DE4416524A1 - Ausgleichsdampfsteuerventilanordnung und zugehöriges stopfenartiges Ventilelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Dampfsteuerventile und stopfenartige Ventilelemente dafür, die zwi­ schen einer Dampfkammer und einem Dampfturbineneinlaß angeordnet sind, die von der Kammer Dampf aufnehmen und über Ventile Dampf in ringförmige Abschnitte des Turbi­ neneinlasses verteilen, und insbesondere eine verbesserte Ausgleichsdampfsteuerventilanord­ nung und ein stopfenartiges Ventilelement für eine derartige Ausgleichsdampfsteuerventila­ nordnung.

Dampfsteuerventile für Dampfturbinen wurden mit der Zeit größer und sollen mit höheren Drücken arbeiten. Dies führt zu sehr großen Kräften, die jenseits der Fähigkeiten der bekann­ ten konventionellen Ventilsteuersysteme liegen. Eine Lösung aus dem Stand der Technik be­ stand darin, die zuvor benannten Kräfte dadurch auszugleichen, daß an dem Ventilstößel, der sich in einem Zylinder oder in einer Führung verschieblich hin- und herbewegt, einen Aus­ gleichskolben angebaut wurde. Dadurch wird Druck, der an der Basis des stopfenartigen Ventils herrscht, durch innere Durchgänge mit dem gegenüberliegenden Ende des Ventils in Verbindung gebracht, d. h. mit dem stopfenartigen Ventilelement. Dies glich nahezu annä­ hernd die Kräfte aus. Aufgrund der entstandenen Eigenart dieser Konstruktion wurde das stopfenartige Ventilelement, das einen Stopfen an einem Ende und einen Ausgleichskolben am anderen Ende hat, als Ventilelement angenommen, das bestimmte Teile aufweist, und dementsprechend wurde es mit einem auffälligen, jedoch unnötigen, dazwischen angeordne­ ten Hals hergestellt. Ebenso wurden aus Herstellungsgründen die Ventilelemente aus tatsäch­ lich einzelnen Komponenten gebildet; der Stopfen und Ausgleichskolben mit dem größeren Durchmesser trug einen Stößel in einer "T-Schlitz"-Anordnung.

Aufgrund der weiten Bereiche von Größe und Druck für derartige Ventilelemente wurden Probleme mit der Vibration der Positionssteuerung und Stößelbruch festgestellt.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Ausgleichsdampfsteuerventilanordnung, und ein stopfenartiges Ventilelement dafür zu schaffen, welche die vorgenannten Probleme vermeiden.

Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, eine Ausgleichsdampfsteuerventilanordnung zu schaffen, die einen ringförmigen Ventilsitz, ein stopfenartiges Ventilelement zum Ver­ schluß auf und Entfernen von dem Sitz hat, und einen Ventilmantel mit einer zentralen, läng­ lichen Durchgangsbohrung hat bei der das Ventilelement einen Ventilkopf und einen Stößel hat, wobei der Stößel verschiebbar in der Bohrung angeordnet ist und der Mantel eine davon abhängige zylindrische Führung hat. Der Kopf ist verschiebbar in der Führung angeordnet; er hat eine darin angeordnete fluidaufnehmende Kanaleinrichtung zum Ausgleichen des Druckes zwischen einem Ende des Kopfes und einem gegenüberliegenden Ende des Kopfes; und ein Ende des Kopfes hat eine darin angeordnete Vorrichtung, die sicherstellt, daß ein dort herr­ schender durchschnittlicher und repräsentativer Druck über die Kanaleinrichtung zu einem gegenüberliegenden Ende des Kopfes geschickt wird.

Es ist ebenfalls eine Aufgabe der Erfindung, ein stopfenartiges Ventilelement für eine Aus­ gleichsdampfsteuerventilanordnung zu finden, die einen Ventilkopf für einen einstückigen Stößel aufweist, wobei der Kopf eine darin angeordnete fluidaufnehmende Kanaleinrichtung zum Ausgleichen des Druckes zwischen einem Ende des Kopfes und einem gegenüberliegen­ den Ende des Kopfes aufweist, und ein Ende des Kopfes eine darin angeordnete Einrichtung hat, die sicherstellt, daß ein dort herrschender durchschnittlicher und repräsentativer Druck an ein gegenüberliegendes Ende des Kopfes über die Kanaleinrichtung geleitet wird.

Weitere Ziele der Erfindung sowie deren neue Merkmale ergeben sich aus der folgenden Be­ schreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine Dampfsteuerventileinrichtung nach dem Stand der Technik, die die oben genannte "T-Schlitz"-Verbindungsanordnung hat.

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines stopfenartigen Ventilelementes nach dem Stand der Technik, dessen Stößel mit dem Stopfen und dem Ausgleichskolben ein­ stückig ausgebildet ist.

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht einer Dampfkammer, die die darin zum Steuern der Zuteilung von Dampf an ringförmige Abschnitte eines Turbineneinlasses an­ geordneten neuen Ausgleichsdampfsteuerventilanordnungen zeigt.

Fig. 4 zeigt eine gegenüber dem Maßstab der Fig. 3 stark vergrößerte Ansicht der vor­ genannten neuen Ausgleichsdampfsteuerventilanordnung, die das erfinderische, stopfenartige Ventilelement enthält.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist die Dampfsteuerventileinrichtung 10 aus dem Stand der Technik einen Venturiartigen Ventilsitz 12 und einen Ventilmantel 14 auf, der eine davon abhängige Ventilführung 16 hat, wobei die Führung eine darin befestigte Ventilführungshülse 18 aufweist. Das stopfenartige Ventilelement 20 hat ein gerundetes Stopfenende 22, das auf dem Sitz 12 sitzt und sich davon entfernen kann, und ein zylindrisches Ausgleichskolbenende 24. Das Ende 24 ist in der Führung 16 über die Hülse 18 gleitend hin- und herbewegbar und hat eine zentrale längliche Durchgangsbohrung 26. Die Enden 22 und 24 sind über einen Halsabschnitt 28 miteinander verbunden. Innerhalb des Ausgleichskolbenendes 24 ist eine geradlinige Kerbe 30 ausgebildet, die darin ein Ende einer "T-Verbindung" des Ventilele­ mentstößels 32 aufnimmt. Es wurde festgestellt, daß die Probleme derartiger Ventilanord­ nungen 10 von ungleichmäßigen und unstetigen Drücken am Boden des Stopfenendes 22 her­ rühren und, daß in der Folge der Druck, der auf die Oberseite des Ausgleichskolbenendes 24 ausgeübt wird, nicht repräsentativ für den Durchschnittsdruck, der am Boden des Stopfenen­ des 22 herrscht, ist. Die Bohrung 26 öffnet sich nur zur Mitte des Stopfenendes 22, und der dort herrschende Druck, der in bekannter Weise zum Ende 24 geleitet wird, weicht wahr­ scheinlich unrepräsentativ ab. Zusätzlich hat die "T-Verbindung" strukturelle Nachteile.

Die zuvor erwähnten uneinheitlichen und unstetigen Drücke resultieren aus der langen, gebo­ genen Oberfläche des Stopfenendes 22; der Dampfstrom geht zwischen dieser Fläche und dem Sitz 12 hindurch. Die Drücke variieren beträchtlich in dieser Region und der Dampffluß trennt sich an einigen unbekannten und wechselnden Punkten auf der Oberfläche des Stopfe­ nendes 22, nachdem er durch den engsten Teil-dieses Abschnittes hindurchgegangen ist. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, beschreibt das gerundete Stopfenendes 22, das mit dem Ventilsitz 12 zu­ sammenarbeitet, eine lange oder breite Fließübergangszone oder einen derartigen Bereich 34. Dessen Fluidkontaktlänge liegt dann zwischen der äußersten Oberfläche des Stopfenendes 22 und einem nicht genau bestimmten Punkt, der willkürlich bei 36 gezeigt ist.

In den Fig. 2 bis 4 bedeuten Komponenten oder Teile, die Bezugsziffern haben, die gleich oder ähnlich denen, die in Fig. 1 gezeigt sind, Komponenten, die den in Fig. 1 gleich oder ähnlich sind.

Fig. 2 beschreibt ein Ventilelement 20a nach dem Stand der Technik, das konstruiert wurde, um den Nachteil der "T-Verbindung" des in Fig. 1 gezeigten Ventilelements 20 zu überwin­ den. Hier ist der Stößel 32a mit dem Ausgleichskolbenende 24a einstückig ausgebildet. Je­ doch auch hier öffnet sich die Zentralbohrung 26a nur zentral auf den Boden des Stopfenen­ des 22a. Die Verwendung des Ventilelementes 20a verursacht die zuvor erwähnten, nicht re­ präsentativen Drücke, die auf das Ausgleichskolbenende 24a wirken. Außerdem wird das Ventilelement 20a, da es ein gleiches gerundetes Stopfenende 22a hat, die gleiche Längs­ strömungsübergangszone und eine ausgedehnte Fluidkontaktlänge erfahren, wie bei Verwen­ dung eines Ventilelementes 20 nach Fig. 1 auftritt.

Fig. 3 zeigt eine Dampfkammer 38, die von einem (nicht gezeigten) Verteiler Dampf erhält und die den Dampf an ringförmige Abschnitte 40 und 42 eines Turbineneinlasses 44 verteilt. Die neuen Ausgleichsdampfsteuerventilanordnungen 46 und 48 sind quer zur Kammer 38 dargestellt. Die Ausgleichskolbenenden 50 und 52 der Anordnungen, die die erfindungsge­ mäßen, stopfenartigen Ventilelemente 54 und 56 enthalten, verschieben sich innerhalb der Mantelführungen 16a und 16b und der Führungshülsen 18a und 18b. Die Enden 50 und 52 arbeiten mit den Führungen 16a und 16b und den Hülsen 18a und 18b zusammen, um dazwi­ schenliegende Kammern 58 und 60 mit veränderbarem Volumen zu bilden, in denen die En­ den 50 und 52 arbeiten.

Eine Vergrößerung einer der neuen Anordnungen 46 ist in Fig. 4 gezeigt. Die Anordnung 46 weist ein Ventilelement 54 auf, das eine in dessen Stopfenende 22b gebildete kreisförmige Ausnehmung 62 hat. Die zentrale Längsbohrung 26b kommuniziert mit einer Mehrzahl von auseinandergehenden Durchgängen 64 (hier 4, obwohl nur 2 gezeigt sind), die sich in die kreisförmige Ausnehmung 62 öffnen. Zusätzlich geht einer weiterer, axial in Flucht liegender Durchgangsweg 64a direkt von der Bohrung 26b aus und öffnet sich in die Mitte der Ausneh­ mung 62. Die äußere Oberfläche des Ventilelementes 54 und die umgebende Kante 66 der Ausnehmung 62 bilden eine konische Umgebungswand 68. Die Durchgänge 64 liegen tan­ gential zu der Wand 68 und diese stellen im Zusammenwirken mit dem Durchgang 64a si­ cher, daß ein durchschnittlicher und repräsentativer Druck, der quer über die Ausnehmung 62 herrscht, in die Bohrung 26b zur Kommunikation mit dem Ausgleichskolbenende 50 und der Kammer 58 geführt wird.

Das Ventilelement 54 hat keinen Hals; es hat einfach einen Kopf 70 und einen Stößel 32b. Das Führungsende des Kopfes 70, das auf dem Ventilsitz 12 schließt und sich davon weg bewegt, hat einen vorgegebenen Durchmesser. Das nachkommende Ende des Kopfes, das das Ausgleichskolbenende 50 aufweist, hat einen anderen, obgleich nicht viel kleineren Durch­ messer, und diese Konstruktion gibt dem Ventilelement 54 eine Masse, die aus der Reihe lau­ fenden Dampfdrücken widersteht. Der Durchmesser des nachkommenden Endes oder Ab­ schnittes des Elementes 54 wird so ausgewählt, daß die letztendlich auf die gesamte Kon­ struktion wirkende Kraft innerhalb der Belastbarkeit des Ventilsteuersystems liegt. Beim nachkommenden Ende des Ventilelementes 54 sind außerdem auseinandergehende Durch­ gänge 64a zur Kommunikation mit der Kammer 58 vorgesehen, um den einstückigen Stößel 32b aufzunehmen.

Es ist zu beachten, daß die äußere Oberfläche des Elementes 54 an seinem Führungsende und der inneren Oberfläche der Wand 68, d. h. am Rand 66, sehr eng oder kurz ist. Letztgenannte legt die Flußübergangszone oder -gegend 34a fest. Sie hat eine Breite, die nicht mehr als 10% des Durchmessers des Führungsendes des Kopfes 70 ausmacht. Indem das Element 54 im wesentlichen zylindrisch ist, hat es keine gerundete Stopfengestalt des Stopfenendes 22 des Ventilelementes 20 (von Fig. 1). Die wulstlose Ausbildung des Elementes 54 und des im wesentlichen mit einem flachen Boden versehenen zurückgenommenen Endes oder Füh­ rungsendes des Elementes 54 wirken mit der kurzen Übergangszone zusammen, um einen scharfen Wechsel in der Oberflächenneigung 72 zu bilden, um eine Trennung des Flusses zu bewirken.

Während wir unsere Erfindung in Verbindung mit speziellen Ausführungsbeispielen be­ schrieben haben, ist es klar zu verstehen, daß dies nur anhand von Beispielen getan wurde und daß diese Beispiele keine Begrenzung des Schutzbereiches der Erfindung, wie vorab und in den angehängten Ansprüchen beschrieben, bedeutet.

Claims (10)

1. Ausgleichsdampfsteuerventilanordnung mit einem ringförmigen Ventilsitz (12), mit ei­ nem stopfenartigen Ventilelement zum Verschluß auf und Entfernen von dem Sitz (12), und mit einem Ventilmantel (14), der eine zentrale, längliche Durchgangsbohrung (26) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Ventilelement (54, 56) einen Ventilkopf (70) und einen Stößel (32b) aufweist,
• - daß der Stößel (32b) verschiebbar in der Bohrung angeordnet ist,
• - daß der Mantel (14) eine davon abhängende zylindrische Führung (16a, 16b) auf­ weist,
• - wobei der Kopf (70) verschiebbar in der Führung (16a, 16b) angeordnet ist,
• - wobei der Kopf (70) darin angeordnete fluidaufnehmende Kanaleinrichtungen (26b, 64, 64a) zum Ausgleichen des Druckes zwischen einem Ende des Kopfes (70) und einem gegenüberliegenden Ende des Kopfes (70) hat,
• - wobei ein Ende des Kopfes (70) eine darin angeordnete Einrichtung aufweist, die sicherstellt, daß ein dort herrschender durchschnittlicher und repräsentativer Druck an ein gegenüberliegendes Ende des Kopfes (70) über die Kanaleinrich­ tungen weitergegeben wird,
• - wobei die Kanaleinrichtungen (26b, 64, 64a) die in einem Ende des Kopfes an­ geordnet sind, eine Ausnehmung (62) aufweisen;
• - und wobei die Kanaleinrichtungen (26b, 64, 64a) eine im Kopf (70) angeordnete zentrale Axialbohrung (26b) und eine Mehrzahl davon ausgehender und mit der zentralen Axialbohrung (26b) kommunizierender Durchgänge (64) aufweisen,
• - wobei sich die Durchgänge (64) außerhalb des Kopfes (70) zu dem einen Ende und dem gegenüberliegenden Ende hin öffnen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (62) ei­ ne kreisförmige Aussparung aufweist, die eine konische Umgebungswand (68) hat, wobei die Durchgänge (64), die sich zu einem Ende des Kopfes (70) hin öffnen, sich in diese Aussparung und tangential zu der Umfangswand (68) öffnen, und daß die zentrale Axialbohrung (26b) sich in diese Aussparung und zentral zu dieser Aussparung öffnet.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gegenüberliegende Ende des Kopfes (70) und die Führung (16a, 16b) miteinander eine volumenveränderli­ che Kammer (58) zwischen sich definieren.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgänge (64a), die sich zum gegenüberliegenden Ende des Kopfes (70) öffnen, sich in diese Kammer (58) öffnen.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Kopf (70) eine äußere Umfangsfläche hat;
• - wobei diese Fläche und die Wand (68) eine ringförmige Übergangszone zwischen sich definieren;
• - daß der Kopf (70) einen den Sitz berührenden Führungsabschnitt und einen hinte­ ren Schaftabschnitt hat;
• - wobei der Führungsabschnitt des Kopfes (70) einen vorgegebenen Durchmesser hat;
• - und der hintere Abschnitt einen Durchmesser hat, der kleiner als der vorgegebene Durchmesser ist, und
• - wobei die Übergangszone eine Breite hat, die nicht größer als 10 Prozent des vorgegebenen Durchmessers beträgt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des hin­ teren Abschnittes so ausgewählt ist, daß die letztendlich auf die gesamte Konstruktion wirkende Kraft innerhalb der Belastbarkeit eines Ventilsteuersystems liegt.

7. Stopfenartiges Ventilelement für eine Ausgleichsdampfsteuerventilanordnung, mit ei­ nem Ventilkopf (70) und einem einstückigen Stößel, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Kopf (70) darin angeordnete fluidaufnehmende Kanaleinrichtungen (26b, 64, 64a) zum Druckausgleich zwischen einem Ende des Kopfes (70) und ei­ nem gegenüberliegenden Ende des Kopfes (70) aufweist;
• - wobei ein Ende des Kopfes (70) darin angeordnete Einrichtungen aufweist, die sicherstellen, daß ein dort herrschender durchschnittlicher und repräsentativer Druck über die Kanaleinrichtungen an ein gegenüberliegendes Ende des Kopfes (70) weitergegeben wird;
• - wobei die in einem Ende des Kopfes (70) angeordnete Einrichtung eine Ausneh­ mung (62) aufweist;
• - wobei die Kanaleinrichtungen eine in dem Kopf (70) angeordnete zentrale axiale Bohrung (26b) und eine Mehrzahl davon ausgehender und mit der zentralen Axi­ albohrung (26b) kommunizierender Durchgänge (64) aufweist; und
• - wobei die Durchgänge sich außerhalb des Kopfes (70) zu dem einen Ende und dem gegenüberliegenden Ende hin öffnen.

8. Element nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (62) eine kreisförmige Aussparung aufweist, die eine konische Umgebungswand (68) hat, wobei die Durchgänge (64), die sich zu einem Ende des Kopfes (70) hin öffnen, sich in diese Aussparung und tangential zu der Umfangswand (68) öffnen, und daß die zentrale Axialbohrung (26b) sich in diese Aussparung und zentral zu dieser Aussparung öffnet.

9. Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Kopf (70) eine äußere Umfangsfläche hat;
• - wobei diese Fläche und die Wand (68) eine ringförmige Übergangszone zwischen sich definieren;
• - wobei der Kopf (70) einen den Ventilsitz berührenden Führungsabschnitt und ei­ nen hinteren Schaftabschnitt hat;
• - wobei der Führungsabschnitt des Kopfes (70) einen vorgegebenen Durchmesser hat;
• - und der hintere Abschnitt einen Durchmesser hat, der typischerweise kleiner als der vorgegebene Durchmesser ist, und
• - wobei die Übergangszone eine Breite hat, die nicht größer als zehn Prozent des vorgegebenen Durchmessers beträgt.

10. Element nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des hinte­ ren Abschnittes nicht kleiner als ungefähr 80 Prozent des Durchmessers des Führungs­ abschnittes beträgt.