DE4012751A1 - Dampfventil mit variablen betaetigungskraeften - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Ventile und ins­ besondere auf Dampfventile, wie sie beispielsweise in Dampfturbinen verwendet werden zum Steuern der Dampfströ­ mung von einem Ventilkasten zum Inneren der Dampfturbine.

Bekanntlich ändern sich die Kräfte, die zum Öffnen eines Dampfventiles erforderlich sind, sehr stark, wenn sich das Dampfventil zwischen einer geschlossenen Stellung und einer offenen Stellung bewegt. Dies resultiert aus der sehr großen Änderung in der Druckdifferenz über dem Ventil während des Öffnungs- und Schließvorganges. Das heißt, wenn das Ventil völlig geschlossen und abgedichtet ist, wirkt der volle Dampfdruck über der Ventilfläche in der Richtung, die das Ventil in der geschlossenen Stel­ lung zu halten versucht. Gegenkräfte von unten gegen das Ventil sind zu dieser Zeit minimal. Wenn das Ventil völlig geöffnet ist, ist der Dampfdruck unterhalb des Ventils etwa der gleiche wie derjenige oberhalb des Ventils und deshalb ist eine sehr kleine Kraft erforderlich, um das Ventil in diesem Bereich zu bewegen.

Besonders kritisch ist die Betätigung des Ventils in der Nähe seiner Spaltstellung. Von einer völlig geschlossenen Stellung zu einer sehr kleinen Öffnungsstellung (Spalt­ stellung) durchlaufen die Ventilkräfte eine sehr große Änderung.

Bei bekannten Anordnungen werden die großen Kräfte, die erforderlich sind, um ein Dampfventil in eine Spaltstel­ lung zu bringen, unter Verwendung eines Hilfskolbens in einer Ausgleichs- bzw. Gleichgewichtskammer überwunden. Der Hilfskolben wird einem Dampfdruck ausgesetzt, der in einer Beziehung zu dem Dampfdruck steht, dem das Ventil ausgesetzt ist. Der Kolben in der Ausgleichskammer übt Kräfte auf das Ventil in der Öffnungsrichtung aus, wodurch das Ventilstellglied nur die Differenz zwischen der Schließ­ kraft, die auf das Ventil ausgeübt wird, und die Öffnungs­ kraft aufbringen muß, die auf den Hilfskolben in der Aus­ gleichskammer ausgeübt wird.

Wenn die erforderlichen Betätigungskräfte kleiner sind, können kleinere Stellvorrichtungen verwendet werden, wie beispielsweise Hydraulikzylinder, Handräder u.ä. Dies hat in wünschenswerter Weise verminderte Baugrößen und Kosten zur Folge.

Minimale Stellkräfte werden erreicht, wenn die Öffnungs- und Schließkräfte im Gleichgewicht sind. Wenn jedoch die anfängliche Spaltkraft bei einem nahezu perfekten Gleich­ gewicht etwa Null gemacht wird, sobald der Ventilkolben eine kurze Strecke aus seinem Sitz bewegt wird, hat die große Änderung in der Ventilkraft die Tendenz, eine Öffnungs­ kraft auf das Ventil auszuüben.

Die Ventilbewegungsstrecke, um sehr große Änderungen in der Ventilbetätigungskraft in der Nähe der Spaltbildung herbeizuführen, liegt häufig in dem Bereich von Spiel­ räumen, Toleranzen und Auslenkungen in der Ventilkon­ struktion. Ein perfektes Gleichgewicht in dem Ventil, wenn es geschlossen ist, würde einen ernsthaften Ungleich­ gewichtszustand in der Spaltstellung zur Folge haben. Die daraus resultierende Änderung in den Kraftvektoren kann bewirken, daß der Ventilkolben flattert oder schwingt und somit zu einer instabilen Steuerung, Geräusch und schnellen Abnutzung der Teile führt.

Somit erfordert ein stabiler Ventilbetrieb ein wesentliches Ungleichgewicht in der Schließrichtung des geschlossenen Ventils, so daß ein remanentes Ungleichgewicht in der Schließrichtung während und über die Spaltbildung hinaus zurückbleibt. Dies macht ein Stellglied erforderlich, das eine wesentliche Kraft ausüben kann, um das Ungleich­ gewicht zu überwinden. Ein wesentliches Stück über die Spaltstellung hinaus sind die Krafterfordernisse selbst­ verständlich wesentlich kleiner. Bei bekannten Anord­ nungen ist jedoch die gleiche Betätigungskraft verfüg­ bar, aber sie ist nicht erforderlich, wenn das Ventil einmal über seine Spaltbildungsstellung hinaus bewegt ist.

Eine weitere bekannte Technik verwendet ein Pilotventil, das einem Hauptdampfventil zugeordnet ist. Das Pilotventil wird zunächst geöffnet, dann wird das Hauptdampfventil geöffnet. Dieses zweistufige Vorgehen vermeidet wenigstens teilweise das Problem der großen Änderungen in der Betäti­ gungskraft, die in der Nähe der Schließstellung auftreten.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Ventilbetätigungs­ system zu schaffen, das die Nachteile beim Stand der Tech­ nik vermeidet.

Weiterhin soll ein Ventilbetätigungssystem geschaffen werden, das die erforderlichen Kräfte, um ein Ventil in die Spaltstellung zu öffnen, verkleinert. Weiter­ hin soll eine Ausgleichsvorrichtung für ein Dampfventil geschaffen werden, bei dem eine kleinere effektive Fläche in einer Ausgleichskammer die Kräfte verkleinert, die zum Öffnen des Dampfventiles in der Nähe des Spaltbildungs­ punktes erforderlich sind. Jenseits des Spaltbildungspunktes, wo große Änderungen in der Ventilkraft über kurze Strecken nicht auftreten, verkleinert eine größere effektive Fläche in der Ausgleichskammer die Ventilkräfte weiter, wodurch eine starke Verkleinerung in der Ventilbetätigungskraft über dem Hauptteil des Ventilhubs erreicht wird.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Dampfventilsystem zu schaffen, das einen Zweiflächen-Gleichgewichtszylinder und ein Hauptdampfventil mit einem zugeordneten Pilot­ ventil aufweist. Das Pilotventil wird zunächst geöffnet. Dann wird das Hauptdampfventil geöffnet, unterstützt durch Ausgleichskräfte von einer ersten wirksamen Fläche des Gleichgewichtszylinders. Schließlich werden die Ausgleichs­ kräfte vergrößert, wenn die zweite wirksame Fläche des Gleichgewichtszylinders wirksam wird. Bis also die zweite wirksame Fläche benutzt wird, ist eine wesentliche Kraft erforderlich, um das Hauptdampfventil zu betätigen, wie dies für die Stabilität in dem kritischen Arbeitsbereich nahe der Spaltöffnung notwendig ist. Wenn die zweite wirk­ same Fläche in Aktion ist, ist eine verkleinerte Betäti­ gungskraft erforderlich.

Kurz gesagt, enthält ein Dampfventil eine Vorrichtung zum Verkleinern der Kraft, die jenseits der Spaltbildung erforderlich ist, wodurch die Baugröße der Betätigungs­ einrichtung verkleinert wird. Eine Gleichgewichtskammer weist zwei effektive Durchmesser auf. Ein kleinerer Durch­ messer ist während der Spaltbildung wirksam, um eine sichere Steuerung des Ventils beizubehalten. Später wird ein größerer Ausgleichsdurchmesser wirksam, um die Betätigungskräfte zu verkleinern, die jenseits der Spaltbildungsstellung erforderlich sind. Ein Pilotventil wird während der an­ fänglichen Betätigung geöffnet. Wenn das Pilotventil völlig geöffnet ist, wird ein Hauptventil geöffnet. Eine zwei Durchmesser aufweisende Gleichgewichtskammer ist während der anfänglichen Öffnung des Hauptventils wirksam, um wesentliche Öffnungskräfte zu erfordern. Wenn dann das Hauptventil einen vorbestimmten Abstand von seinem Sitz erreicht, vergrößert der zweite effektive Durchmesser die Gleichgewichtsfläche, um die erforderlichen Ventil­ betätigungskräfte zu verkleinern.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Dampfventil geschaffen, das enthält: ein Hauptventil, einen Hauptventilsitz, einen Ausgleichs­ zylinder, einen Ausgleichskolben in dem Ausgleichszylinder, Mittel zum Ausüben einer Ausgleichskraft von dem Ausgleichs­ kolben auf das Hauptventil, Mittel zum Einwirken von Dampf auf den Ausgleichskolben in eine Richtung, die das Dampf­ ventil zu öffnen versucht, wobei der Ausgleichszylinder erste und zweite wirksame Durchmesser aufweist, und der Ausgleichskolben einen dritten wirksamen Durchmesser auf­ weist, der wenigstens teilweise mit dem ersten wirksamen Durchmesser abgedichtet werden kann, wobei der Ausgleichs­ kolben einen vierten wirksamen Durchmesser aufweist, der wenigstens teilweise mit dem zweiten wirksamen Durchmesser abgedichtet werden kann, ferner Mittel, damit die ersten und dritten wirksamen Durchmesser die Ausgleichskraft steuern können, wenn das Hauptventil in einem vorbe­ stimmten Abstand von dem Hauptventilsitz ist, Mittel, durch die die zweiten und vierten Durchmesser die Aus­ gleichskraft steuern können, wenn das Hauptventil weiter als dem vorbestimmten Abstand von dem Hauptventilsitz angeordnet ist, und wobei der erste wirksame Durchmesser kleiner als der zweite wirksame Durchmesser ist, wodurch eine Ventilbetätigungskraft wesentlich verkleinert ist, wenn das Hauptventil weiter als der vorbestimmte Abstand von dem Hauptventilsitz angeordnet ist.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vor­ teilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Aus­ führungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Querschnitt von einem bekannten Dampfventil.

Fig. 2 ist ein Querschnitt von einem Dampfventil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein bekanntes Dampfventil 10 gezeigt. Ein Hauptventil 12 steht in seiner Schließstellung mit einem Hauptventilsitz 14 in Eingriff. Ein Durchmesser D 1 bildet eine effektive Fläche das Hauptventils 12, wenn es ge­ schlossen ist.

Ein Hilfs- bzw. Pilotventil 16 steht mit einem Pilotventil­ sitz 18 in Eingriff, der sich in der Mitte des Hauptventils 12 befindet. Ein Durchmesser D 2 bildet eine effektive Fläche des Pilotventilsitzes 18. Ein Ventilstößel 20 wird durch ein übliches externes Ventilstellglied (nicht gezeigt) in einer Richtung bewegt, die durch einen Doppelpfeil 22 angegeben ist. Es sei darauf hingewiesen, daß der Durch­ messer D 2 wesentlich kleiner als der Durchmesser D 1 ist. Ein Ventilgehäuse 24, das das Dampfventil 10 umgibt, ent­ hält eine Dampföffnung 26 für den Einlaß von Dampf in das Dampfventil 10. Eine Ausgleichskammer 28 enthält eine zylindrische Innenfläche 30. Ein Gleichgewichtskolben 32 weist einen Dichtungsflansch 34 auf, der eine Teildichtung gegen eine zylindrische Innenfläche 30 herbeiführt. Eine Wellendichtung 36 gestattet, daß das Dampfventil 20 inner­ halb der Ausgleichskammer 28 ohne wesentliche Leckage verschiebbar ist. Der Gleichgewichtskolben 32, die Aus­ gleichskammer 28 und die Wellendichtung 36 bilden mit einem geschlossenen Teil des Ventilgehäuses 24 zusammen eine Ausgleichskammer 37.

Eine Hülse 38 verbindet einstückig den Gleichgewichts­ kolben 32 mit dem Hauptventil 12 und bildet somit da­ zwischen eine Kammer 40. Eine innere Hülse 42, die von dem Gleichgewichtskolben 32 herabhängt, umgibt und führt den Ventilstößel 20. Ein unteres Ende 44 der inneren Hülse 42 ist auf eine obere Anschlagfläche 46 des Pilotventils 16 gerichtet, das in einem kurzen Abstand davon in der gezeigten Schließstellung angeordnet ist. Mehrere Löcher 49 führen durch den Gleichgewichtskolben 32 hindurch und stellen eine Verbindung der Ausgleichskammer 37 mit der Kammer 40 her.

Eine zylindrische Ventil-Trimmvorrichtung 48 enthält mehrere, typisch tausende, hindurchführende Löcher 50. Ein äußerer Umfang 52 des Hauptventils steht mit einer inneren Oberfläche 54 der Ventil-Trimmvorrichtung 48 in einer Gleitpassung in Eingriff.

Wie bereits ausgeführt wurde, bildet die Passung zwischen dem Dichtflansch 34 und der zylindrischen Innenfläche 30 nur eine Teildichtung. Demzufolge kann ein Teil des Dampfes durch diese Dichtung in die Ausgleichskammer 37 strömen.

Wenn im Betrieb das Dampfventil 10 vollständig geschlossen ist, gestattet die Leckage von Dampf durch die Teildich­ tung, die durch den Dichtflansch 34 und die zylindrische Innenfläche 30 gebildet ist, daß sich der Druck in der Ausgleichskammer 37 der Kammer 40 auf den Hauptdampfdruck ausgleicht, der durch die Dampföffnung 26 in das Ventil­ gehäuse 24 eintritt.

Mit der ersten Aufwärtsbewegung des Ventilstößels 20 löst sich das Pilotventil 16 aus einem Sitz von dem Pilotventil­ sitz 18. Dies senkt den Dampfdruck in der Kammer 40 und in der Ausgleichskammer 37 auf einen Wert unterhalb des Hauptdampfdruckes in dem Ventilgehäuse 24. Dieser gesenkte Druck wirkt auf die obere Oberfläche des Ausgleichskolbens 32, wohingegen der Hauptdampfdruck auf die untere Ober­ fläche des Ausgleichskolbens 32 wirkt, wodurch eine re­ sultierende Aufwärtskraft erzeugt wird, die das Haupt­ ventil 12 nach oben zu bewegen versucht. Zu dieser Zeit erzeugt die verbleibende Dichtung zwischen dem Haupt­ ventil 12 und dem Hauptventilsitz 14 eine ausreichende Kraft nach unten, um die Aufwärtskraft zu überwinden. Als eine Folge bleibt das Hauptventil 12 geschlossen.

Wenn das Pilotventil 16 genügend weit nach oben bewegt wird, um einen Anschlagkontakt zwischen dem unteren Ende 44 und der Anschlagfläche 46 zu erzeugen, hat eine leichte weitere Aufwärtsbewegung die Tendenz, das Hauptventil 12 aus seinem Sitz auf dem Hauptventilsitz 14 nach oben zu bewegen. Dampf strömt durch diejenigen Löcher 50, die unterhalb des Umfangs 52 angeordnet sind, wodurch eine Dampfströmung durch den Hauptventilsitz 14 erzeugt wird. Wenn der Ventilstößel 20 weiter nach oben bewegt wird, bewegen sich das Pilotventil 16 und das Hauptventil 12 gemeinsam damit nach oben. Während dieser Aufwärtsbe­ wegung werden mehr und mehr Löcher 50 durch den äußeren Umfang 52 passiert, und mehr und mehr Dampf kann durch das Hauptventil 12 zu dem Nutzprozeß strömen. Die kleine Größe und die große Anzahl der Löcher 50 stellen sicher, daß der Vorgang glatt und im wesentlichen geräuschlos abläuft.

Gerade im Augenblick des Öffnens wird jedoch die effektive Fläche mit dem Durchmesser D 1, die die nach unten gerich­ tete Kraft auf das Hauptventil 12 erzeugt, leicht ver­ kleinert. Dies in Verbindung mit der fortgesetzten Senkung des Dampfdruckes in der Ausgleichskammer 37, die aus einem Druckabfall über der leckbehafteten Dichtung zwischen dem dichtenden Flansch 34 und der zylindrischen Innen­ fläche 30 entsteht, erzeugt eine Verkleinerung der Ab­ wärtskraft auf das Hauptventil 12. Diese Änderung tritt über einer sehr kleinen Aufwärtsverschiebung des Haupt­ ventils 12 auf. Somit muß eine wesentliche Kraft gelie­ fert werden, um das Hauptventil 12 in dieser Nähe zu steuern. Wenn das Hauptventil 12 über die Spaltöffnungs­ stellung hinaus bewegt wird, ist die wesentliche Ventil­ betätigungskraft, die für eine Stabilität in der Nähe der Spaltöffnungsstellung erforderlich ist, nicht mehr notwendig. Stattdessen würde eine relativ kleine Kraft ausreichend sein. Die bekannte Einrichtung gemäß Fig. 1 erfordert jedoch die gleiche resultierende Kraft über dem gesamten Hub des Hauptventils 12.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß die Ausbildung einer ausreichenden resultierenden Abwärts­ kraft für eine Ventilstabilität in der Nähe der Spalt­ öffnungsstellung in Stellungen jenseits der Spaltöff­ nung eine viel größere Ventilbetätigungskraft liefert, als dies notwendig ist.

Gemäß Fig. 2 enthält ein Dampfventil 56 einen Gleichgewichts­ kolben 58 mit einem Dichtflansch 60, der auf eine zylin­ drische Innenfläche 62 einer Ausgleichskammer (-zylinder) 64 gerichtet ist. Eine Hülse 66, die zwischen dem Gleich­ gewichtskolben 58 und dem Hauptventil 12 einstückig ausge­ bildet ist, hat eine einen größeren Durchmesser aufweisende Außenfläche 68, die sich von dem Dichtflansch 60 ein kurzes Stück nach unten erstreckt, und eine einen kleineren Durch­ messer aufweisende Außenfläche 70 für den Rest ihrer Länge. Ein nach innen gerichteter Flansch 72 an dem unteren Ende der Ausgleichskammer 64 bildet eine Teildichtung zwischen dem nach innen gerichteten Flansch 72, wenn das Hauptventil 12 an oder nahe der Spaltöffnungsstellung geschlossen ist. Mehrere Nuten 74 sind in dem unteren Abschnitt der zylindrischen Innenfläche 62 ausgebildet, die auf die zylindrische Innenfläche 62 gerichtet sind, wenn das Haupt­ ventil 12 an oder nahe der Spaltöffnungsstellung geschlossen ist.

Im Betrieb wird zunächst das Pilotventil 16 geöffnet, wodurch eine Dampfströmung durch den Pilotventilsitz 18 hindurchtreten kann. Eine gewisse Dampfmenge leckt über die Teildichtung zwischen dem nach innen gerichteten Flansch 72 und der einen größeren Durchmesser aufweisenden Außen­ fläche 68 in die Ausgleichskammer 37 und von dort durch Löcher 49, um über den Pilotventilsitz 18 zu strömen. Dies verkleinert den Druck in der Ausgleichskammer 37 relativ zu dem Hauptdampfdruck in dem Ventilgehäuse 24. Diese Druckdifferenz wirkt über der Fläche, die durch die einen größeren Durchmesser aufweisende Außenfläche aufweisende Außenfläche 68 gebildet ist, um eine auf­ wärts gerichtete Kraftkomponente zu erzeugen, um teil­ weise der Abwärtskraft entgegenzuwirken, die durch den Dampfdruck auf das Hauptventil 12 ausgeübt wird. Wie bei der bekannten Vorrichtung liefert die Gesamtkraft auf das Hauptventil 12 einen wesentlichen nach unten gerich­ teten Rest, um eine stabile Steuerung des Hauptventils 12 beizubehalten. Die Nuten 74 verhindern eine Störung mit der Dampfströmung, nach dem sie an dem nach innen gerichteten Flansch 72 vorbeigeströmt ist.

Nachdem sich das Hauptventil 12 und der Gleichgewichts­ kolben 58 über die Spaltöffnungsstellung hinaus nach oben bewegen, bewegt sich die einen kleineren Durchmesser auf­ weisende Außenfläche 70 nach oben, um auf den nach innen gerichteten Flansch 72 gerichtet zu sein. Zur gleichen Zeit bewegt sich der Dichtflansch 60 an den oberen Rändern der Nuten 74 vorbei. Dies erlaubt eine im wesentlichen ungehinderte Dampfströmung an dem nach innen gerichteten Flansch 72 vorbei und bildet eine Teildichtung zwischen dem Dichtflansch und der zylindrischen Innenfläche 62. In dieser Situation wirkt die Druckdifferenz, die das Aufwärtsgleichgewicht unterstützt, über der relativ größeren Fläche, die durch den Dichtflansch 60 gebildet ist. Somit wird jenseits der Spaltöffnungsstellung durch das Dampf­ ventil 56 eine größere Gleichgewichtskraft erzeugt, wie dies erwünscht ist.

Claims (3)

1. Dampfventil mit einem Hauptventil (12), einem Haupt­ ventilsitz (14), einem Ausgleichszylinder (64), einem Gleichgewichtskolben (58) in dem Ausgleichszylinder (64), Mittel (66) zum Übertragen einer Ausgleichskraft von dem Gleichgewichtskolben (58) auf das Hauptventil (12) und Mitteln zum Einwirken von Dampf auf den Gleichgewichts­ kolben (58) in einer Richtung, die das Dampfventil (56) zu öffnen versucht, dadurch gekennzeichnet, daß
der Ausgleichszylinder (64) erste und zweite effektive Durchmesser (bei 72, 62) aufweist,
der Gleichgewichtskolben (58) einen dritten effektiven Durchmesser (bei 68) aufweist, der gegenüber dem ersten effektiven Durchmesser wenigstens teilweise abgedichtet ist,
der Gleichgewichtskolben (58) einen vierten effektiven Durchmesser (bei 60) aufweist, der gegenüber dem zweiten effektiven Durchmesser wenigstens teilweise abgedichtet ist,
Steuermittel (74), durch die die ersten und dritten effek­ tiven Durchmesser die Ausgleichskraft steuern, wenn das Hauptventil (12) innerhalb eines vorbestimmten Abstands von dem Hauptventilsitz (14) ist,
Steuermittel (70), durch die zweiten und vierten Durch­ messer die Ausgleichskraft steuern, wenn das Hauptventil (12) weiter als der vorbestimmte Abstand von dem Haupt­ ventilsitz (14) entfernt ist, und
der erste effektive Durchmesser (bei 72) kleiner als der zweite effektive Durchmesser (bei 62) ist derart, daß
eine Ventilbetätigungskraft wesentlich verkleinert ist, wenn das Hauptventil (12) weiter als der vorbestimmte Abstand von dem Hauptventilsitz (14) entfernt ist.

2. Dampfventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichskraft, die durch den ersten effektiven Durch­ messer erzeugt ist, klein genug ist, damit eine positive Schließkraft auf das Hauptventil (12) in allen seinen Stellungen beibehalten bleibt, wenn das Hauptventil (12) sich innerhalb des vorbestimmten Abstandes von dem Haupt­ ventilsitz (14) befindet.

3. Dampfventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, die Dampf auf den Gleichgewichtskolben (58) einwirken lassen, aufweisen:
ein Pilotventil (16) in dem Hauptventil (12),
eine Hülse (66), die den Ausgleichszylinder (64) mit dem Hauptventil (12) verbindet und darin eine Kammer (40) bildet, die das Pilotventil (16) umschließt, und
Mittel (49) zur Herstellung einer Dampfverbindung von dem Ausgleichszylinder (64) zu der Kammer (40), wobei der Gleichgewichtskolben (58) den Druck von daran entlang in den Ausgleichszylinder strömenden Dampf derart senkt, daß ein verminderter Dampfdruck in dem Ausgleichs­ zylinder (64) besteht, wobei eine Druckdifferenz zwischen Dampf außerhalb und innerhalb des Ausgleichszylinders (64) auf einer Fläche wirksam ist, die durch einen der zweiten und vierten Durchmesser gebildet ist, um eine Kraft teilweise ins Gleichgewicht zu bringen, die zum Öffnen des Hauptventils (12) erforderlich ist.