DE4321800A1

DE4321800A1 - Verschleißarm arbeitendes Höchstdruck-Tellerventil

Info

Publication number: DE4321800A1
Application number: DE19934321800
Authority: DE
Inventors: Chidambaram Raghavan; Olivier L Tremoulet; Edmund Y Ting
Original assignee: Flow International Corp
Current assignee: Flow International Corp
Priority date: 1992-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2013-07-01
Also published as: ITRM930310A1; ITRM930310A0; DE4321800C2; IT1266511B1; FR2692626A1; FR2692626B1; US5226799A

Description

Allgemeiner Stand der Technik 1. Erfindungsgebiet

Die Erfindung bezieht sich auf Hochdruckpumpen und insbesondere auf eine in derartigen Pumpen verwendete Tellerventilanordnung.

2. Stand der Technik

Hochdruckpumpen werden zu verschiedenen Zwecken verwendet, z. B. dazu, sehr hohen Fluiddruck (z. B. Wasserdruck) zu liefern, damit dieses Wasser sei nerseits in Form eines zum Schneiden, Schleifen usw. verwendbaren Hochge schwindigkeitsstrahls ausgestoßen werden kann. Bei einer üblichen Bauwei se einer derartigen Pumpe wird ein hin- und herlaufender Kolben verwendet, der in einem Hochdruckzylinder arbeitet, um das Fluid in eine Düse zu len ken. Beim Druckhub kann der Plunger oder sonstige Kolben Drücke in der Größenordnung von 1760 bis 2812 kg/cm² (25 000 bis 40 000 psi) erzeugen, während der Druck in dem Zylinder beim Ansaughub auf praktisch Null ab sinkt.

Am Ende des Pumpzylinders ist ein Auslaß-Rückschlagventil angeordnet. Zu den bei derartigen Anwendungen typischerweise verwendeten Rückschlagventi len gehören Tellerventile, bei denen das Ventilelement eine quer verlau fende Kontaktfläche aufweist, die mit einer korrespondierenden Kontaktflä che eines Ventilsitzes zusammenarbeitet. Tellerventile haben sich allge mein als geeignet für diese Hochdruckanwendungen erwiesen, sie neigen aber zu übermäßigem Verschleiß, wodurch sich unerwünschte Stillstandszeiten er geben.

Bevor die Besonderheiten dieses Problems erörtert werden, soll jedoch zum besseren Verständnis eine Pumpenanordnung dargestellt werden, die mit ei nem üblichen Tellerventil dieser Art ausgestattet ist. Fig. 1 zeigt ein System, bei dem eine Pumpenanordnung 10 mit einer Abschlußkappe 16 auf das Ende eines Zylindergehäuses gesetzt ist. Das Zylindergehäuse besitzt eine Zylinderkammer, in der der Hochdruckkolben hin- und herläuft. Die Teller ventilanordnung 24 ist am Ende der Zylinderkammer angebracht, und die An ordnung umfaßt einen Ventilkörper 26 mit einem zentralen Ausstoßkanal 28 und außerdem einige mit radialem Abstand von diesem angeordnete Einlaß kanäle 30. Der Ausstoßkanal 28 zieht durch das Tellerventil 32 in eine Hochdruckventilkammer 34 und von dort zu einem schematisch mit 38 ange deuteten Druckspeicher. Typischerweise sind mehrere derartige Pumpbau gruppen vorgesehen, die nacheinander den Druckspeicher 38 beaufschlagen, um eine gleichbleibende Lieferung von Hochdruckfluid aufrechtzuerhalten; die Ventilkammer 34 wird auf diese Weise ständig mit Höchstdruckfluid ge füllt, und die typische Druckhöhe beträgt 1760 bis 2812 kg/cm² (25 000 bis 40 000 psi) oder mehr.

Das Tellerventil besteht aus einem zylindrischen Ventiltellerelement 60, das am Ende einer Führung 62 angeordnet ist, die in einem Führungsgehäuse 64 hin- und herläuft. Eine Druckfeder 66 übt von einer Abschlußwand 68 des Gehäuses aus Druck auf eine um das hintere Ende der Führung ziehende Schulter 70 aus. Das Gehäuse 64 besitzt Öffnungen 72, die Fluid um das Ventiltellerelement 60 herum fließen und in die Kammer 34 austreten las sen, und außerdem sind Entlüftungen 73 vorgesehen, um die Bewegung der Führung innerhalb des Gehäuses zu erleichtern.

Ein zylindrischer Ventilsitz 74 befindet sich in dem Unterteil des Gehäu ses 64. Er besitzt einen zentralen Fließkanal 75, der eine kontinuierliche Fortsetzung des Ausstoßkanals 28 darstellt. Beim Ausstoßhub des Pumpen zylinders hebt der in dem Kanal 28 herrschende Druck das Element 60 von dem Sitz 74 ab, so daß das Fluid in die Ventilkammer austritt. Beim An saughub fällt dann der Druck in dem Kanal 28 ab, und das Ventiltellerele ment 60 wird von der Druckfeder 66 und dem in der Kammer 34 herrschenden Druck abdichtend gegen den Sitz 74 gepreßt; diese Abdichtung verhindert es, daß das Hochdruckfluid in der Kammer durch den Kanal 28 zurück in den Zylinder tritt. Der extrem hohe Druckunterschied zwischen der Kammer 34 und dem Fließkanal 75 während des Ansaughubs hat eine sehr hohe Grenzflä chenbelastung zwischen dem Ventilkegel und dem Sitz zur Folge, und diese Kraft muß deutlich höher sein als die Fluiddrücke, um eine wirksame Dich tung von Metall zu Metall herbeizuführen.

Wie oben erwähnt, ist ein schneller Verschleiß beim Betrieb dieser Teller ventile beobachtet worden. Der Verschleiß zeigte sich an der Grenzfläche zwischen dem Ventiltellerelement und dem Sitz und führte zu einer erhebli chen Materialabtragung an beiden Elementen. Bei eingehenden Untersuchun gen hat sich gezeigt, daß diese Abtragung nicht so sehr von dem Durchtritt von Fluid zwischen diesen Bauteilen herrührt, sondern in erster Linie von der Relativbewegung zwischen dem Element und dem Sitz verursacht ist. Speziell übt das Fluid in der Kammer eine ständige Druckkraft auf die Au ßenseite des Ventilsitzes aus; die Druckkraft wird durch einen engen Ring raum 78 zwischen dem Sitz und dem Sockel 80, in den er aufgenommen ist, übertragen, während der Druck in dem zentralen Fließkanal mit den Hüben des Pumpkolbens schwankt. Infolgedessen wird die Ringwand des Sitzes wäh rend des Ansaughubs durch die Druckdifferenz nach innen bewegt und dehnt sich dann während des Ausstoßhubs wieder nach außen aus. Das Ventilteller element erfährt jedoch nicht die gleiche periodische Verformung: wie Fig. 1 erkennen läßt, ist das übliche Element 60 ein massives Metallbauteil, und dem Druck in der Kammer 34 wirkt daher die unveränderliche Druckkraft des massiven Körpers entgegen. Infolgedessen tritt eine erhebliche Relativbe wegung zwischen den einander berührenden Flächen des Sitzes und des Ele ments auf, während diese aneinanderliegen. Das führt in Verbindung mit der hohen Grenzflächenbelastung zu plastischer Verformung und Reibverschleiß, wodurch das Ventil undicht wird. Wenn die ersten Undichtigkeiten aufgetre ten sind, nimmt der Verschleiß schnell zu, und die Funktion verschlechtert sich schnell.

Somit ergibt sich die Aufgabe, eine Tellerventilanordnung zur Anwendung bei Höchstdruckkolbenpumpen zu entwickeln, welche die Relativbewegung der aneinanderstoßenden Berührungsflächen zwischen Ventiltellerelement und Ventilsitz verringert oder ausschließt und den Verschleiß während des Betriebs verhindert. Außerdem muß eine derartige Anordnung preisgünstig herstellbar sein und mit anderen Komponenten solcher Kolbenpumpen üblicher Bauart zusammenarbeiten können.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung hat die obenerwähnten Probleme gelöst und stellt eine ver schleißarme Ventiltelleranordnung für ein Rückschlagventil dar, das den Fluidrückfluß aus einer Hochdruckzone in eine Niederdruckzone in einer Kolbenpumpe verhindert. Insgesamt umfaßt die Anordnung einen Ventilsitz mit einer oberen Berührungsfläche und mindestens einem Fließkanal für das Fluid, welcher Fließkanal durch einen Wandteil des Sitzes begrenzt wird. Der Fließkanal steht in Verbindung mit der Niederdruckzone, und eine Außenseite des Wandteils steht in Verbindung mit der Hochdruckzone, so daß der Wandteil beim Auftreten eines Druckunterschieds zwischen diesen Zonen um einen vorbestimmten Betrag einwärts verlagert wird.

Das Ventiltellerelement hat eine untere Berührungsfläche, die so ausge führt ist, daß sie dichtend an der Berührungsfläche des Sitzes anliegt, so daß der Fluidrückstrom unterbunden wird. Das Ventiltellerelement weist eine Vertiefung auf, die sich von der Berührungsfläche aus nach innen er streckt und von einem Wandteil des Elements begrenzt ist. Die Vertiefung bildet eine Fortsetzung des Fließkanals in dem Sitz, wenn das Element und der Sitz einander berühren, so daß die Vertiefung in Verbindung mit der Niederdruckzone steht, und eine Außenseite des Wandteils des Elements steht in Verbindung mit der Hochdruckzone, so daß der Wandteil des Ele ments an der Berührungsstelle beim Auftreten des Druckunterschieds um ei nen vorbestimmten Betrag einwärts verlagert wird. Die Vertiefung ist so geformt, daß der Betrag, um den der Wandteil des Ventiltellerelements ein wärts verlagert ist, ungefähr gleich demjenigen ist, um den der Wandteil des Sitzes an der Berührungsstelle beider einwärts verlagert ist, um die Relativbewegung zwischen den einander berührenden, in Dichtungsstellung befindlichen Flächen so klein wie möglich zu halten.

Der Ventilsitz kann einen einzigen Fließkanal oder eine Mehrzahl Fließ kanäle aufweisen. Wenn nur ein einziger Fließkanal vorgesehen ist, kann das Ventiltellerelement praktisch zylindrisch geformt sein, wobei eine runde Ausmündung sich zentrisch in seiner unteren Berührungsfläche befin det, so daß die Berührungsfläche ringförmig um die Ausmündung herum ver läuft. Der Sitz seinerseits kann ebenfalls zylindrisch sein, wobei der Fließkanal eine zylindrische Bohrung mit runder Öffnung ist, so daß die obere Berührungsfläche ringförmig um die Ausmündung herum verläuft.

Das obere Ende der Vertiefung in dem Ventiltellerelement kann durch eine gewölbte Innenfläche des Elements verschlossen sein, um eine Konzentration der Belastung der Innenfläche zu vermeiden, wenn der Wandteil des Elements einwärts verlagert wird. Diese gewölbte Innenfläche kann im wesentlichen Halbkugelform haben, und es kann auch ein zylindrischer unterer Abschnitt vorgesehen sein, der von der gewölbten Innenfläche aus abwärts zu der un teren Berührungsfläche des Elements verlaufen kann.

Wenn in dem Ventilsitz eine Mehrzahl Fließkanäle ausgebildet sind, kann es sich um ein Element in Gestalt einer abgeflachten Ringfläche oder eines abgeflachten Torus handeln, der eine Mittelöffnung für die Aufnahme eines Schafts einer Begrenzungsschraube besitzt, wobei die Fließkanäle in radia ler Anordnung um die Öffnung angebracht sind. Das Ventiltellerelement seinerseits kann ein entsprechendes torusförmiges Element sein, das eine Mittelöffnung für den Schaft der Begrenzungsschraube aufweist, wobei die Vertiefung in der Berührungsfläche des Ventiltellerelements sich ringför mig um die Mittelöffnung erstreckt und mit der radialen Anordnung von Fließkanälen in dem Sitz fluchtet. Die Vertiefung in dem Ventiltellerele ment kann eine in die Berührungsfläche des Elements geformte Ringnut sein, die einen U-Querschnitt besitzt. Die ringförmige Vertiefung in dem Ventil tellerelement kann etwa auf halbem Wege zwischen dessen Mittelöffnung und dessen Außenfläche verlaufen, so daß neben der ringförmigen Vertiefung mit Abstand voneinander ringförmige innere und äußere Wandteile des Elements von ungefähr gleicher Dicke gebildet werden.

Ferner wird ein Verfahren zur möglichst weitgehenden Herabsetzung des Ver schleißes einer Ventiltelleranordnung eines Rückschlagventils, das einen Rückfluß des Fluids von einer Hochdruckzone in eine Niederdruckzone in ei ner Kolbenpumpe verhindert, angegeben, bei dem die Relativbewegung zwi schen den Berührungsflächen von Ventilsitz und Ventiltellerelement bei deren dichtendem Aufeinanderliegen minimiert ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Schnittbild einer Tellerventilanordnung mit einem übli chen massiven Ventiltellerelement;

Fig. 2 ist ein Schnittbild einer Tellerventilanordnung, insgesamt ver gleichbar mit der Bauweise nach Fig. 1, ein erfindungsgemäßes Ventilteller element darstellend, das mit einer zentralen Vertiefung versehen ist, die es ermöglicht, daß die Berührungsfläche des Elements sich in Übereinstim mung mit der Berührungsfläche des Ventilsitzes einwärts und auswärts ver formt, so daß eine Relativbewegung zwischen den Flächen vermieden wird;

Fig. 3 ist ein Querschnitt durch das Ventiltellerelement nach Fig. 1 und seinen zugeordneten Ventilsitz in größerem Maßstab;

Fig. 4 ist ein Querschnitt durch das erfindungsgemäße Ventiltellerele ment, welches sich dichtend gegen seinen zugeordneten Ventilsitz legt, in größerem Maßstab;

Fig. 5 ist ein mit Fig. 4 vergleichbarer Querschnitt, der in größerem Maßstab das Ventiltellerelement in seinem von dem Sitz abgehobenen Zustand zeigt, so daß Fluid austreten kann;

Fig. 6A ist ein Bewegungsliniendiagramm, das die Verlagerung darstellt, die das übliche, massive Ventiltellerelement und dessen Sitz während des Betriebs dieser Anordnung erfährt, wobei die Zeichnung der rechten Hälfte von Element und Sitz nach Fig. 3 entspricht;

Fig. 6B ist ein Ausschnitt aus dem Diagramm nach Fig. 6A und zeigt den Grenzflächenbereich zwischen dem Ventiltellerelement und dem Sitz in grö ßerem Maßstab;

Fig. 7A ist ein mit Fig. 6A vergleichbares Bewegungsliniendiagramm, das die Verlagerung darstellt, die das erfindungsgemäße ausgekehlte Ventiltel lerelement und dessen Sitz während des Betriebs dieser Anordnung erfährt, welche Zeichnung der rechten Hälfte von Element und Sitz nach Fig. 4 ent spricht;

Fig. 7B ist ein Ausschnitt aus dem Diagramm nach Fig. 7A und zeigt den Grenzflächenbereich zwischen dem Ventiltellerelement und dem Sitz in grö ßerem Maßstab;

Fig. 8 ist ein Querschnittsbild, das einige Ähnlichkeit mit der Dar stellung in Fig. 2 hat und ein Eintrittstellerventil gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 9 ist ein Querschnitt der Eintrittsventilanordnung nach Fig. 8 in größerem Maßstab und zeigt das torusartig geformte Ventiltellerelement und den Sitz abdichtend aufeinanderliegend;

Fig. 10A ist eine perspektivische Ansicht des Sitzes und des Elements von Fig. 9 und veranschaulicht die radiale Anordnung der Fließkanäle in dem Sitz;

Fig. 10B ist ein Querschnitt des Sitzelements nach Fig. 10A längs der Li nie 10B-10B;

Fig. 11A ist eine perspektivische Ansicht des Ventiltellerelements von Fig. 9 und zeigt die darin ausgebildete ringförmige Vertiefung;

Fig. 11B ist ein Querschnitt durch das Ventiltellerelement nach Fig. 11A längs der Linie 11B-11B.

Ausführliche Beschreibung

Fig. 2 zeigt die in einer Hochdruckpumpe angeordnete erfindungsgemäße Tel lerventilanordnung 100 anstelle der oben beschriebenen üblichen Tellerven tilanordnung. Soweit der Gesamtaufbau der Pumpenanordnung 10 vergleichbar mit dem im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen ist, haben übereinstimmen de Bauelemente die gleichen Bezugszahlen erhalten.

Dementsprechend fließt Hochdruckfluid aus dem Pumpzylinder über die Tel lerventilanordnung 100 in die Kammer 34.

Der Gesamtaufbau der Ventilanordnung 100 entspricht ungefähr dem obenbe schriebenen Aufbau insofern, als er ein Ventiltellerelement 102 aufweist, das in ein Führungsteil 104 eingesetzt ist, das innerhalb eines umgebenden Führungsgehäuses 106 hin- und herbewegbar ist. Das Element wird wiederum gegen den Sitz 108 durch eine Druckfeder 110 gedrückt, die auf einer Schulter 114 an dem Führungsteil aufliegt. Das Ventiltellerelement 102 hebt sich, wie zuvor, während des Ausstoßhubes von dem Sitz 108 ab, und das Fluid entweicht durch die radialen Kanäle 122 in die Kammer 34. Das Ventiltellerelement schließt dann den Fließkanal 116 in dem Sitz während des Ansaughubes.

Wie oben erläutert, wird die Ringwand des Sitzes 108 durch die während des Ansaughubes erzeugte Druckdifferenz einwärts verbogen, und das hat früher zu einer Relativbewegung zwischen Sitz und Ventiltellerelement geführt; das erfindungsgemäße Ventiltellerelement ist jedoch mit einer zentralen Vertiefung 132 versehen, die dem Ende des Ventiltellerelements eine Ein wärtsverbiegung zugleich mit dem Sitz ermöglicht, wodurch die Relativbewe gung zwischen diesen Bauteilen ausgeschlossen wird.

Das zeigt sich vielleicht am deutlichsten durch Vergleich zwischen Fig. 3, die das übliche massive Ventiltellerelement zeigt, und Fig. 4, die das er findungsgemäße Ventiltellerelement zeigt. Wie in Fig. 3 zu erkennen, wird durch den Druck in der Ventilkammer eine einwärts gerichtete Kraft sowohl gegen das Ventiltellerelement 60 als auch gegen den Sitz 74. ausgeübt, wie durch die Pfeile 134, 136 angedeutet (wobei der Einfachheit halber nur die radial gerichteten Kräfte dargestellt sind). Dadurch entsteht, wenn der Druck in der Bohrung 75 während des Ansaughubes herabgesetzt wird, die Einwärtsverbiegung des Sitzes, die durch die gestrichelten Pfeile 139 an gedeutet ist; diese Verbiegung geht aber nicht mit einer entsprechenden Verbiegung des massiven Ventiltellerelements einher.

Fig. 4 zeigt das erfindungsgemäße Ventiltellerelement, dessen Sitz prak tisch identischen, einwärts gerichteten Kräften ausgesetzt ist, die durch die Pfeile 142 und 144 angedeutet sind. Der Sitz 108 verbiegt sich infol gedessen während des Ansaughubes in gleicher Weise wie zuvor, angedeutet durch gestrichelte Pfeile 145. Hier weist jedoch das Ventiltellerelement 60 eine Vertiefung 132 auf, und dadurch wird Material aus dem Mittelteil des Ventiltellerelements entfernt, so daß an seinem Umfang eine verhält nismäßig dünne ringförmige Wand 150 verbleibt. Die Vertiefung ermöglicht es außerdem, die Niederdruckzone in dem Fließkanal mit dem Inneren des Ventiltellerelements zu verbinden, so daß dieser Wandteil der gleichen Druckdifferenz ausgesetzt ist wie der Wandteil des Sitzes. Die Wand des Ventiltellerelements wird infolgedessen während des Ansaughubes des Zylin ders nach innen bewegt in Übereinstimmung mit der Wand des Ventilsitzes, wie es die gestrichelten Pfeile 152 andeuten. Während des Ausstoßhubes wird dann der erhöhte Druck innerhalb des Fließkanals des Ventilsitzes in Verbindung gebracht mit der Vertiefung 132. Infolgedessen dehnen sich der ringförmige Wandteil 150 des Ventiltellerelements und der entsprechende ringförmige Wandteil 151 des Ventilsitzes, da die Druckdifferenz aufgeho ben ist, zusammen nach außen aus, wie durch die gestrichelten Pfeile 160, 162 angedeutet ist.

Das Eintreten dieser zusammenwirkenden Verbiegung von Sitz und Element hängt in erster Linie von der Formgebung der Vertiefung 132 ab. Wie Fig. 4 zeigt, fluchtet die Vertiefung vorzugsweise in Achsenrichtung mit dem Fließkanal in dem Sitz, und ihr Durchmesser entspricht insgesamt dem des Fließkanals. Das untere Ende des Wandteils 150 erstreckt sich um die kreisförmige Öffnung der Vertiefung, so daß diese eine ringförmige Berüh rungsfläche 148 bildet, die der Oberfläche 146 des Sitzes entspricht. An ihrem oberen Ende ist die Vertiefung durch einen gewölbten oberen Teil 154 verschlossen, so daß die Umrandungswand 150 in Durchmesserrichtung durch eine zusammenhängende, gekrümmte Fläche geschlossen ist. Dadurch wird leichter die Konzentration von Belastungen vermieden, wenn die Wand sich nach innen und außen durchbiegt, und es wird auch ein glatter Über gang von dem verbiegbaren unteren Teil des Elements zu dem massiven, ver hältnismäßig unverbiegbaren oberen Teil geschaffen. Bei einigen Ausfüh rungsformen kann die Vertiefung auch einen zylindrischen unteren Abschnitt besitzen, der sich von dem gewölbten oberen Ende abwärts zu der unteren Berührungsfläche erstreckt, und das ist in Fig. 2 zu erkennen; diese Anord nung führt zur Ausbildung einer Ringwand mit gleichmäßiger Dicke über min destens einen Teil der Wandhöhe und macht es außerdem möglich, der Vertie fung eine größere Höhe zu verleihen, als es möglich wäre, wenn man ledig lich eine halbkugelförmige Aussparung vorsähe.

Aus dem vorstehend Gesagten ergibt sich, daß das Hauptmerkmal der Erfin dung darin zu sehen ist, daß das Ventiltellerelement eine zentral angeord nete Vertiefung besitzt, so daß seine Berührungsfläche sich in Überein stimmung mit den entsprechenden Bewegungen des Ventilsitzes einwärts und auswärts verbiegt. Der Erfolg dieser Maßnahme wird eindeutig bestätigt durch einen Vergleich der Fig. 6A-6B, die die Bewegungslinien des üb lichen, massiven Ventiltellerelements und Ventilsitzes zeigen, mit den Fig. 7A-7B, die die entsprechenden Linien für das Ventiltellerelement und den Ventilsitz nach der Erfindung wiedergeben. Jedes Bild zeigt die rechte Hälfte der jeweiligen Anordnung, und die Bewegung erfolgt somit insgesamt nach links. Diese Verbiegungslinien wurden nach dem Finite- Elemente-Verfahren berechnet und wurden erzeugt unter der Annahme einer Druckdifferenz von etwa 2812 kg/cm² (40 000 psi) an diesen Teilen. Die an den Linien vermerkten Zahlenwerte geben die Strecken an, um die diese Teile der Bauelemente infolge der Druckdifferenz verschoben werden; die Zahlen bedeuten Vielfache von 1.10^-5 inches (also: 28,42 bedeutet: 0,0002842 inches).

Die in Fig. 6A dargestellten Linien zeigen deutlich das hohe Ausmaß der Re lativbewegung, die zwischen dem massiven Ventiltellerelement und seinem Ventilsitz auftritt. Wenn an dem massiven Ventiltellerelement eine gewisse Verbiegung erkennbar wird, ist diese nur sehr gering und beträgt zwischen etwa 0,0025 mm (0,00011 inches) bis hinunter zu 0,0005 mm (0,00002 inches) und weniger. Demgegenüber wird der Ventilsitz um viel größere Strecken bewegt, die von mindestens etwa 0,005 mm (0,00022 inches) bis zu mehr als 0,0094 mm (0,00037 inches) reichen.

Dieser Unterschied ist besonders ausgeprägt an der Dichtungsfläche, wie in Fig. 6B dargestellt. An einem typischen Punkt 166, der ungefähr in der Mitte des zwischen dem Ventiltellerelement und dem Sitz gebildeten ring förmigen Dichtungsbereichs liegt, ist die Oberfläche des massiven Ventil tellerelements nur 0,0005 mm (0,00002 inches) weit nach innen verlagert, während der entsprechende Teil des Ventilsitzes um 0,0086 mm (0,00034 in.) verlagert ist. Daher findet während jedes Hubes des Pumpzylinders eine Relativbewegung von etwa 0,0082 mm (0,00032 inches) - in Einwärtsrichtung und anschließend in Auswärtsrichtung - statt, bei der der obenbeschriebene Abrieb hervorgerufen wird.

Demgegenüber zeigen die Fig. 7A-7B die ganz außerordentliche Verminde rung der Relativbewegung, die durch das ausgekehlte Ventiltellerelement nach der Erfindung zu erreichen ist. Die Verbiegung des Ringwandteils dieses Elements ist deutlich erkennbar in Fig. 7A, aus der man entnimmt, daß die Verschiebung in Richtung auf den Grund der Wand den Betrag von 0,0091 mm (0,00036 inches) überschreitet, was ein Mehrfaches dessen ist, was der entsprechende Abschnitt des massiven Ventiltellerelements erfuhr. Kritisch ist jedoch nicht so sehr die bloße Verbiegung des Ventilteller elements sondern vielmehr, daß diese Verbiegung der Verbiegung des Wand teils des Sitzes angepaßt sein sollte. Das wird durch richtige Dimensio nierung der Vertiefung 132, vor allem hinsichtlich Tiefe und Durchmesser erreicht, und die Ergebnisse sind in Fig. 7A deutlich zu erkennen: es gibt einen glatten und kontinuierlichen Übergang von der verhältnismäßig gerin gen Verschiebung an dem oberen Ende des Ventiltellerelements zu etwa 0,0086 mm (0,00034 inches) Einwärtsverlagerung an der Grenzfläche zu dem Ventilsitz. Die Linien für den Wandteil des Ventilsitzes 108 wiederum zei gen, daß die Berührungsfläche des Ventilsitzes wiederum um etwa 0,0086 mm (0,00034 inches) einwärts verlagert ist, und daß das nun sehr genau über einstimmt mit der Verschiebung der Berührungsfläche des Ventiltellerele ments. Fährt man an dem Sitz nach unten, fallen die Verschiebungslinien allmählich ab zu niedrigeren Werten; im wesentlichen spiegelt die Ver schiebung des Ventilsitzes 108 die des Ventiltellerelements 102 wider, wobei die beiden am stärksten einwärts verlagert werden an ihren zusammen stoßenden Flächen, und dann in geringerem Maße, wenn man sich von dieser Grenzfläche entfernt.

Die tatsächliche Beseitigung einer Relativbewegung an der Dichtungsfläche wird erkennbar bei genauer Betrachtung des vergrößerten Ausschnitts in Fig. 7B. Hier sieht man wieder das Fortschreiten der Werte zunehmender Ver schiebung in Richtung auf das untere Ende des Ventiltellerelements, und wie diese mit den Linien für den Ventilsitz, wo die beiden sich treffen, eng übereinstimmen. Tatsächlich fallen am Punkt 168, der dem Ort des Punk tes 166 in Fig. 6B entspricht, die jeweiligen Verlagerungszahlen sehr nahe zusammen mit 0,0089 mm (0,00035 inches) und 0,0086 mm (0,00034 inches). Die Relativbewegung an diesem Punkt hat sich nun auf etwa 0,00025 mm (0,00001 inch) vermindert, d. h. eine etwa dreißigfache Verringerung von den etwa 0,0082 mm (0,00032 inches) Bewegung, die bei der bekannten Kon struktion eintrat, und das führt zu einer ganz außerordentlichen Herabset zung des Abriebs.

Die oben angegebenen typischen Resultate wurden erzielt mit einem Ventil tellerelement und Ventilsitz mit folgenden Hauptabmessungen:

Die genannten Bauteile wurden aus Carpenter rostfreiem Stahl 410 herge stellt, wurden vergütet bei 982°C (1800°F) und vor dem Bearbeiten vier Stunden lang ölvergütet bei 288°C (550°F). Natürlich kann der Fachmann an diesen Ausführungsbeispielen zahlreiche Änderungen hinsichtlich Abmes sung und Material vornehmen. Zum Beispiel kann ein verhältnismäßig dicke res Ringwandteil, das einen gleichen Grad von Beweglichkeit aufweist, her gestellt werden, indem der Durchmesser der Vertiefung verkleinert wird, während ihre Höhe vergrößert wird, und umgekehrt.

In den Fig. 8 bis 11 wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die eine Ansaugventilanordnung zum Steuern des Stroms von Niederdruckfluid in den Pumpzylinder bildet. So zeigt Fig. 8 wiederum einen Ventilkörper 26, der am Ende der Zylinderkammer angeordnet ist und einige radial verteilte Ansaugkanäle 30 aufweist. Diese Ansaugkanäle stehen in Verbindung mit einem Verteiler 180, der ein Niederdruckfluid zuführt. Typischerweise ist dieses Niederdruckfluid Wasser, und der Zuführdruck kann normalerweise etwa 4,20 kg/cm² (60 psi) betragen. Das Niederdruck wasser wird in Richtung der Pfeile in Fig. 8 durch die Ansaugkanäle 30 in den Pumpzylinder gesaugt. Dieser Strom wird gesteuert durch ein Ansaug rückschlagventil, das als Tellerventilanordnung 184 ausgebildet ist. Die Ventilanordnung besteht aus einem torusartigen Ventiltellerelement 186 und einem entsprechend torusartig geformten Ventilsitz 188. Während des An saughubes der Pumpe wird das Ventiltellerelement 186 von dem Sitz 188 ab gehoben, so daß das Niederdruckfluid in den Pumpzylinder eintreten kann, und während des Ausstoßhubes bewegt sich das Ventiltellerelement dann zu rück und liegt dichtend an dem Sitz an, um einen Rückfluß von Druckfluid durch die Kanäle 30 zu verhindern.

Fig. 9 zeigt das Ventiltellerelement und den Sitz mit ihren Einzelheiten in größerem Maßstab, ferner die durch deren Mitte verlaufende Begrenzungs schraube 190. Diese Begrenzungsschraube (die vergleichbar ist mit denen, die bei üblichen Ansaugtellerventilen mit massiven Ventiltellerelementen verwendet wird), besitzt ein unteres Ende 192 mit Gewinde, das in das Ende des Ventilkörpers eingreift, und einen verhältnismäßig breiten Kopfteil 194. Dieser Kopfteil ragt von dem Schaft 196 der Schraube nach außen und stellt einen Anschlag zur Begrenzung der Bewegung des Ventiltellerelements dar, wenn dieses von dem Ventilsitz abgehoben wird. Der Schaft der Begren zungsschraube verläuft durch die Mittelöffnungen des torusartigen Elements und Sitzes, und es sind zylindrische Lagerbüchsen 198 und 200 über die Länge des Schafts verteilt, die an den inneren Zylinderflächen des Ele ments und des Sitzes entlang gleiten. Die Begrenzungsschraube ist mit einer (nicht gezeichneten) Mittelbohrung versehen, und diese geht stufen los über in den Austrittskanal 28, so daß aus dem Pumpzylinder 202 ausge stoßenes Hochdruckfluid durch diesen in den Kanal 28 fließt. Eine Druck feder 204 liegt an der Oberseite des Ventiltellerelements 186 an, so daß dieses gegen den Sitz 188 gedrückt wird.

Wie oben erwähnt, wurden zu diesem Zweck übliche Tellerventilanordnungen mit massiven Ventiltellerelementen verwendet. Aus den schon oben erwähnten Gründen ergab sich dabei aber ein außerordentlich hoher Verschleiß wegen der auftretenden äußerst hohen Druckdifferenzen (2812-4,20 kg/cm² [40 000-60 psi]). Diese Schwierigkeit wurde noch größer, als es sich als zweckmäßig erwies, eine Entlastungsnut in die Berührungsfläche des Ventilsitzes zu schneiden, um die Kontaktdrücke zu erhöhen, denn das ver stärkte die Tendenz des Sitzes, sich im Betrieb zu verformen. Dieses Pro blem wurde mit der Erfindung gelöst, indem eine ringförmige Vertiefung in der Berührungsfläche des Ventiltellerelements ausgebildet wurde, so daß die ringförmigen Wandbereiche, die neben dieser Nut gebildet werden, in Übereinstimmung mit den Wandbereichen des Sitzes so verschoben werden, daß die Relativbewegung zwischen den Berührungsflächen dieser Teile ausge schaltet wird.

Die Fig. 10 bis 11 geben diese Elemente mit weiteren Einzelheiten wie der. Zunächst zeigen die Fig. 10A und 10B den torusförmigen Ventilsitz 188. Dieser besitzt eine insgesamt zylindrische Außenseite 208 sowie eine Mittelbohrung 210, durch die die Begrenzungsschraube verläuft. Das obere Ende des Sitzes bildet eine insgesamt ebene Berührungsfläche 212. Durch diese verläuft eine Reihe Fließkanäle 214, die vertikal durch den Sitz hindurchführen, so daß sie mit den Ansaugkanälen in dem Ventilkörper in Verbindung stehen in der gezeichneten Ausführung sind sechs derartige Ka näle gezeichnet. Die Fließkanäle sind radial um die Mittelbohrung herum angeordnet, vorzugsweise etwa in der Mitte zwischen der Bohrung und der Außenwand des Sitzes. Die oberen Öffnungen der Fließkanäle sind durch die kreisförmige Entlastungsnut 216 miteinander verbunden, die in die Berüh rungsfläche geschnitten ist, um den Kontaktdruck mit dem Ventiltellerele ment zu erhöhen; die Nut hat einen flachen U-Querschnitt, und ihre Breite entspricht ungefähr dem Durchmesser der Fließkanäle. Man erkennt also, daß die Innen- und Außenwandteile 218, 220 im wesentlichen neben jedem Fließ kanal ausgebildet sind, und daß die oberen Enden dieser Wandteile gegen Druckkräfte zusätzlich durch die Entlastungsnut geschwächt sind. Diese Anordnung ist somit analog dem Fließkanal und der Ringwand des oben be schriebenen Einkanal-Ventilsitzes 108, und es ist daher begreiflich, daß die Wandteile 218, 220 bei in Betrieb befindlicher Pumpe in gleicher Weise den zyklischen Einwärts- und Auswärtsverformungen unterworfen sind.

Das Ventiltellerelement 186 seinerseits ist in Fig. 11A dargestellt. Wie der Ventilsitz ist auch dieses torusförmig und besitzt eine zylindrische Außenwand 222 und eine zylindrische Mittelbohrung 224 für die Begrenzungs schraube. Es gibt zwei genau übereinstimmende Berührungsflächen 226 bzw. 228 am oberen bzw. unteren Ende des Elements, so daß das Element auf die eine oder die andere Art bei Montage oder Reparatur eingebaut werden kann. Eine ringförmige Vertiefung 230, 232 befindet sich in jeder dieser Berüh rungsflächen: die Vertiefungen sind vorzugsweise ungefähr in der Mitte zwischen der Innenbohrung und der Außenwand des Ventilkegelelements ange ordnet, so daß sie der Entlastungsnut in dem Sitz entsprechen. Bei der gezeichneten Ausführungsform ist jede Vertiefung ausgebildet als flache, U-förmige Nut, und die Vertiefungen sind so ausgeführt, daß sie in verti kaler Richtung mit den Fließkanälen und der ringförmigen Vertiefung in dem darunter liegenden Sitzelement fluchten. Die ringförmigen Vertiefungen sind analog der einzelnen zentralen Vertiefung 132 in dem obenbeschriebe nen Ventiltellerelement, und daher sind innere und äußere Ringwandteile 234, 236 und 238, 240 neben jeder der Vertiefungen ausgebildet; die ring förmigen Vertiefungen sind somit so geformt, daß diese Wandteile sich wäh rend des Betriebs der Pumpe in Übereinstimmung mit den Wandteilen des dar unter liegenden Sitzes nach innen und nach außen verbiegen, wodurch die Relativbewegung zwischen den Berührungsflächen dieser Komponenten auf ein Minimum herabgesetzt oder ausgeschaltet ist.

Ein Ausführungsbeispiel des Ansaugtellerventils mit einem Ventiltellerele ment und Sitz in der in den Fig. 8 bis 12 dargestellten Bauweise, so ausgeführt, daß es mit einem Ansaugdruck von etwa 4,20 kg/cm² (60 psi) und einem Ausstoßdruck von mehr als 2812 kg/cm² (40 000 psi) arbeitet, hat folgende Hauptabmessungen:

Ansaugsitz

Ventilteller-Element

Werkstoffe und Wärmebehandlung dieser Bauteile waren im wesentlichen die gleichen wie bei den Bauteilen des hierüber beschriebenen Tellerventils.

Die Erfindung kann andere spezifische Formen erhalten, ohne daß dadurch die durch die Erfindung gegebene Lehre aufgehoben oder kennzeichnende Merkmale der Erfindung verändert würden. Die dargestellten Ausführungs formen sollen daher in jeder Hinsicht als beschreibend und nicht als ein schränkend verstanden werden, wobei der Erfindungsgedanke nicht durch die vorstehende Beschreibung sondern durch die zugehörigen Patentansprüche definiert wird; alle Änderungen, die als äquivalente Lösung zu gelten haben, sind von den Ansprüchen mitumfaßt.

Claims

1. Verschleißarm arbeitende Ventiltelleranordnung für ein Rückschlagven til, das den Rückfluß von Fluid aus einer Zone hohen Drucks in eine Zo ne niedrigen Drucks in einer Kolbenpumpe verhindert, welche Ventiltel leranordnung umfaßt:
einen Ventilsitz mit einer oberen Berührungsfläche und mindestens einem Fließkanal für das genannte Fluid, welcher genannte Fließkanal begrenzt ist durch einen Wandteil des genannten Sitzes, welcher Fließkanal in Verbindung steht mit der genannten Zone niedrigen Drucks, und wobei eine Außenseite des genannten Wandteils in Verbin dung steht mit der genannten Zone hohen Drucks, so daß der genannte Wandteil um einen bestimmten Betrag nach innen verlagert wird auf grund eines Druckunterschieds, der von der genannten Kolbenpumpe zwischen den genannten Zonen erzeugt wird, und
ein Ventiltellerelement mit einer unteren Berührungsfläche sol cher Form, daß sie dichtend an der genannten Berührungsfläche des genannten Sitzes anliegt, um den genannten Rückfluß des genannten Fluids zu verhindern, welches Ventiltellerelement eine Vertiefung aufweist, die sich von der genannten unteren Berührungsfläche aus nach innen erstreckt und die begrenzt ist durch einen Wandteil des genannten Elements, welche Vertiefung eine Fortsetzung des genannten Fließkanals in dem genannten Sitz bildet, wenn das genannte Element und der genannte Sitz einander berühren, so daß die genannte Ver tiefung in Verbindung mit der genannten Zone niedrigen Drucks steht, und wobei eine Außenseite des genannten Wandteils des genannten Ele ments in Verbindung mit der genannten Zone hohen Drucks steht, so daß der genannte Wandteil des genannten Elements nach Maßgabe des genannten Druckunterschieds um einen vorbestimmten Betrag einwärts verlagert wird;
welche Vertiefung so geformt ist, daß der genannte vorbestimmte Betrag, um den der genannte Wandteil des genannten Ventiltellerele ments verlagert ist, ungefähr gleich dem genannten vorbestimmten Be trag ist, um den der genannte Wandteil des genannten Sitzes an der Berührungsstelle beider einwärts verlagert ist, um die Relativbewe gung zwischen den einander berührenden, in Dichtungsstellung befind lichen genannten Flächen so klein wie möglich zu halten.

2. Ventiltelleranordnung nach Anspruch 1, worin der genannte Ventilsitz einen einzigen Fließkanal der genannten Art besitzt und das genannte Ventiltellerelement eine einzige, mit dem genannten Fließkanal fluch tende Vertiefung der genannten Art aufweist.

3. Ventiltelleranordnung nach Anspruch 2, worin die genannte Außenwand des genannten Ventiltellerelements im wesentlichen zylindrisch ist und die genannte Vertiefung eine im wesentlichen runde Ausmündung an der ge nannten unteren Berührungsfläche hat, so daß die genannte untere Berüh rungsfläche sich ringförmig um die genannte Ausmündung erstreckt.

4. Ventiltelleranordnung nach Anspruch 3, worin die genannte Außenfläche des genannten Sitzes im wesentlichen zylindrisch ist und der genannte Fließkanal eine im wesentlichen zylindrische Bohrung mit runder Öffnung an der oberen Berührungsfläche ist, so daß die genannte obere Berüh rungsfläche sich ringförmig um die genannte Öffnung erstreckt.

5. Ventiltelleranordnung nach Anspruch 3, worin die genannte Vertiefung ein oberes Ende aufweist, das durch eine gewölbte Innenfläche des ge nannten Elements verschlossen ist, um eine Konzentration der Belastung der genannten Innenfläche zu verhindern, wenn der genannte Wandteil des genannten Elements einwärts verlagert wird.

6. Ventiltelleranordnung nach Anspruch 5, worin die genannte Innenfläche des genannten Ventiltellerelements im wesentlichen Halbkugelform hat.

7. Ventiltelleranordnung nach Anspruch 5, worin die genannte Vertiefung in dem genannten Ventiltellerelement einen zylindrischen unteren Abschnitt aufweist, der sich von der genannten gewölbten Innenfläche aus abwärts zu der genannten unteren Berührungsfläche erstreckt.

8. Ventiltelleranordnung nach Anspruch 4, worin die genannte Vertiefung in dem genannten Ventiltellerelement im wesentlichen koaxial mit dem ge nannten Fließkanal in dem genannten Ventilsitz verläuft.

9. Ventiltelleranordnung nach Anspruch 1, worin der genannte Ventilsitz eine Mehrzahl der genannten Fließkanäle besitzt und die genannte Ver tiefung in dem genannten Ventiltellerelement so geformt ist, daß sie in Verbindung mit jedem der genannten Fließkanäle steht, wenn das genannte Element und der genannte Sitz dichtend aufeinanderstehen.

10. Ventiltelleranordnung nach Anspruch 9, worin der genannte Ventilsitz ein torusförmiges Bauteil ist, das eine Mittelöffnung zur Aufnahme des Schafts einer Begrenzungsschraube besitzt, welche Mehrzahl von Fließka nälen in einer radialen Anordnung um die genannte Mittelöffnung ange bracht ist.

11. Ventiltelleranordnung nach Anspruch 10, worin das genannte Ventiltel lerelement ein entsprechendes torusförmiges Bauteil mit einer Mittel öffnung für die Aufnahme des genannten Schafts der genannten Begren zungsschraube ist, welche Vertiefung in der genannten Berührungsfläche des genannten Ventiltellerelements sich ringförmig um die genannte Mit telöffnung erstreckt und mit der genannten radialen Anordnung von Fließkanälen in dem genannten Sitz fluchtet.

12. Ventiltelleranordnung nach Anspruch 11, worin die genannte Vertiefung in dem genannten Ventiltellerelement eine Ringnut in der genannten Be rührungsfläche des genannten Elements ist.

13. Ventiltelleranordnung nach Anspruch 12, worin die genannte Vertiefung U-förmigen Querschnitt hat.

14. Ventiltelleranordnung nach Anspruch 11, worin die genannte ringförmige Vertiefung in dem genannten Ventiltellerelement etwa auf halbem Wege zwischen der genannten Mittelöffnung und dessen genannter Außenfläche verläuft, so daß neben der ringförmigen Vertiefung mit Abstand vonein ander ringförmige innere und äußere Wandteile des genannten Ventiltel lerelements von ungefähr gleicher Dicke gebildet werden.

15. Ventiltelleranordnung nach Anspruch 11, worin der genannte Ventilsitz außerdem mit einer Ringnut in der genannten oberen Berührungsfläche versehen ist, um den Kontaktdruck zwischen den genannten Berührungs flächen zu erhöhen, wobei die genannte Ringnut sich so um die genannte Mittelöffnung in dem genannten Sitz herum erstreckt, daß sie die ge nannte Anordnung von Fließkanälen miteinander verbindet, und so, daß der innere und der äußere Ringabschnitt der genannten oberen Berüh rungsfläche sich neben der genannten Nut befinden.

16. Ventiltelleranordnung nach Anspruch 15, worin das genannte Ventiltel lerelement und der genannte Ventilsitz so geformt sind, daß die genann te ringförmige Vertiefung in dem genannten Element und die genannte Nut in dem genannten Sitz in Vertikalrichtung fluchten, wenn das genannte Element und der genannte Sitz dichtend aufeinanderstehen.

17. Verfahren zur Minimierung des Verschleißes einer Ventiltelleranordnung eines Rückschlagventils, das den Rückfluß eines Fluids aus einer Zone hohen Drucks in eine Zone niedrigen Drucks in einer Kolbenpumpe verhin dert, welches Verfahren folgende Schritte umfaßt:
Bereitstellen eines Ventilsitzes mit einer oberen Berührungsflä che und mindestens einem Fließkanal, begrenzt durch einen Wandteil des genannten Sitzes, welcher Fließkanal in Verbindung mit der ge nannten Zone niedrigen Drucks steht und welcher Seitenwandteil eine Außenseite aufweist, die in Verbindung mit der genannten Zone hohen Drucks steht;
Bereitstellen eines Ventiltellerelements mit einer unteren Berüh rungsfläche, die so geformt ist, daß sie dichtend an der genannten Berührungsfläche des genannten Sitzes anliegt, um den genannten Rückfluß des genannten Fluids zu verhindern, welches Ventilteller element eine von der genannten unteren Berührungsfläche sich ein wärts erstreckende und durch einen Wandteil des genannten Ventiltel lerelements begrenzte Vertiefung aufweist, welche Vertiefung mit dem genannten Fließkanal fluchtet, wenn das genannte Element und der ge nannte Sitz aufeinanderstehen, so daß die genannte Vertiefung in Verbindung mit der genannten Zone niedrigen Drucks steht, und wobei eine Außenseite des genannten Wandteils des genannten Elements in Verbindung mit der genannten Zone hohen Drucks steht;
die genannte Pumpe hin- und herlaufen lassen, so daß ein Druck unterschied zwischen der genannten Zone hohen Drucks und der genann ten Zone niedrigen Drucks erzeugt wird; und
die genannten Berührungsflächen des genannten Ventiltellerele ments und des genannten Ventilsitzes in dichtende Berührung mitein ander bringen, so daß die genannten Wandteile sowohl des genannten Sitzes als auch des genannten Elements von dem genannten Druckunter schied einwärts verlagert werden, wobei die genannte Vertiefung in dem genannten Ventiltellerelement so gestaltet ist, daß der genannte Wandteil des genannten Elements um einen Betrag einwärts verlagert wird, der ungefähr gleich einem Betrag ist, um den der genannte Wandteil des genannten Sitzes einwärts bewegt wird, um die Relativ bewegung der genannten, einander berührenden Berührungsflächen auf einen Minimalwert zu beschränken.