DE4012900A1 - Eigenmediumbetaetigtes ventil - Google Patents

Eigenmediumbetaetigtes ventil

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    • F16K31/363Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid in which fluid from the circuit is constantly supplied to the fluid motor the fluid acting on a piston

Description

Die Erfindung betrifft ein eigenmediumbetätigtes Ventil mit einem einen Ventilraum umgebenden Gehäuse, das einen Eintritt und einen Austritt für das Medium sowie einen vom Ventilraum abgeschirmten Zylinder aufweist, in dem ein Kolben verschiebbar angeordnet ist, der den Zylinder in zwei Zylinderräume unterteilt und über eine Kolben­ stange mit einem Verschlußteil verbunden ist, wobei der während der Schließbewegung des Verschlußteils sich vergrößernde Zylinderraum wahlweise mit dem Eintritt oder mit einer Drucksenke verbindbar und der während der Schließbewegung sich verkleinernde Zylinderraum mit einer Drucksenke verbunden ist.
Bei Ventilen dieser Art, die z.B. als Frischdampf- Isolierventile in Kernkraftwerken verwendet werden, ist die Schließgeschwindigkeit oder die Schließcharakte­ ristik unter anderem vom Massenstrom durch das Ventil abhängig. Ohne Durchfluß schließt das Ventil durch Beaufschlagen des entsprechenden Zylinderraumes mit dem unter Druck stehenden Eigenmedium. Dabei schließt das Ventil mit annähernd linearer Hubcharakteristik, d.h. der Weg des Verschlußteils über der Zeit. Beim Schließen des Ventils mit Durchfluß baut sich nach einem bestimm­ ten Teilhub des Verschlußteils an diesem eine Druckdif­ ferenz auf, die eine zusätzliche Schließkraft zur Folge hat. Die zusätzliche Schließkraft beschleunigt die Schließbewegung, und zwar um so mehr, je näher der Ver­ schlußteil der Schließstellung ist, weil die Druckdif­ ferenz am Verschlußteil stetig größer wird. Dies führt zu hohen Aufprallkräften, mit denen der Verschlußteil auf die Ventilsitzfläche auftrifft. Diese Aufprallkräfte können zu unzulässig großen Belastungen im Ventil sowie in den an diesen angeschlossenen Rohrleitungen und in den Vorrichtungen zum Aufhängen und Abstützen der Rohrleitung führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die durch die Strömungskräfte bedingte Beschleunigung der Schließ­ bewegung wesentlich verringert oder ganz vermieden wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verschlußteil federnd nachgiebig, eine Relativbewe­ gung zur Kolbenstange zulassend, mit dieser verbunden ist, daß in der Kolbenstange ein Verbindungskanal vorgesehen ist, der sich vom verschlußteilseitigen Ende der Kolbenstange zum sich während der Schließbewegung verkleinernden Zylinderraum erstreckt, und daß zwischen dem Verschlußteil und dem Verbindungskanal eine Drossel­ stelle besteht, deren Drosselquerschnitt sich abhängig von der Relativbewegung zwischen Verschlußteil und Kolbenstange ändert.
Durch die nachgiebige Verbindung des Verschlußteils mit der Kolbenstange wird ein Abheben des Verschlußteils von der Kolbenstange möglich, wodurch über die Drosselstelle am Verbindungskanal Druckmedium in den sich verkleinern­ den Zylinderraum gelangen kann, das dort eine Bremskraft aufbaut, die der zusätzlichen Beschleunigungskraft entgegenwirkt. Die Bremskraft, die im Idealfall gleich der zusätzlichen Beschleunigungskraft ist, bewirkt also, daß der Verschlußteil mit einer solchen Geschwindigkeit auf diese Ventilsitzfläche aufsetzt, daß keine zusätzlichen Belastungen im Ventil oder in den daran angeschlossenen Leitungen mehr auftreten, und zwar unabhängig davon, wie groß der Massenstrom im Ventil ist.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläu­ tert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein eigenmedium­ betätigtes Absperrventil nach der Erfin­ dung in Offenstellung,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Ventil nach Fig. 1 in teilweise geöffneter Stellung,
Fig. 2a das Detail A in Fig. 2 in größerem Maßstab,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch das Ventil nach Fig. 1 in geschlossener Stellung und
Fig. 4 einen Längsschnitt durch den oberen Teil eines Ventils, der gegenüber Fig. 1 abgewandelt ist.
Gemäß Fig. 1 weist das Ventil ein Gehäuse 1 auf, das einen Ventilraum 2 begrenzt und an dem ein Eintrittsstut­ zen 3 und ein Austrittsstutzen 4 angeschlossen sind. Am Übergang vom Ventilraum 2 zum Austrittsstutzen 4 ist im Gehäuse 1 eine Ventilsitzfläche 5 vorgesehen, die mit einem Verschlußteil 6 zusammenwirkt, wenn dieser sich in Schließstellung befindet und dessen kegelige Dichtfläche 6′ auf der Ventilsitzfläche 5 aufliegt.
In Fig. 1 oberhalb des Ventilraums 2 ist das Gehäuse 1 mit einem Zylinder 7 versehen, in dem ein Kolben 8 auf- und abbewegbar ist. Der vom Zylinder 7 umschlossene und gegen den Ventilraum 2 abgeschirmte Raum wird vom Kolben 8 in einen oberen Zylinderraum 9 und einen unteren Zylinderraum 10 unterteilt. Vom Kolben 8 aus erstreckt sich gegen den Ventilraum 2 eine hohle Kolbenstange 11, die an ihrem freien Ende durch eine Stirnwand 11′ ge­ schlossen ist und in einem halsartigen Abschnitt 12 des Gehäuses 1 dichtend geführt ist. Mit dem unteren freien Ende der Kolbenstange 11 ist der Verschlußteil 6 nach­ giebig verbunden.
Zu diesem Zweck ist der Verschlußteil 6 auf seiner der Ventilsitzfläche 5 abgewendeten Seite mit einer Stange 13 versehen, die sich durch die Stirnwand 11′ hindurch in die hohle Kolbenstange 11 erstreckt und an ihrem in Fig. 1 oberen Ende mit einer aufgeschraubten Sechskantmutter 14 versehen ist. Zwischen der Sechskantmutter 14 und der Stirnwand 11′ ist ein Tellerfederpaket 15 angeordnet, das mit einer kleinen Vorspannkraft über die Stange 13 den Verschlußteil 6 gegen die Kolbenstange 11 zieht. Die Sechskantmutter 14 ist an ihrem in Fig. 1 oberen Ende mit einer Stange 16 verbunden, die an ihrem oberen Ende die Stirnwand des Zylinders 7 durchdringt und in einer auf dieser Stirnwand aufgesetzten, nach oben geschlossenen Kappe 17 endet. In der Kappe 17 sind an sich bekannte Stellungsgeber 18 angeordnet, die im Zusammenwirken mit der Stange 16 die jeweilige Lage des Verschlußteils 6 feststellen und nach außen anzeigen können.
Vom Ventilraum 2 ausgehend ist in der Wand des Gehäuses 1 und des Zylinders 7 ein Kanal 20 vorgesehen, der in den oberen Zylinderraum 9 mündet. Im Kanal 20 sind ein Steuerventil 21 und eine Drosselblende 22 angeordnet. Zwischen dem Steuerventil 21 und der Blende 22 zweigt vom Kanal 20 ein Kanal 23 ab, der zu einer nicht gezeigten Drucksenke führt und ein Steuerventil 24 enthält. An der tiefsten Stelle des unteren Zylinderraumes 10 ist ein Kanal 25 angeschlossen, der ebenfalls zu einer nicht gezeigten Drucksenke führt und der eine Drosselblende 26 enthält. Diese Drucksenke kann die gleiche sein, an die der Kanal 23 angeschlossen ist.
An der in Fig. 1 unteren Stirnfläche des halsartigen Abschnittes 12 ist eine Sitzfläche 30 vorgesehen, die mit einer entsprechenden Gegenfläche am Verschlußteil 6 zusammenwirkt und in der voll geöffneten Stellung des Verschlußteils eine Rücksitzdichtung bildet. Innerhalb der Wand der hohlen Kolbenstange 11 ist ein Kanal 31 vorgesehen, der an seinem in Fig. 1 oberen Ende in den unteren Zylinderraum 10 mündet und an seinem anderen Ende an der Stirnfläche 11′′ der Kolbenstange 11 endet. Dieses Ende des Kanals 31 ist ein Stück weit zylindrisch erwei­ tert und in diese Erweiterung ragt ein sich von unten nach oben verjüngender Kegelstumpf 32, der am Verschluß­ teil 6 befestigt ist. In der Stirnfläche 11′′ ist au­ ßerdem eine radiale Nut 19 vorgesehen, die dem Druckaus­ gleich in den Räumen beiderseits der Stirnfläche 11′′ dient.
Das beschriebene Auf-/Zu-Ventil funktioniert wie folgt. In der in Fig. 1 gezeigten Offenstellung des Ventils sind die Steuerventile 21 und 24 geschlossen bzw. offen, so daß im oberen Zylinderraum 9 und im unteren Zylinderraum 10 der niedere Druck der Drucksenke herrscht. Der Ver­ schlußteil 6 wird durch den Druck des Druckmittels gegen die Sitzfläche 30 gedrückt, da die aus dem Druck resultierende, auf die Unterseite des Verschlußteils 6 wirkende Kraft den Verschlußteil nach oben drückt. Soll die Schließbewegung eingeleitet werden, so wird das Steuerventil 21 geöffnet und das Steuerventil 24 ge­ schlossen, so daß Druckmedium aus dem Ventilraum 2 über den Kanal 20 in den oberen Zylinderraum 9 gelangt. Die in diesem Zylinderraum einströmende Menge ist durch die Drosselblende 22 bestimmt. Es überwiegt nun die auf den Kolben 8 wirkende, abwärts gerichtete Druckkraft die entgegengesetzt wirkende Druckkraft auf der Unterseite des Verschlußteils 6. Der Verschlußteil 6 bewegt sich also in Schließrichtung. Während dieser Schließbewegung baut sich eine Druckdifferenz an dem Verschlußteil 6 auf, die eine zusätzliche Schließkraft zur Folge hat. Durch diese zusätzliche Schließkraft entfernt sich der Verschlußteil 6 etwas von der Stirnfläche der Kolben­ stange 11, und zwar um den Hub h (Fig. 2 und 2a). Die Größe dieses Hubes hängt von der Kennlinie des Teller­ federpaketes 15 ab. Durch die Relativbewegung zwischen dem Verschlußteil 6 und der Kolbenstange 11 wird der Kanal 31 geöffnet, wobei sich zwischen dem Kegelstumpf 32 und dem Kanalende ein in seiner Größe vom Hub h abhängi­ ger ringförmiger Drosselquerschnitt ergibt. Über diesen Drosselquerschnitt strömt Eigenmedium in den unteren Zylinderraum 10. Durch den Druck des Mediums in diesem Zylinderraum 10 wird eine Bremskraft aufgebaut, die gleich oder ungefähr gleich groß ist wie die am Ver­ schlußteil wirkende zusätzliche Schließkraft. Die Größe der Bremskraft wird durch entsprechendes Abstimmen des Drosselverhältnisses am Kegelstumpf 32 zur Drossel­ blende 26 in Abhängigkeit vom Hub h und der Federkenn­ linie bestimmt. Je größer die zusätzliche Schließkraft ist, um so größer wird der Hub h und damit auch der Drosselquerschnitt am Kegelstumpf 32. Eine zunehmende zusätzliche Schließkraft erzeugt also eine zunehmende Bremskraft, so daß sich die beiden Kräfte ausgleichen und die Schließgeschwindigkeit für alle Durchflußmengen im Ventil von 0% bis 100% konstant bleibt.
Durch das Eliminieren der zusätzlichen Schließkraft wird erreicht, daß der Verschlußteil 6 mit einer relativ kleinen Kraft auf die Ventilsitzfläche 5 aufsetzt, so daß keine unzulässig großen mechanischen und/oder hydraulischen Belastungen im Ventil und in den ange­ schlossenen Leitungen auftreten. Bei geschlossenem Ventil (Fig. 3) steigt der Mediumdruck im oberen Zylinderraum 9 auf den vollen Druck des Druckmediums an und die Kolben­ stange 11 wird wieder gegen die Rückseite des Verschluß­ teils 6 gedrückt. Damit ist der Hub h gleich Null und der Drosselquerschnitt am Kegelstumpf 32 ist wieder geschlos­ sen. Der Druck im unteren Zylinderraum 10 wird über die Drosselblende 26 auf den der Drucksenke abgebaut.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist die im zuvor beschriebenen Beispiel verwendete Drosselblende 22 mit festem Drosselquerschnitt durch einen hubabhängig variablen Drosselquerschnitt ersetzt, der zwischen der Stange 16 und einer diese umgebenden, zylindrischen Bohrung 35 in der Stirnwand des Zylinders 7 ausgebildet ist. Die Stange 16 hat in einem oberen Abschnitt des Bereiches W, der während der Schließbewegung die Bohrung 35 passiert, Zylinderform, wogegen der restliche Teil des Bereiches W eine von der Zylinderform abweichende Formge­ bung aufweist. Die in Fig. 4 gezeichnete Stellung der Stange 16 entspricht der voll geöffneten Stellung des Ventils, d.h. entsprechend Fig. 1. In dieser Stellung ist der Stangenquerschnitt auf der Höhe der Bohrung 35 klein, d.h. der Drosselquerschnitt ist relativ groß. Durch allmähliches Größerwerden des Stangenquerschnittes in Fig. 4 nach oben, wird der Drosselquerschnitt über einen zweiten Teil der Hubbewegung stetig kleiner. In einem dritten Teil der Hubbewegung ist der Drosselquerschnitt konstant. Durch diese variable Gestaltung des Drossel­ querschnittes wird erreicht, daß die Totzeit (Zeit für das Auffüllen des oberen Zylinderraumes 9) kurz ist und der erste Teil der Hubbewegung bei hoher Geschwindigkeit stattfindet, wogegen während des zweiten und des dritten Teils der Hubbewegung bis zum Einfahren in die Schließ­ stellung die Geschwindigkeit abnimmt. Diese Charakteri­ stik der Schließbewegung wird durch die Kompensation der zusätzlichen Schließkraft durch die Bremskraft im unteren Zylinderraum 10 ermöglicht.

Claims (4)

1. Eigenmediumbetätigtes Ventil mit einem einen Ventil­ raum umgebenden Gehäuse, das einen Eintritt und einen Austritt für das Medium sowie einen vom Ventilraum abgeschirmten Zylinder aufweist, in dem ein Kolben verschiebbar angeordnet ist, der den Zylinder in zwei Zylinderräume unterteilt und über eine Kolbenstange mit einem Verschlußteil verbunden ist, wobei der während der Schließbewegung des Verschlußteils sich vergrößernde Zylinderraum wahlweise mit dem Eintritt oder mit einer Drucksenke verbindbar und der während der Schließbewegung sich verkleinernde Zylinderraum mit einer Drucksenke verbunden ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Verschlußteil federnd nachgiebig, eine Relativbewegung zur Kolben­ stange zulassend, mit dieser verbunden ist, daß in der Kolbenstange ein Verbindungskanal vorgesehen ist, der sich vom verschlußteilseitigen Ende der Kolben­ stange zum sich während der Schließbewegung verklei­ nernden Zylinderraum erstreckt, und daß zwischen dem Verschlußteil und dem Verbindungskanal eine Drossel­ stelle besteht, deren Drosselquerschnitt sich abhän­ gig von der Relativbewegung zwischen Verschlußteil und Kolbenstange ändert.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle zwischen dem Verschlußteil und dem Verbindungskanal einen am Verschlußteil befestigten Kegelstumpf aufweist, der in einen zylindrischen Abschnitt des Verbindungskanals ragt, wobei zwischen dem Kegelstumpf und dem Bohrungsabschnitt ein ring­ förmiger Drosselquerschnitt freibleibt.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die nachgiebige Verbindung zwischen dem Verschlußteil und der Kolbenstange aus einem Teller­ federpaket besteht, das den Verschlußteil mit Vorspannung gegen die Kolbenstange zieht.
4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Verbindungskanal zwischen dem während der Schließ­ bewegung sich vergrößernden Zylinderraum und dem Druckmitteleintritt, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Mündung des Verbindungskanals in den Zylinderraum eine Drosselstelle vorgesehen ist, wobei die Größe des Drosselquerschnittes dieser Drossel­ stelle von der Bewegung des Kolbens relativ zum Zylinder abhängig ist.
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