaskaden-Doppelschieber aus einer zentralen Drosselkammersäule mit peripheren Drosselkammern jowie ίο aus einer mit dieser verbundenen, die Drosselkammern umschließenden und mit Drosselbohrungen versehenen Drosselbuchse besteht, wobei die Form und Abmessung der inneren Ringkammern mit der Form und Abmessung der äußeren Ringkammern in bezug auf die Drosselbuchse symmetrisch übereinstimmt und die Öffnungen in der Drosselbuchse stromaufwärts der inneren Ringkammern die Form ringförmig angeordneter Lochreihen haben und die öffnungen der Drosselbuchse stromabwärts der inneren Ringkammern die Form einer Lochreihe mit Löchern mit großen Durchmessern haben (DE-OS 22 09 230).

Die Druckreduzierung von Flüssigkeiten unter hohem Druck wird in den Drosselbohrungen mehrstufiger Drosselventile vorgenommen, wie sie etwa vorstehend beschrieben sind. Wesentlich dabei ist, daß die Strömung im Ventil so geordnet abläuft, daß an keiner Stelle die Geschwindigkeit urA damit der dynamische Druck so hohe Werte annehmen, daß der statische Druck unter den von der Art der Flüssigkeit und von deren Temperatur gegebenen Sättigungsdruck abfällt Geschieht dies, tritt ein »Ausdampfen« ein, ein Vorgang, der der Kavitation mit den bekannten Folgen gleichzusetzen ist Doch bereits vor dem Einsetzen des »Ausdampfens« kündigt sich eine ungeordnete Strömung durch das Auftreten von Geräuschen an. Diese Geräusche sind nicht nur lästig, sondern sie erfordern auch entsprechende Aufwendungen für die Geräuschdämmung. Darüber hinaus ist es bei den bekannten Druckreduzierventilen nur schwer möglich, die Ventilkennünip zu variieren und sie dabei hinreichend stetig zu halten.

Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, das gattungsgemäße Druckreduzierventil derart weiterzubilden, da3 die öffnungen in der Drosselbuchse anders und zwar derart angeordnet sind, daß eine beliebige Variation und Anpassung der Ventilkennlinie vorgenommen werden kann — bei ungestörter Ausbildung der Strömung in den Drosselkammern und gegenseitiger Kompensierung von auftretenden, insbesondere auf die Drosselkammersäule rückwirkenden P.eaktionskräften. Darüber hinaus soll eine wirtschaftliche Herstellung der Drosselbuchse erreicht werden: Bei Einspannung des Zylinders in einer dreh- und verschiebbaren Halterung soll sich beispielsweise auf einer NC-Maschine die gesamte Bearbeitung der Löcher praktisch selbsttätig durchführen lassen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Druckreduzierventil der gattungsgemäßen Art dadurch gekennzeichnet, daß die in achsparallelen Reihen angeordneten, als Drosselbohrungen wirkenden öffnungen der Drosseleo buchse derart angeordnet sind, daß eine zur Zentralachse der Drosselbuchse rechtwinklige Ebene, die irgendeine der Öffnungen in ihrem größten Durchmesser schneidet, mindestens eine weitere öffnung übereinstimmender Weite in ihrem größten Durchmesser schneidet, wobei sämtliche von dieser Ebene in ihrem größten Durchmesser geschnittenen öffnungen jeweils von der benachbarten Öffnung gleichweit entfernt sind. Vorteilhaft erfolgt die Zunahme der Weite der öffnun-

gen in Strömungsrichtung unstetig. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Unstetigkeit der Zunahme der Durchmesser der öffnungen durch Verkleinerung der Abstände der Lochreihen vor der Unstetigkeitsstelle und/oder der Vergrößerung des Abstandes der Lcchreihen hinter der Unstetigkeitsstelle der Durchmesser der Öffnungen ausgeglichen. Nach einer besonderen Ausführungsfarm können die Achsen der Drosselbohrungen mindestens einer Öffnungsreihe jeder Stufe gegenüber der Radiallinie schräggestellt sein. Im Stand der Technik ist eine Ventilbauart bekannt (DE-AS 25 55 752), nach der zwei Hülsen oder Buchsen ineinander angeordnet sind, wobei der Innendurchmesser der äußeren Buchse dem Außendurchmesser der inneren Buchse entspricht Beide Buchsen sind mit radialen Durchtrittslochungen versehen. Die Lochanordnung sämtlicher Hülsen ist identisch — sie können daher in lGeinandergeschobenen Zustand gemeinsam gebohrt werden. Die Bohrungen sind auf den beiden Hälften der Hülsen jedoch in unterschiedlichem Muster angeordnet, wobei die Bohrbilder sich nach bestimmten Vorgaben überdecken sollen. Ein Drosselventil nach diesem Stand der Technik soll durch Verstellen bzw. Verdrehen der beiden ineinandersteckenden Lochhülsen den Kv-Wert oder die Kennlinie der Drossel verändern und damit jeweils an verschiedene, gegebene Verhältnisse anpassen. In Kauf genommen wird dabei allerdings, daß die Strömung nicht radial-symmetrisch verläuft und daher entsprechend einseitige Beanspruchunradial benachbarte Lochgruppen übergreifen und wobei die Kammern durch weitere darüber- und darunterliegende durchgehend massive Scheiben abgedeckt sind. Die Strömung verläuft von einer Kammer durch eine Lochgruppe in die darunterliegende Kammer, von dieser durch die nächste Lochgruppe wieder in die darüberliegende Kammer usw, so daß eine vielfache Strömungsumlenkung erreicht wird. Der zunehmende Durchmesser der Scheiben wird dabei nicht ausgenutzt,

ίο es sind vielmehr sektorenförmige Totflächen zwischen den einzelnen durchströmten Kanälen oder Streifen vorhanden: Ein sehr erheblicher Material- und Raumverbrauch, der ungenützt ist. Eine Anordnung der Löcher oder auch Lochgruppen, entsprechend dem kennzeichnenden Merkmal des Erfindungsgegenstandes, die auch als »zentralsymmetrische Anordnung« bezeichnet werden kann, ist bei diesem Stand der Technik nicht vorhanden oder gefordert Die Anordnung der Lochgruppen kann als »axiale« Anordnung bezeichnet werden. Demgegenüber sind beim Gegenstand der Erfindung die Lochgruppen radial auf i&z Achse gerichtet und dementsprechend ist auch der Strumungsverlauf. Bei den radial verlaufenden Strömungen, entsprechend dem zuletzt genannten Stand der Technik, ist eine Kompensation von Kräften, die durch die Strömung erzeugt werdeiL, in Hinblick auf die Axial-Symmetrie nicht erforderlich, sie ließe sich ohnehin auch nicht durchführen. Eine Kompensation von durch radiale Strömung verursachten Kräften bei einem radialsymmetrischen Ventil

gen auftreten können. Nach diesem Stand der Technik 30 ist jedoch insbesondere bei der verhältnismäßig kompliüberdecken sich die Löcher in den beiden ineinanderlie- zierten Bauart des Ventils nach der Erfindung äußerst genden Buchsen gegenseitig und damit werden sehr erwünscht und vorteilhaft. Sie ist insbesondere deshalb verschiedene Durchflußquerschnitte . aufgrund des auch bei dem Gegenstand der Erfindung nicht sehr ein-Überdeckungsgrades freigegeben. Abhängig von dem fach oder naheliegend, wei! dort der Ventilkörper und Verdrehwinkel der beiden ineinandergreifenden Loch- 35 damit eine mittlere Säule vorhanden ist, die jeder radiazylinder ändert sich die Form der Kennlinie und das len Strömung im Wege steht Im übrigen findet bei die-Durchflußverhalten, wie das auch besonders auffäiiig sem Stand der Technik eine Regiung lediglich in der nach der F ig. 4 der genannten Auslegeschriffzu erken- Eingangsstufe statt, so daß schon aus diesem Grunde nen ist. Es wird eine Linearisierung der Kennlinie bei völlig andere Verhältnisse vorliegen als bei dem Gegenweitem nicht in dem Grade erreicht, wie bei dem Ge- 40 stand der Erfindung, bei dem für jede einzelne Stufe genstand der Erfindung, weil bei der gegenseitigen, teil- eine Regelung vorhanden ist.

weisen Überdeckung von Löchern in den beiden inein- Bei Beachtung der mit den kennzeichnenden Merkanderliegenden Lochzylindern der zunächst Vorhände- malen gegebenen Regel ist es nach der Erfindung mögne, verhältnismäßig kleine Durchlaßquerschnitt in dem lieh, die Öffnungen in der Drosselbuchse annähernd be-FaII, das zwei Löcher sich lediglich an ihren Rändern 45 liebig anzuordnen, so daß eine ebenfalls annähernd begegenseitig freigeben, bei weiterer Verschiebung der liebige Variation der Durchflußquerschnitte über den Lochzylinder gegeneinander nicht linear vergrößert öffnungs- bzw. Schließvorgang (Regelstrecke) des Venwird bis zur vollständigen Freigabe bei achsparalleler tils möglich ist und damit die Möglichkeit gegeben ist, Lage der beiden übereinanderliegenden Löcher. Nach eine so weit wie nur irgend möglich durchführbare Andern Gegenstand der Erfindung sind demgegenüber die 50 passung der Kennlinie des Ventils zu erreichen. Durch Löcher in der einen (einzigen) Drosselbuchse von einer die vorgegebene Regel ist dabei sichergestellt, daß jegraden Ka."te abgedeckt, εο daß dadurch eine fest vorgegebene Kennlinienform erreichbar ist, im Zusammenhang mit der versetzten Anordnung der Bohrungen, die
in den einzelnen Gruppen derart vorzunehmen ist, daß 55
eine fast vollständige Linearisierung der Kennlinie er

reichbar ist. Derartige Hinweise oder Lehren sind in dem genannten Stand der Technik nicht gegeben oder vorweggenommen.

Ein weiterer Stand der Technik ist aus der US-PS 08 737, insbesondere in Verbindung mit Fig.6 zu diskutieren: Danach sind mehrere kreisförmige Scheiben übereinander angeordnet, wobei in einer mittleren Scheibe entsprechend radial nach außen verlaufender Kanäle etwa ringförmig in Gruppen angeordnete Durchgangslöcher vorgesehen sind, denen wechselweise in darüber- bzw. darunterliegenden Scheiben Kammern zugeordnet sind, die wechselweise jeweils zwei weils optimale Strömungsverhältnisse vorhanden sird, andererseits aber auch eine wirtschaftliche Herstellung dor Droiselbuchse ermöglicht wird.

Das Wesen der Erfindung wird beispielhaft anhand der F i g. 1 bis 6 verdeutlicht. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein gattungsgemäßes Druckreduzierventil,

Fig.2 die Dros-slbuchse in halb geschnittener Darstellung mit zwei Drosselstufen,

Fig.3 eine sehematisehe Darstellung einer Gruppe von Drosselbohrungen,

F i g. 4 eine sehematisehe Darstellung der Ausbildung der Drosselbohrungen für fünf aufeinanderfolgende Stufen,

Fi g. 5 die besondere Ausbildung der Drosselbohrungen mit konischem Verlauf und

Fig.6 gegenüber der Richtung des Radius in Loch-

reihenebene angestellte Drosselbohrungen.

Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein gattungsgemäßes Druckreduzierventil, wobei das Ventilgehäuse mit 1, und die Ventilspindel mit 2 bezeichnet sind. Einspeisestutzen 6 und Abflußöffnung 7 sind am Ventilgehäuse zu erkennen. Die Einspeiseöffnung 6 des Ventilgehäuses 1 mündet in eine Ringkammer 8, die durch eine konzentrische Lochdrossel 9 mit Drossellöchern 10 in eine äußere Ringkammer 11 und eine innere Ringkammer 12, die die Spindel 2 umgibt, und an der "Spindeldichtungsfläche 13 mündet, unterteilt ist. Die Spindeldichtungsfläche 13 ist an der Innenkante eines in das äußere Ventilgehäuse 14 eingesetzten inneren Ventilgehäuses 15 ausgebildet.

In der Innenwandung des Ventilgehäuses 15 sind ringförmige Kammern 16 in einer der Ventilstufen entsprechenden Zahl hintereinander angeordnet, denen — bei geschlossenem Ventil — die ringförmigen Einnehmungen 17 in dem Ventilkörper 18 gegenüberliegen. Diese ringförmigen Einnehmungen 17 wiederholen sich in den einzelnen Stufen: sie sind mit 17.1, 17.2, 173, 17.4 und 175 bezeichnet. Die Ringkammern von Ventilgehäuse und Ventilkörper sind durch die konzentrisch angeordnete röhrenförmige Zwischenwand 19, die am Ventilkörper 18 befestigt ist und sich mit diesem während des öffnens und Schließens zusammen bewegt, getrennt. Diese Zwischenwand 19 ist mit Lochreihen versehen, wobei in dem stromaufwärts gerichteten Teil jeder Kammer mehrere Reihen von Löchern 20 von geringerem Durchmesser, wobei die Durchmesser der Löcher in den einzelnen Reihen voneinander verschieden sind, vorgesehen sind. If) dem stromabwärts gerichteten Teil jeder Kammer ist die Wand mit einer Reihe von öffnungen 20, die einen größeren Durchmesser haben, versehen. Entsprechend der Nummer der Stufe sind diese Öffnungen mit 20.1, 20.2, 203, 20.4 und 2OJ bezeichnet. Die öffnungen 20.6 gehören zur bei diesem Druckreduzierventii mit geregelten Ausströmstufe. Die in jeder Stufe gleich großen öffnungen 21 wurden nicht unterschieden. An dem abströmseitigen Ende befindet sich die zur stromabwärtigen Seite hin verjüngte innere Ringkammer 23, die von einem Beruhigungskorb 24 umgeben ist. Die äußere Ringkammer 26 außerhalb des Beruhigungskorbes 24 mit den Öffnungen 25 leitet in die Abflußöffnung 7 des Ventilgehäuses über.

Die F i g. 2 zeigt einen Teil der Drosselbuchse in einer schematischen, halb geschnittenen Darstellung. In der Darstellung ist der Ventilschaft 2 zu erkennen, der die Hubbewegung vom Stellantrieb auf die Drosselbuchse überträgt. Mit der Dichtfläche 13 — die sich beim geschlossenen Ventil abdichtend gegen die Fläche 13 des Ventilinnengehäuses 15 legt — geht der Ventilschaft in die Drosselbuchse mit den Drosselöffnungen 20 und den Überströmöffnungen 21 über, wobei die ringkammerförmigen Ausnehmungen 17 in dem Ventilkörper 18 die zugehörigen Drosselkammern bilden. Dargestellt sind die ersten beiden Stufen mit den Drosselkammern 17.1 und 17.2; die zugehörigen Drosselöffnungen sind mit 20.1 und 20.2 gekennzeichnet Dabei wurde in den beiden Stufen jeweils nur eine zu der Mantelliniengruppe Al, Bi, Cl bzw. A 2, BZ CI gehörende Drosselöffnungsgruppe dargestellt Die Versetzung der ringförmig angeordneten Lochreihen ist einmal, und zwar bei den ersten drei Lochreihen a 1, a 2 und a 3, die strichliert eingezeichnet sind, dargestellt Die im Regelfall gleichgroßen Oberströmöffnungen 21 lassen das in die Drosselkammern 17 eingetretene Fluid in die äußeren — nicht dargestellten — Kammern 16 zurückfließen.

Die F i g. 3 zeigt — wiederum beschränkt auf jeweils eine Gruppe —abgewickelt die bevorzugte Anordnung der Drosselöffnungen 20 innerhalb einer Stufe. Dabei ist sowohl die einseitige als auch die doppelseitige Anordnung möglich (Fig.3a, Fig.3b). In Fig.4 wurden mit gleicher Strömungsrichtung die Drosselöffnungen 20 von 5 aufeinanderfolgenden Stufen hintereinandergestellt, um die Veränderung der Öffnungsdurchmesser in jeder Stufe und von Stufe zu Stufe darzustellen. Die

ίο F i g. 5 zeigt eine besondere Ausführungsform der Drosselöffnungen 20, wobei die Drosselöffnung in Strömungsrichtung konisch verengt ist. Diese Verengung trägt der Strömungskontraktion beim Einströmen in ein Rohr Rechnung, und bewirkt, daß der dynamische Druck über die gesamte Drosselöffnungslänge nahezu konstant ist. Schließlich zeigt die Fig.6 einen Ausschnitt aus einem Horizontalschnitt durch die Drosselbuchse mit gegenüber dem Radius angestellten Drosselöffnungen 20. Diirrh di?s? Anstellung wird ein Vordraü erzwungen, der zum Abbau des Druckes in jeder Reduzierstufe beiträgt.

Die dargestellte Anordnung der Drosselöffnungen auf der Mantelfläche der Drosselbuchse liefert eine optimale Ausnutzung der »Aktiven«, d. h., im Rahmen des Ventilhubes nutzbaren Mantelfläche. Das Einstellen der gewünschten Ventilkennlinie bei gegebenem Hub kann durch die Variation der Lochdurchmesser und des Abstandes fisr ringförmig angeordneten Lochreihen voneinander jedem Wunsch angepaßt werden. Gerade dabei bringt die Variation des Abstandes der ringförmigen Lochreihen die Möglichkeit, mit ausgewählten Drosselöffnungs-Durchmessern zu arbeiten, da die beim Durchmesserwechsel entstehenden Unstetigkeiten in der Drosselkennlinie durch Änderung des Abstandes der Lochringe ausgeglichen werden können. Auf diese Weise kann die Herstellung vereinfacht werden. Die Regelung des Ventiles liegt in der die Drosselkammersäule umgebenden Lochbuchse, die mit der Drosselkammersäule verbunden vom Ventilschaft gehoben oder gesenkt wird, entsprechend der Betätigung des Antriebs. Ein Austauschen der Drosselbuchse ist einfach zu bewerkstelligen, so daß auch hier die Bedienungs- und Wartungsfreundlichkeit erreicht wird.
Die Anordnung der Drosselbohrungen erzeugt auf der Drosselbuchse, und zwar im Bereich jeder Stufe, ein sich über die Hubhöhe erstreckendes Muster der öffnungen, das auch — dargestellt in der Abwicklung der Mantelfläche der Drosselbuchse — durch parallel verlaufende Kurven beschrieben werden kann. Dabei ist

so wegen der Symmetrie auch eine Beschreibung als sich überkreuzende Kurven möglich. Zum Ausgleich der Unstetigkeiten, die durch die Beschränkung der Durchmesser der Drosselöffnungen auf einige Werte entstehen, und die durch Variation des Abstandes der ringförmigen Lochreihe voneinander im Bereich der Unstetigkeitsstelle ausgeglichen werden können, läßt sich zusätzlich — etwa weil die Lochreihen nicht beliebig dicht aneinandergelegt werden können — ein Ausgleich dadurch erreichen, daß auf den der Unstetigkeitsstelle zuzuordnenden Lochreihen sowohl Drosselöffnungen mit dem einen als auch Drosselöffnungen mit dem anderen Drosselöffnungsdurchmesser vorgesehen sind. Die Abfolge der Drosselöffnungen mit den unterschiedlichen Drosselöffnungsdurchmessern wird dabei von den Anforderungen. die an die Kennlinie des Druckreduzierventils gestellt werden, bestimmt Das sich dabei in der Abwicklung ergebene Muster der Drosselbohrungen gleichen Durchmessers kann hierbei auch die Form ei-

ner Zickzackkurve, einer Sinuskurve oder eines mäanderförmigen Kurvengebifdes annehmen.

Um eine geordnete Strömung in den peripheren Drosselkammern der zentralen Drosselkammersäule zu erreichen können, die Achsen der Drosselkammerbohrungen gegenüber der Richtung des Radius der Drosselbuchse angestellt sein. Es wird hierdurch ein Vordrall erreicht, der — ähnlich einer Auslaufströmung — das Abströmen begünstigt; dabei ist es nicht notwendig, daß in jeder Stufe die Drosselbohrungen jeder ringförmigen Lochreihe angestellt sind, da der Vordrall, gegeben beispielsweise durch die obersten Lochreihen jeder Stufe ausreicht, um die Drallströmung zu erzwingen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Druckreduzierventil mit großem Regelbereich für Flüssigkeiten bei hohem Druck und hoher Temperatur, bestehend aus einem zylindrischen Ventilgehäuse mit seitlichen Ein- und Austrittsstutzen, einer Ventilspindel sowie einem als Absperrelement dienenden Abschlußkegel und einem darunterliegenden, axial beweglichen Steuerkolben in Form eines mehrstufigen Kaskaden-Drosselschiebers, wobei der Drosselschieber in einer Anfahrsteuerbuchse geführt wird, deren Wandung am Innenumfang mit zylindrischen Ausnehmungen, diesen zugeordneten Oberdeckungslängen und Steuerkanten versehen ist, und der Kaskaden-Drosselschieber aus einer zentralen Drosselkammersäule mit peripheren Drosselkammern sowie aus einer mit dieser verbundenen, die Drosselkammern umschliessenden und mit Drosselbohrungen versehenen Drosselbuchse besteht, wobpidie Form und Abmessung der inneren Ringkammern mit der Form und Abmessung der äußeren Ringkammern in bezug auf die Drosselbuchse symmetrisch übereinstimmt und die öffnungen in der Drosselbuchse stromaufwärts der inneren Ringkammern die Form ringförmig angeordneter Lochreihen haben und die Öffnungen der Drosselbuchse stromabwärts der inneren Ringkammern die Form einer Lochreihe mit Löchern mit großen Durchmessern haben, dadurch gekennzeichne t, daß die in achsparallelen Reihen angeordneten, als LXosselbohrungen wirkenden Öffnungen (20) der Drosselbuchse (19> derart angeordnet sind, daß eine zur ZentraLichse der Drosselbuchse (19) rechtwinklige Ebene, die irger· -eine der Öffnungen (20) in ihrem größten Durchmesser schneidet, mindestens eine weitere öffnung (20) übereinstimmender Weite in ihrem größten Durchmesser schneidet, wobei sämtliche von dieser Ebene in ihrem größten Durchmesser geschnittenen öffnungen jeweils von der benachbarten öffnung gleichweit entfernt sind.

2. Druckreduzierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunahme der Weite der Öffnungen (20) in Strömungsrichtung unstetig erfolgt.

3. Druckreduzierventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unstetigkeit der Zunahme der Durchmesser der öffnungen (20) durch Verkleinerung der Abstände der Lochreihen vor der Unstetigkeitsstelle und/oder der Vergrößerung des Abstandes der Lochreihen hinter der Unstetigkeitsstel-Ie der Durchmesser der Öffnungen (20) ausgeglichen wird.

4. Druckreduzierventil nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Drosselbohrungen mindestens einer Öffnungsreihe jeder Stufe gegenüber der Radiallinie schräg gestellt sind (siehe F i g. 6).