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Ventil.
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Die erfindung betrifft Ventile zum geräuschlosen Steuern einer Fluidströmung.
insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Ventile, die in Dampfturbinenanlagen
besonders brauchbar sind.
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Eine wichtige Vorrichtung, bei der Ventile benutzt werden, ist die
Dampfturbine, insbesondere diejenigen, die von Stromversorgungsunternehmen zum Erzeugen
von elektrischer Energie benutzt werden. Bei diesen Turbinen werden Ventile benutzt,
bei denen es sich insbesondere um Ste3 1- oder Steuerveitile handelt. Diese Ventile
und andere, die eine gleiche Funktion haben, sind dafür vorgesehen, nicht nur in
einer geöffneten oder in einer geschlossenen Stellung, sondern auch in Zwischenstellungen
zu arbeiten. Der Begriff, der zum Beschreiben des öffnunys- oder Schließgrades eines
Ventils verwendet wird, ist der "Ventilhub". Bei geringem Hub ist ds Ventil nur
teilweise offen, aber bei größeren Hüben ist das Ventil im wesentlichen vollständig
offen. Die
Funktion von Steuerventilen in Dampfturbogeneratoranlagen
macht es äußerst erwünscht, daß ein geringer Dampfdruckabfall an dem Ventil bei
großen Ventilhüben auftritt. Andererseits ist das Geräusch in Ventilen im allgemeinen
bei geringen Ventilhüben vorherrschend; die Geräuschprobleme beschränken sich jedoch
nicht auf Zustände geringen Ventilhubes.
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Die meisten Ventile haben im allgemeinen ein Ventilgehäuse, das aus
einem Werkstoff besteht, der in der Lage ist, die Temperaturen, Drücke und Angriffe
durch Erosion und Korrosion bei dem vorgesehenen Verwendungszweck auszuhalten.
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Dieses Ventilgehäuse hat im allgemeinen einen Einlaßkanal und einen
Auslaßkanal. Außerdem ist innerhalb des Ventilgehäuses im allgemeinen ein Ventilsitz
angeordnet, auf den ein Ventilverschlußstück aufgesetzt werden kann, um dadurch
die Strömung von unter Druck stehendem Fluid, die in dem Linjaßkanal vorhanden ist,
abzusperren. Das kann beispielsweise erreicht werden, indem eine Kraft auf den äußeren
Schaftteil des Ventilverschlußstücks ausgeübt wird. Auf dem Dampfturbinengebiet
ist es bekannt, daß diese Kraft im allgemeinen mit llilfe von elektrohydraulischen
Stellantrieben ausgeübt wid.
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Eines der Probleme, das bei verschiedenen Ventilkonstruktionen auftreten
kann, ist die Erzeugung von Geräusch und Vibration. Turbinensteuerventile sind für
diese Probleme besoncIers empfänglich, insbesondere bei Anfangswerten des Vcntilhubes,
während welchen der Druckabfall an dem Ventil gro@ ist. Nicht nur das Geräusch ist
für die in der Umgebung arbeitenden Menschen anerwünscht, es kann darüber hinaus
auch Frequenzkomponenten des Geräusches und der Vibration geben,
die
nahe bei den Resollanzfrequenzen von gewissen Maschinenelemellten, wie beispielsweise
Rohrieitungskonstruktionen, liegen können, insbesondere bei niedrigen Frequenzen.
Andererseits sind Geräusch und Vibration relativ hoher Frequenz ein weniger bedeutsames
mechanisches Problem, sie können aber hohe Geräuschpegel in der Arbeitsumgebung
verursachen.
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Einiges hochfrequente Geräusch kann zwar in einem Arbeitsbereich unerwünscht
sein, es trifft jedoch auch zu, daß das menschliche Ohr für Schall weniger und weniger
empfindlich ist, wenn die Frequenz zunimínt. Tatsächlich fällt die Hörempfindlichkeit
mit zunehmender Frequenz ab, so daß Vorrichtungen, die eine ausreichende Verschiebung
des Frequenzspektrums des Geräusches nach oben bewirken, sehr erwünschte Vorteile
bieten. Solche Vorrichtungen verringern das scheinbare Geräusch, insbesondere gemessen
auf der dBA-Skala Eine Anzahl von Patentschriften, die sich auf Ventilkonstruktionen
und insbesondere auf Ventilkonstruktionen mit Merkmalen zur Geräuschunterdrückung
beziehen, sind die US-PSen 3 451 404, 3 602 261, 3 665 964, 3 704 726, 3 773 085
und 4 066 100. Bei vielen dieser vorgenannten Patentschriften werden kreisförmige
Löcher in der einen oder anderen Konfiguration benutzt, um eine Bypassfluidströmung
zu bewirken, die den Hauptströmungsweg an dem Ventilverschlußstück und dem Ventilsitz
vorbei zu dem Auslaßkanal vermeidet. Trotzdem sind diese Löcher in einem gewissen
Abstand von dem Ventilsitz angeordnet. Diesen Konstruktionen fehlt es am vollen
Ausmaß eines kontinuierlichen Betriebes. DarU-berhinaus kann ein größerer Wert an
turbulenter Strömung als erwünscht in den aus den oben erwähnten Patentschriften
bekaniit:en Ventilkonstruktionen auftreten. Außerdem scheint sich keine der vorgenannten
Patentschriften mit der Erwünschtheit
zu befassen, das Spektrum
des Geräusches zu dem Hochfrequenzbereich hin zu verschieben, so daß die Werte von
unerwünschter Vibration in-den verschiedenen Bestandteilen verringert werden, die
mit dem Ventil an dessen Einlaßkanal, an dessen Auslaßkanal und außerdem an dem
Anschluß des Ventils an die Betätigungsvorrichtung verbunden sind.
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Nhnliche Ideen sind trotzdem zur Verringerung des scheinbaren Geräusches
in verschiedenen Konstruktionen für FlugzeugstL-.tllltz-iebwerke entwickelt L worden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ventil zu schaffen, das die Strömung
eines unter Druck stehenden Fluids, insbesondere von Dampf, geräuschlos bzw. geräuscharm
steuert.
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Außerdem soll das Ventil nach der Erfindung eine völlig kontinuierlich
veränderbare Drosselung der Fluidströmung gestatten, insbesondere bei niedrigen
Werten des Ventilhubes und außerdem bei Bedarf bei hohen Werten des Ventilhubes.
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Außerdem soll die Hubcharakteristik (die weiter unten näher definiert
ist) des Ventils durch besondere Schlitzgeometrieauswahl gesteuert werden können.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die im Kennzeichen
des Patentanspruchs 1 angegebenen $Merkmale gelöst.
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Gemäß der Erfindung wird das dem Ventilgeräusch zugeordnete Spektrum
zu höheren Frequenzen hin verschoben. In einer bevorztlcjten Ausführungsform der
Erfindung enthält das Ventil ein unter Druck setzbares Ventilgehäuse mit einem Einlaßkanal
und einem Auslaßkanal; ein Ventilsitz ist innerhalb des
Ventilgehäuses
zwischen dem Einlaßkanal und dem Auslaßkanal angeordnet; ein zylindrisches Verschlußstück,
das auf den Ventilsitz bewegbar ist, steuert die Fluidströmung durch das Ventil,
und eine Schlitzvorrichtung unterteilt die Strömung in mehrere Fluidströme. In der
geschlossenen Stellung haben das VeXntilverschlußstück und der Ventil sitz einen
Kontaktbereich; die Schlitzvorrichtung für die Strömungsunterteilung ist unmittelbar
neben diesem Kontaktbereich angeordnet.
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In einer Ausführungsform der Erfindung enthält die Strömungsunterteilungvorrichtung
ein geschlitztes zylindrisches Teil, das an dem Ventilsitz befestig ist und durch
das das Ventilverschlußstück hindurchgeht, wenn das Ventil geschlossen wird. Eine
weitere Ausführungsform gleicht dieser, mit der Ausnahme, daß sich das geschlitzte
zylindrische Teil ausreichend weit in der axialen Richtung erstreckt, so daß das
Ventilverschlußstück wenigstens teilweise innnerhalb des geschlitzten Zylinders
angeordnet ist, selbst wenn das Ventil in der vollständig geöffneten Stellung ist.
In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die geschlitzte
Strömungsunterteilungsvorrichtung von dem stromabwärtigen Ende des Ventilverschlußstücks
aus.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt Fig. 1 eine
Teillängsschnittansicht einer Ausfüh rungsform eines ruhigen Ventils nach der Erfindung,
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Teil des in Fig. 1 gezeigten Ventils,
die
Fig. 3a und 3b Seitenansichten der in Fig. 1 verwendeten Schlitze, wobei unterschiedliche
Schlitzgeometrien dargestellt sind, Sie 1 eine Läncesscllnittansiclrt eines Teils
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die aber der in Fig. 1 gezeigten gleicht,
und Fig. 5 eine Längsschnittansicht von noch einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung, die der in Fig. 1 gezeigten gleicht.
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Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Sie zeigt insbesondere
ein Ventilgehäuse 10 mit einem Einlaßkanal 22 und einem Auslaßkanal 24. Innerhalb
des Gehäuses 10 ist ein Ventilsitz 12 angeordnet. Die Fluidströmung von dem Einlaß
zu dem Auslaß wird durch ein Ventilverschlußstück 14 gesteuert, das gegen den Ventilsitz
12 bewegbar ist, so daß es die Fluidströmung unterbricht. Das in Fig. 1 dargestellte
Ventil ist in der geschlossenen Stellung gezeigt.
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Das Ventilgehäuse 10 hat außerdem eine Kammer 30, die das Ventilverschlußstück
14 wenigstens teilweise umgibt. Das Ventilverschlußstück 14 ist insgesamt ein zylindrisches
Gebilde, das in axialer Richtung bewegbar ist, beispielsweise durch eine elektrohydraulische
Betätigungsvorrichtung. Das Vcntil verschlußstück 14 ist so bemessen, daß es mit
dem Ventilsitz 12 richtig zusammenpaßt und richtig auf den Ventiisitz paßt. Eine
Büchse 20 ist sowohl als Führung für ein Vorsteuerventilverschlußstück 16 als auch
als ein Dichtungsteil vorgesehen. Ebenso dient eine Hülse 18 als eine Führung und
eine
Richtung für das Ventilverschlußstück 14. Das besondere Ventil, das hier dargestellt
ist, enthält außerdem Ausgleichskammern 32, 34 und das zugeordnete Schaft- und vorsteuerventilverschlußstück
16, die das Öfinen des Ventils gegen den hohen Fluiddruck, der in der Kammer 30
vorhanden ist, erleichtern.
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Das Vorhandensein der Ausgleichskammern ist zwar nicht Teil der Erfindung,
trotzdem kann ihr Vorhandensein bei einigen Verwendungszwecken erwünscht sein. Demgemäß
wird die Arbeitsweise des Ausgleichskammersystemsnun kurz beschrieben.
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Wegen des gesteuerten Spalts 28 zwischen der Hülse 18 und der äußeren
zylindrischen Wand des Ventilverschlußstücks 14 ist ein gewisses Ausmaß an Druckströmung
darin zwischen der Hauptkammer 3.0 und dem oberen Ende der Ausgleichskammer 32 vorhanden.
Der Druck in den Ausgleichskammern und der Durchsatz in den Ausgleichskammern werden
durch zweckmäßiges Beniessen und durch Ringnuten 26 in der llülse 18 qesteuert.
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Die Größe und er Abstand dieser Nuten oder Kanäle 26 legt die Geschwindigkeit
des Einströmens in die untere Aus-@gleichskammer 34 und in Verbindung mit dem Vorsteuerventilverschlußstück
16 den Druck fest. Wenn das Vorsteuerverntiverschlußstück 16 angehoben wird, setzt
eine Strömung von unter Druck stehendem Fluid ein, die aus dem Vorsteuerventilauslaßkanal
36 aus- und in den Hauptauslaßkanal 24 eintritt. Der Druck in den Kammern 34 und
32 wird somit nahezu auf den Wert des Druckes in dem Auslaßkanal 24 verringeht,
unmittelbar bevor das Vent:ilverschluBstück 14 aufgerissen wird, das ic in diese
Zeitpunkt von dem Ventilsitz 12 wegbewegt. Dieser Druck macht es beträchtlich einfacher,
das Ventil zu öffnen, insbesondere gegen den hohen Druck, der in der Kammer 30 vorhanden
sein kann.
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Das Merkmal des dargestellten Ventils, das dieses sowohl bei der Geräuschsteuerung
als auch beider Strömungssteuerung besonders wirksam macht, ist mit der Bezugszahl
40 bezichnet und stellt eine Strömungsunterteilungsvorrichtung mit Schlitzen 42
dar. Die hier und in den Patentansprüchen verwendeten Begriffe "Schlitze" oder geschlitzt"
beziehen sich auf eine als offene Kanäle, das heißt im Querschnitt U-förmig ausgebildete
Konstruktion. Die tatsächliche orm der Kanal- oder tl-Querschnitte ist unkritisch,
und die hier beschriebene Erfindung umfaßt nicht nur Schlitze mit einem sägezahnförmigen
oder spitz zulaufenden Querschnitt, sonder auch die herkömmlichere rechteckige oder
trapezförmige Schlitzquerschnittsform. Darüber hinaus bezieht sichderAusdruck "Schlitze"
oder "geschlitzt" auch auf geschlossene Kanäle. Das Verhältnis von Breite zu Länge
wird sich bei diesen Kanälen gemäß den Ventildurchfluß-, Druckverhältnis- und Huberfordernissen
ändern. Solche Schlitze zeigen Durchflußeigenschaften, die denen von offenen Schlitzen
gleichen. Die Strömungsunterteilungsvorrichtung enthält vorzugsweIsc ein zylindrisches
geschlitztes Teil 40, durch das wenigstens ein Teil des Ventilverschlußstücks 14
hindurchgeht. Der Spalt 44 zwisehen dem Ventilverschlußstück 14 und dem geschlitzten
zylindrischen Teil 40 wird sorgfältig kontrolliert und ist typischerweise nur einige
tausendstel Millimeter breit. Der Spalt 44 ist für die richtige Arbeitsweise des
Ventils nach der Erfindung wichtig. Sobald das Ventilverschlußstück 14 geöffnet
wird, auch wenn es nur gerngfüqig geöffnet wird, kommt es zu einer Strömung von
unter Druck stehendem Fluid nicht nur durch die Schlitze 42, sondern auch längs
der Breite des Spalts 44. Wenn das Ventilverschlußstück 14 in Richtung seiner zentralen
Zylindorachse weiter zurückgezogen wird, kommt es zu einer immer stärkeren Fluidströmung
durch
die Sclwlitze 42. Die Verwendung Voll Schlitzen st.aLt der
Löcher, wie sie in einigen der eingangs erwähnten Patentsehrif ten beschrieben sind,
bietet beträchtliche Vorteile, weil die Strömung von im Druck verringerten Fluid
gleichmäßiger ist, wenn sie aufgrund des Durchgangs neben dem Ventilsitz unterteilt
wird. Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß eine Fluiddurchströmung
sämtlicher Schlitze auftritt, sobald das Ventil aufgerissen wird. Während dieses
Teils der Ventilverschlußstückbewegung tritt der höchste Druckabfall in dem strömenden
Fluid auf. Das ist im allgemeinen die kritischste Stufe des Ventilhubs hinsichtlich
der Geräuscherzeugung. Bei dem Ventil nach der Erfindung gewährleisten der Aufbau
und die Lage der Schlitzvorrichtung eine sofortige Strömungsunterteilung, sobald
irgendein Ventilhub auftritt.
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Dadurch werden die Pegel des erzeugten Geräusches und der erzeugten
Vibration beträchtlich verringert, wodurch der wirtschaftliche Aufbau von Gebilden
erleichtert wird, die an dem Ventil befestiyt sind. Darüber hinaus st die Fluidströmung
nun kontinuierlich veränderlich, selbst bei sehr geringen Ventilverschlußstlickhubwerten.
Außerdem hat jedes Geräusch, das erzeugt werden kann, ion allgemeinen eine relativ
hohe Frequenzkomponente und -verteilung. Es wird nicht nur das Geräusch verringert,
sondern für den überwiegenden Teil wird das Geräusch, das erzeugt werden kann, nichtsdestoweniger
in einem Teil des Schallfrequenzspektrums erzeugt, der viel tolerierbarer ist.
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Fig. 2 veranschaulicht insbesondere die geschlitzte Strömungsunterteilungsvorrichtung
nach der Erfindung. Sie zeigt ein< zylindrische oder ringförmige Strömungsunterteilungsvorrichtung
40 mit Schlitzen 42. Der Kreisring oder die Scheibe ist von dem Ventilverschlußstück
14 durch einen kontrollierten
Spalt 44 getrennt. In der Mitte
der Zeichnung ist der Auslaßkanal 36 zu sehen. Selbstverständlich würde bei denjenigen
Konstruktionen eines ruhigen Ventils nach der Erfindung, bei denen keine mit Ausgleichskammern
versehene Ventilkonstruktion benutzt wird, der Auslaßkanal 36 nicht vorhanden sein.
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Darüber hinaus ist in Fig. 2 zu erkennen, daß Schlitze 42 dargestellt
sind, die einen trapezförmigen Querschnitt haben. Diese Tatsache ist demgemäß in
der Zeichnung angegeben. Beispielsweise können bei einem 203 mm (eight-inch) Dampfturbinenbypassventil
ungefähr 30 solche Schlitze benutzt werden, um die Geräusch und Vibraionswerte wirksam
ZU steuern, die bei dem Durchtritt von Hochdruckdampf zwischen dem Ventilverschlußstück
und dem Ventilsitz auftreten. Bei einem solchen Ventil kann der schmale, tiefere
Teil des trapezförmigen Querschnittes eine Abmessung von ungefähr 6,35 mm (one-quarter
inch) haben, und die Schlitze können eine Höhe von ungefähr 20,32 min (eight-tenths
of an inch) haben, wobei der breiteste Teil des Trapezes eine Abmessung von ungefähr
12,7 mm (one-half inch) hat. Solche Abmessungen ergeben an den Seitenwänden des
Trapezquerschnittes eine Steigung von ungefähr 100. Fig. 3a zeigt die Trapezform
des Schlitzquerschnittes. Außerdem zeigt Fig. 3b einen weiteren möglichen Schlitzquerschnitt,
durch den eine gleichmäßigere Durchströmung der Schlitze gefördert ird.
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Weitere Schlitzformen können benutzt werden, um-besondere Strdmungs-IIuhkennlinicll
zu erzielen, wie im folgenden beschrieben.
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1?iq. 4 zeigt eine weile Ausführungsform der Erfindung, bei der die
geschlitzte Strömungsunterteilungvorrichtung an dem Ventilverschlußstück 14 angeordnet
ist. Die Strömungsunterteilungsvorrichtung 50 ist mit Schlitzen 52 versehen
und
erstreckt sich von dem Ventilverschlußstück 14 von dessen Unterseite aus, d.h. von
dem Ende des Ventilverschlußstücks 14 aus, das in den AusZaßkanal weis. Bei Bedarf
können die Sclu ze der Vorrichtung 50 sich verjüngen, wie dargestellt, oder einen
konstanten Querschnitt haben, wie die bei der Strömungsunterteilungsvorrichtung
40 gezeigten Schlitze 42. Fig. 4 zeigt zwar, daß die Strömungsunterteilungsvorrichtungen
40 und 50 gemeinsam benutzt werden können, die Vorrichtung 50 kann tatsächlich jedoch
auch allein verwendet werden. Beide Vorrichtungen 40 und 50 können einstückig mit
dem Ventilsitz 12 bzw. dem Ventilverschlußstück 14 hergestellt werden. Das Ventil
kann auch mit den Strömungsunterteilungvorrichtungen als gesonderten Teilen zusammengebaut
werden, die dann, je nachdem, entweder an dem Ventilsitz oder an dem Ventilverschlußstück
befestigt werden.
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Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der sich
die Strömungsunterteilungsvorrichtung 60, die Schlitze 62 hat, aufwärts bis zu der
Hülse 18 erstreckt, so daß das Ventilverschlußstück 14 selbst bei großen Ventilhüben
in der Vorrichtung 60 angeordnet ist. Demgemäß eignet sich das in Fig. 5 dargestellte
Ventil mehr für Ventile, bei denen ein hoher Druckabfall und eine starke Geräucherbeugung
bei allen Werten des Ventilhubs auftreten, während das in E'ig. 1 dargestellte Ventil
mehr für Steuerventilfunktionen geeignet ist. Das Ventilverschlußstück 14 in Fig.
1 gibt am Schluß die Strömungsunterteilungsvorrichtung 40 frei, wenn es von dem
Ventilsitz 12 wegbewegt wird, eo daß es schließlich zu einer im wesentlichen ungedrosselten
Strömung auf einem Weg kommt, zu dem die Schlitze 42 nicht gehören. Bei dem Ventilaufbau,
der in Fig. 5 gezeigt ist, geht dagegen selbst bei weit offenem Ventil im wesentlichen
die
gesamte Fluidströmung durch die Schlitze 62 hindurch.
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Somit wird bei dem in Fig. 5 gezeigten Ventil ein relativ hoher Druckabfall
bei sämtlichen Werten des Ventilhubs auftreten. Wiederum kann, wie oben dargelegt,
die geschlitzte Strömungsunterteilungsvorrichtung 60 ein gesondertes zJindrisches
Gebilde sein oder als ein einstückiges Teil des Ventilsitzes 12 hergestellt worden
sein.
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Ein beträchtlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Hubkennlinien
des Ventils durch besondere Auswahl der Schlitzquerschnittsgeometrie gesteuert werden
können. Insbesondere sei angemerkt, daß der Begriff "Hubkennlinie" die Durchströmuny
oder den Durchsatz des Ventils in Abhängigkeit vom Ventilhub, d.h. in Abhängigkeit
von dem Ausmaß, bis zu welchem das Ventilverschlußstück 14 in seiner axialen Richtung
bewegt wird, bedeutet. Durch Verändern der Schlitzgeometrie kann diese Kennlinie
verändert werden. Besonders einfach wird das erreicht durch Verändern der Form der
obc beschriebenen Srrapez- oder anderen Schlitzquerschnitte.
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Vorstehende Darlegungen dürften gezeigt haben, daß das Ventil nach
der Erfindung Vorteile bietet, die sich bei bekannten Ventilen, welche als leise
11 bezeichnet werden, nicht finden. Insbesondere erleichtert der Aufbau des Ventils
nach der Erfindung eine relativ gleichmäßige Strömung und verringert nicht nur Vibration
und Geräusch, sondern dient auch zum Begrenzen der Erzeugung von Geräusch auf Frequenzen,
die für das Ventil und Rohrleitungsanordnungen oder für die Arbeitsumgebung im allgemeinen
unschädlich sind. Darüber hinaus hat das Ventil nach der Erfindung eine leicht odifixierte
Hubkennlinie, und mehrere Teile des Ventils nach der Erfindung können wirtschaftlich
als ein einstückiges Gebilde hergestellt werden.
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L e e r s e i t e