DE3237425A1

DE3237425A1 - Rueckschlagventil

Info

Publication number: DE3237425A1
Application number: DE19823237425
Authority: DE
Inventors: Robert Bernard 06117 West Hartford Conn. Goodman; James Thomas 06082 Enfield Conn. Triba
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1981-10-13
Filing date: 1982-10-08
Publication date: 1983-04-21
Also published as: CA1187377A; GB2108636A; JPS5877979A; IT8223726A0; FR2514459B1; FR2514459A1; US4373544A; JPH0252146B2; DE3237425C2; IT1153236B; GB2108636B

Description

Rückschlagventil

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Fluidabsperrventile und betrifft insbesondere ein Rückschlagventil zur Verwendung in einem Verdichterabblas- oder -abzapfsystem eines Gasturbinentriebwerks.

Es ist üblich, Verdichterauslaßluft aus dem Verdichterabschnitt eines Gasturbinentriebwerks abzublasen oder abzuzapfen, das zum Antrieb eines Strahlflugzeuges benutzt wird. Luft wird aus dem Verdichter abgezapft, um ein Pumpen des Triebwerks beim Starten und Beschleunigen zu verhindern, um die Flugzeugkabine zu beheizen und um Flügelabschnitte und andere Oberflächen des Flugzeuges zu erwärmen und so deren Vereisung zu verhindern. Systeme zum Abblasen von Luft aus dem Verdichter enthalten üblicherweise Rückschlagventile, die eine umgekehrte Durchströmung der Systeme verhindern, zu der es beispielsweise kommen könnte, wenn die Abblassysteme mehrerer Triebwerke miteinander in

Verbindung stehen und eines der Triebwerke außer Betrieb gesetzt wird. Ohne das Absperren der umgekehrten Strömung würde ein solcher Zustand bewirken, daß aus in Betrieb befindlichen Triebwerken abgeblasene Luft zu irgendeinem außer Betrieb gesetzten Triebwerk strömt, wodurch die Leistung der Zusatzheizausrüstung, auf die vorstehend Bezug genommen worden ist, gestört würde. Die Rückschlagventile, die in solchen Abblassystemen benutzt werden, müssen in der Lage sein. Luft mit Drücken in der Größenordnung von 20 bar bei Temperaturen von etwa 430 ⁰C durchzulassen und bei Umkehrung der Strömungsrichtung schnell zu schließen.

Bekannte Verdichterabblasrückschlagventile sind üblicherweise Klappenventile. Solche Klappenventile haben jedoch eine minimale Lagerfläche des VerschlußStückes im Vergleich zum Durchflußquerschnitt des Ventiles. Diese geringe Lagerfläche vermindert die Lebensdauer des Ventils durch vorzeitigen Verschleiß der Ventilsitze durch Flattern und Aufschlagen des Verschlußstückes auf dem Ventilsitz. Ein Beispiel für ein bekanntes Verdichterabblasrückschlagventil der Klappenbauart findet sich in der US-PS 2 925 825. Es sind zwar bereits verschiedene andere Rückschlagventile bekannt, diese Ventile sind jedoch häufig mit Durchflußwegen versehen, die eng und gewunden sind oder auf andere Weise zu einem unerwünschten Druckabfall in dem Ventil beitragen. Die US-PSen 2 927 604 und 2 928 417 beschreiben weitere Rückschlagventxlanordnungen. Während die US-PS 3 134 394 ein Rückschlagventil zeigt, bei dem ein geringerer Druckabfall als bei anderen der oben erwähnten Rückschlagventile auftritt, bringt das Rückschlagventil nach der Erfindung gegenüber diesem Ventil beträchtliche Vorteile hinsichtlich des Druckabfalls und des raschen Schließens bei einer Umkehrung der Durchflußrichtung mit sich. Die US-PSen 1 802 720, 3 993 093, 3 586 033 und 3 194 255 sowie die DE-PS 1 817 beschreiben ebenfalls verschiedene Rückschlagventile. Es ist

jedoch festgestellt worden, daß diese Ventile weder ausreichend kompakt sind noch ausreichend in der Lage sind, sich einer Verwindung aufgrund des Fluiddruckes und der thermischen Belastung zu widersetzen, weshalb sie die Forderungen, die an Abzapfluftrückschlagventile in modernen, durch Gasturbinentriebwerke angetriebenen Flugzeugen gestellt werden, nicht erfüllen.

Die Erfindung schafft demgemäß ein verbessertes Rückschlagventil mit einem auf Lagerflächen beträchtlichen Querschnittes abgestützten Verschlußstück, bei dem Flattern und dadurch hervorgerufener Verschleiß minimiert sind.

Weiter schafft die Erfindung ein verbessertes Rückschlagventil, das dem Durchfluß durch das Ventil einen minimalen Widerstand entgegensetzt und einen insgesamt ungewundenen Durchflußweg hat.

Ferner schafft die Erfindung ein verbessertes Rückschlagventil, bei dem der Druckabfall an dem Ventil minimiert ist.

Außerdem schafft die Erfindung ein verbessertes Rückschlagventil, das bei Umkehrung der Durchflußrichtung schnell, aber kontrolliert schließt.

Außerdem schafft die Erfindung ein verbessertes Rückschlagventil, das eine Verwindung aufgrund des Fluiddruckes und von thermischen Einwirkungen zuläßt.

Schließlich schafft die Erfindung ein verbessertes Rückschlagventil, das einen kompakteren Aufbau hat.

Das Rückschlagventil nach der Erfindung hat einen durchlöcherten aerodynamischen Führungskörper und einen aero-

dynamischen Ventilteller oder ein aerodynamischen Verschlußstück, das innerhalb eines Gehäuses so angeordnet ist, daß bei normaler Strömungsrichtung das Verschlußstück und der Führungskörper einen stromlinienförmigen Innenkörper bilden, der an Streben befestigt ist, die eine Wärme- und Fluidbelastung des Ventils ohne weiteres zulassen. Bei normaler Strömungsrichtung befindet sich das Verschlußstück in geringfügigem axialem Abstand von dem Innenkörper, um einen Niederdruckbereich auf der Innen-" seite des Verschlußstückes zu erzeugen. Dieser Niederdruckbereich hilft, das Ventil im offenen Zustand zu halten. Bei der normalen Durchflußrichtung ist ein Teil des Innenkörpers innerhalb des VerschlußStückes aufgenommen, was eine größere Kompaktheit ergibt. Der Innenkörper und das Ventilgehäuse begrenzen einen Durchflußweg insgesamt konstanten Querschnittes längs des Ventils. Der umgekehrte Durchfluß durch das Ventil wird durch die Löcher in dem Führungskörper ohne weiteres zugelassen, wobei der umgekehrte Durchfluß auf eine innere konkave Oberfläche des VerschlußStückes gelangt, das unter dem Einfluß des umgekehrten Durchflusses schnell auf seinen Sitz gelangt, wodurch die weitere Durchströmung des Ventils in umgekehrter Richtung blockiert wird. Eine Dämpfungskolben-Büchsenanordnung ist innerhalb des Führungskörpers vorgesehen, wobei das Verschlußstück entweder an dem Kolben oder an der Büchse befestigt ist, so daß die Relativbewegung zwischen denselben die VerschlußStückbewegung dämpft und dadurch unerwünschte Schwingungen des Verschlußstückes und Belastungen durch Hämmern desselben minimiert werden. Der Zylinder ist belüftet, um die Federkonstante der Kolben-Büchsenanordnung zu verringern und das Prellen des Kolbens bei geöffnetem Ventil zu verhindern. Die Belüftung verringert außerdem die Größe des durch den Zylinder aufgebauten Unterdruckes, der sonst

das Schließen des Ventils behindern könnte. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Büchse in dem Zylinder eng aufgenommen, und der Zylinder und die Büchse bilden ausgedehnte Lagerflächen, die die Bewegung des Verschlußstückes innerhalb des Rückschlagventils zulassen und dabei unerwünschtes Flattern oder Vibrieren verhindern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht des Rück

schlagventils nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Endansicht des Ventils und

Fig. 3 eine Ansicht des entgegengesetzten

Endes des Rückschlagventils.

Das in Fig. 1 insgesamt mit der Bezugszahl 10 bezeichnete Rückschlagventil hat ein Gehäuse 15 mit Befestigungsflanschen 20 und 25 an entgegengesetzten Enden zum mechanischen Verbinden des Ventils mit zwei einander gegenüberliegenden Kanalenden. Das Gehäuse hat in seinem Inneren einen ringförmigen Ventilsitz 30, mit welchem ein Ventilteller oder Verschlußstück 35 in Berührung kommt, um das Ventil bei Umkehrung der Durchflußrichtung zu schließen (d.h. bei einer Strömung in Fig. 1 nach rechts).

In dem Gehäuse 15 ist ein stromlinienförmiger, aerodynamischer Führungskörper 45 angeordnet und an Streben 40 abgestützt, der dem Durchfluß in der normalen Richtung einen minimalen Widerstand entgegensetzt. Gemäß Fig. 2 sind die Streben zwischen dem Gehäuse und dem Führungskörper angeordnet und erstrecken sich in Richtungen, deren Komponenten sowohl von dem Führungskörper radial nach außen als auch

tangential zu diesem gerichtet sind, wobei diese Strebenausrichtung gestattet, Wärme- und Fluiddruckbelastungen zuzulassen, und zwar durch Biegen der Streben ohne überbeanspruchung der Befestigungspunkte der Streben an dem Gehäuse und dem Führungskörper.

Der Führungskörper 45 hat eine (in bezug auf die normale Durchflußrichtung) vordere Wand 50 und eine hintere Wand 55, die an der Stelle 58 miteinander verbunden sind, beispielsweise durch Schweißen, Hartlöten, Nieten od.dgl. Die vordere Wand 50 ist mit öffnungen 60 versehen, und die hintere'Wand 55 ist mit öffnungen 65 versehen. Diese öffnungen gestatten ohne weiteres einen Durchfluß in umgekehrter Richtung durch das Ventil, um den Durchfluß in umgekehrter Richtung auf die innere (konkave) Oberfläche des Verschlußstückes 35 zu leiten und dieses auf seine Sitzfläche zu drücken (vgl. die Darstellung mit unterbrochenen Linien in Fig. 1). Gemäß Fig. 1 sind die öffnungen 65 wesentlich kleiner als die öffnungen 60, und sowohl die öffnungen 60 als auch die öffnungen 65 sind insgesamt in der Mitte der vorderen bzw. der hinteren Wand des Führungskörpers angeordnet. Diese allgemeine Beziehung der Größe und des Äbstands der öffnungen eignet sich zwar für ein Verdichterabzapfluftrückschlagventil eines Gasturbinentriebwerks, die Verwendbarkeit des Rückschlagventils nach der Erfindung beschränkt sich jedoch nicht darauf, weil die Größe und der Abstand der öffnungen von der Art des durch das Ventil strömenden Fluids und von den Betriebstemperaturen und -drücken desselben abhängig sind.

Die vordere und die hintere Wand des Führungskörpers haben eine konische oder konvergente Form und dienen zur Befestigung eines DämpfungsZylinders 70, der innerhalb des Führungskörpers insgesamt mittig angeordnet ist. Der

Zylinder 70 ist mit einer Belüfungsöffnung 75 an seinem stromabwärtigen Ende versehen und enthält eine Büchse 85, die insgesamt eng an der Zylinderinnenwand anliegt. Der Zylinder und die Büchse bilden eines Dämpfungsvorrichtung oder einen Stoßdämpfer zum Minimieren der Schwingungen des Verschlußstückes und des Schlages, den dieses auf einen weiter unten ausführlich beschriebenen Anschlag ausübt. Die Belüftungsöffnung 75 verringert die Federkonstante der Büchse-Zylinderanordnung, um das Prellen des Verschlußstückes zu verhindern, wenn das Ventil geöffnet wird. Die Belüftungsöffnung 75 unterstützt außerdem das Einsaugen von Fluid in den Zylinder beim Absperren des Durchflusses in entgegengesetzter Richtung, um die Bildung eines Unterdrukkes innerhalb des Zylinders zu verhindern, der das Schließen des Ventils behindern würde.

Das Verschlußstück 35 hat eine konische oder konvergente Form und ist an dem Ende der Büchse 84 durch eine Schraube 90 und eine Mutter 95 befestigt. Wenn sich, wie in der bevorzugten Ausführungsform, der Zylinder und die Büchse im wesentlichen über die gesamte Länge des Rückschlagventils erstrecken, so bilden diese beiden Teile ausgedehnte Lagerflächen, auf denen das Verschlußstück verschiebbar gelagert ist, so daß ein Flattern oder anderes unerwünschtes Vibrieren des Verschlußstückes vermieden wird.

Der radial äußerste Teil des VerschlußStückes 35 dichtet an dem Ventilsitz 3 0 ab (wie mit unterbrochenen Linien dargestellt) , wenn das Ventil geschlossen ist. Gemäß Fig. 1 hat das Verschlußstück 35 einen konkaven Mantel, und der Durchfluß durch das Ventil in der normalen Richtung trifft direkt auf die äußere oder konvexe Verschlußstückoberfläche auf, wodurch das Ventil geöffnet und das Verschlußstück so positioniert wird, daß die vordere Führungskörperwand zum Teil im Innern des Verschlußstückes aufgenommen wird. Wenn

das Ventil offen ist, berührt ein Flansch oder Anschlag 97, der an dem Verschlußstück 35 durch die Schraube 90 und die Mutter 95 befestigt ist, einen Anschlag 98, der an dem Zylinder 70 befestigt ist, wodurch der äußere Teil des VerschlußStückes auf Abstand von der vorderen Wand 50 des Führungskörpers gehalten wird. Dieser Abstand, der als ein Spalt 99 dargestellt ist, stellt eine Verbindung zwischen der Fluidströmung um das Verschlußstück und den Führungskörper einerseits und den Innenräumen dieser Teile andererseits her, wodurch ein Niederdruckbereich auf der stromabwärtigen Seite des Verschlußstückes geschaffen wird, durch den das Ventil besser in der offenen Stellung gehalten wird. Der umgekehrte (abgesperrte) Durchfluß gelangt über die öffnungen und 60 in dem Führungskörper zu der inneren (konkaven) Seite des Verschlußstückes, um dieses gegen den Ventilsitz 30 zu drücken und dadurch das Ventil zu schließen. Gemäß Fig. 1 sind die hintere Führungskörperwand 55 und das Verschlußstück 35 insgesamt konisch, so daß sie gemeinsam einen insgesamt konischen, stromlinienförmigen Innenkörper im Innern des Ventils bilden. Der Innenkörper und das Innere des Gehäuses 15 begrenzen einen Durchlaß 100 insgesamt gleichförmigen Durchflußquerschnittes von einem zum anderen Ende desselben. Dieser gleichförmige Durchflußquerschnitt ergibt zusammen mit der Stromlinienform des durch den Führungskörper und das Verschlußstück gebildeten Innenkörpers einen minimalen Druckabfall an dem Rückschlagventil.

Demgemäß zeichnet sich das Rückschlagventil nach der Erfindung durch Kompaktheit und durch einen minimalen Druckabfall aus und eine Verwindung durch Wärme- und Fluiddruck läßt es ohne weiteres zu. Die Hin- und Herbewegung des Verschlußstückes 35 zwischen der offenen und der geschlossenen Stellung wird durch die Eüchse-Zylinderdämpfungsvor-

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richtung gedämpft, die aufgrund ihrer Anordnung im Innern des Ventils ausgedehnte Lagerflächen für die Hin- und Herbewegung des Verschlußstückes bereitstellt. Die Zylinderbelüftungsöffnung 75 verhindert ein Zurückspringen des Verschlußstückes und eine Behinderung des Absperrens durch Unterdruckbildung in dem Zylinder. Durch ihre Anordnung innerhalb des Führungskörpers sind die Zylinder- und Büchsenlagerflachen im wesentlichen auf ihrer gesamten Länge vor Verunreinigung geschützt. Die öffnungen in der vorderen und in der hinteren Wand des Führungskörpers 45 gestatten ein schnelles Absperren bei schwachen Durchflüssen in umgekehrter Richtung. Darüber hinaus wird das Absperren von schwachen Durchflüssen in umgekehrter Richtung durch den konkaven Mantelaufbau des Verschlußstückes selbst begünstigt, da aufgrund dieses Aufbaus ein umgekehrter Fluiddurchfluß wirksam aufgefangen wird.

Das Rückschlagventil nach der Erfindung ist zwar ohne Stellantriebe oder Hilfseinrichtungen irgendwelcher Art dargestellt, denn die Betätigung des Ventils wird durch die Durchflußrichtung gesteuert. Federn, Stellantriebe oder andere Hilfseinrichtungen können jedoch bei Bedarf benutzt werden.

Claims

Patentansprüche:

einem Gehäuse (15), das einen äußeren Teil eines Durchflußkanals bildet;

einem Sitz (30) , der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist; einem Verschlußstück (35), das in dem Gehäuse mittels Fluidströmung positionierbar ist und durch Beaufschlagung mit der umgekehrten Fluidströmung in Anlage an dem Sitz gehalten wird, um das Rückschlagventil zu schließen, und durch Beaufschlagung mit einer Fluidströmung in normaler Richtung von dem Sitz abgehoben wird, um das Rückschlagventil zu öffnen; und

mit einem mit Öffnungen (60, 65) versehenen Führungskörper (45), der in dem Gehäuse angeordnet ist und mit dem Verschlußstück bei normaler Fluidströmungsrichtung eine Innenwand des Durchflußkanals bildet, wobei die Öffnungen die Strömung in umgekehrter Richtung durchlassen, damit die Strömung das Verschlußstück beaufschlagt, das Ver-

Schlußstück auf den Sitz bewegt und das Rückschlagventil schließt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Führungskörper (45) im Innern des Gehäuses (15) durch mehrere in gegenseitigem Abstand angeordnete Streben (40) befestigt ist, von denen jede zwischen dem Gehäuse und dem Führungskörper angeordnet ist und sich in Richtungen erstreckt, die durch Richtungskomponenten sowohl radial nach außen von als auch tangential zu dem Führungskörper definiert sind.
2. Rückschlagventil mit:

einem Gehäuse (15), das einen äußeren Teil eines Durchflußkanals bildet;

einem Sitz (30), der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist; einem Verschlußstück (35), das in dem Gehäuse mittels Fluidströmung positionierbar ist und durch Beaufschlagung mit einer Fluidströmung umgekehrter Richtung in Anlage an dem Sitz gehalten wird, um das Rückschlagventil zu schließen, und durch Beaufschlagung mit einer Fluidströmung normaler Richtung von dem Sitz abgehoben wird, um das Rückschlagventil zu öffnen; und

einem mit öffnungen (60, 65) versehenen Führungskörper (45), der eine vordere und eine hintere stromlinienförmige Wand (50, 55) hat, die jeweils mit den öffnungen versehen sind, in dem Gehäuse (15) angeordnet sind und mit dem Verschlußstück (35) bei normalem Fluiddurchfluß eine innere Wand des Durchflußkanals bilden, wobei die öffnungen (60, 65) einen Fluiddurchfluß in umgekehrter Richtung durchlassen, damit dieser das Verschlußstück beaufschlagt und dieses auf seinen Sitz drückt, um das Rückschlagventil zu schließen,

dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußstück (35) einen konkaven Mantel aufweist und daß der Fluiddurchfluß in der normalen Richtung durch das Ventil auf eine Außenfläche des Verschlußstücks auftrifft und dieses von seinem Sitz (30) abhebt, so daß die vordere Wand (50) des

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Führungskörpers (45) wenigstens zum Teil im Innern des VerschlußStücks aufgenommen wird.
3. Rückschlagventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußstück (35) und der Führungskörper (45) einen stromlinienförmigen Innenkörper bilden, der einen vorderen und einen hinteren Oberflächenteil hat, welche insgesamt konisch sind.
4. Rückschlagventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußstück (35) Abstand von dem Führungskörper (45) aufweist, um einen Niederdruckbereich auf deiner stromabwärtigen Seite des Verschlußstücks aufrechtzuerhalten, wenn das Ventil geöffnet ist.
5. Rückschlagventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der durch das Gehäuse (15), den Führungskörper (45) und das Verschlußstück (35) gebildete Durchflußkanal auf seiner gesamten Länge einen im wesentlichen gleichmäßigen Durchflußquerschnitt hat.
6. Rückschlagventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Büchse (85), die an dem Verschlußstück (35) oder an dem Führungskörper (45) befestigt ist, und durch einen Zylinder (70), welcher die
Büchse aufnimmt, an dem Führungskörper oder dem Verschlußstück befestigt ist und zusammen mit der Büchse eine Vorrichtung zum Dämpfen von Schwingungen des Verschlußstücks (35) bildet.
7. Rückschlagventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (70) eine Belüftungsöffnung

(75) zum Ablassen von Fluiddruck aus dem Zylinder aufweist, um das Prellen des Verschlußstücks (35) zu verhindern, wenn sich die Büchse (85) zu der Belüftungsöffnung bewegt, und um das Einsaugen von Fluid in den Zylinder

zu verstärken, wenn sich die Büchse von der Belüftungsöffnung wegbewegt.
8. Rückschlagventil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse (85) an der Innenwand des Zylinders (70) anliegt und daß der Zylinder und die Büchse Lagerflächen bilden, auf denen das Verschlußstück bei seiner Bewegung in bezug auf den Ventilsitz (30) abgestützt ist.
9. Rückschlagventil mit:

einem Gehäuse (15), das einen äußeren Teil eines Durchflußkanals bildet;

einem Sitz (30), der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist;

einem Verschlußstück (35) , das in dem Gehäuse mittels Fluidströmung positionierbar ist und durch Beaufschlagung mit der umgekehrten Fluidströmung in Anlage an dem Sitz gehalten wird, um das Rückschlagventil zu schließen, und durch Beaufschlagung mit einer Fluidströmung in normaler Richtung von dem Sitz abgehoben wird, um das Rückschlagventil zu öffnen; und

einem mit öffnungen (60, 65) versehenen Führungskörper (45), der eine vordere und eine hintere stromlinienförmige Wand (50, 55) hat, die jeweils mit den öffnungen versehen sind, in dem Gehäuse (15) angeordnet sind und mit dem Verschlußstück (35) bei normalem Fluiddurchfluß eine innere Wand des Durchflußkanals bilden, wobei die öffnungen (60, 65) einen Fluiddurchfluß in umgekehrter Richtung durchlassen, damit dieser das Verschlußstück beaufschlagt und dieses auf seinen Sitz drückt, um das Rückschlagventil zu schließen,

dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußstück (35) in der offenen Stellung in axialem Abstand (99) von der vorderen Wand (50) des Führungskörpers (45) angeordnet ist, um einen Niederdruckbereich auf der stromabwärtigen Seite des Ver-

schlußstücks zu erzeugen, durch den das Verschlußstück besser in der offenen Stellung gehalten wird.
10. Verschlußstück nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen festen Anschlag (98), mit dem ein Anschlag (97) an dem Verschlußstück (35) in Berührung bringbar ist, um das Verschlußstück in dem Abstand (99) von der vorderen Wand (50) des Führungskörpers (45) zu halten.
11. Rückschlagventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußstück (35) auf einer Lagervorrichtung (70, 85) abgestützt ist, die mittig in dem Rückschlagventil angeordnet ist und an der der Anschlag (98) befestigt ist.