DE4424724A1 - Steuerventil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerventil mit einer fe­ derbelasteten Spindel, die einen Ventilteller gegen den Ven­ tilsitz einer vom Systemdruck belasteten Sitzbuchse preßt.

Eigenmediumbetätigte Sicherheitsventile können sowohl nach dem Arbeits- als auch nach dem Ruheprinzip ihrer Steuerven­ tile geöffnet und wieder geschlossen werden. Bei einer Anord­ nung von mehreren Sicherheitsventilen, z. B. von drei paralle­ len Sicherheitsventilen, darf nur ein Sicherheitsventil nach dem Arbeitsprinzip arbeiten, während zwei Sicherheitsventile nach dem Ruheprinzip arbeiten müssen.

Ein federbelastetes Steuerventil der obengenannten Art arbei­ tet nach dem Ruheprinzip. Sein Aufbau ist im allgemeinen der­ art, daß eine Ventilfeder über eine Spindel den Ventilteller gegen den anstehenden Systemdruck von z. B. 155 bar in ge­ schlossener Ventilstellung oder Ventillage hält. Die Ventil­ feder ist hierbei derart vorgespannt, daß im Ansprechpunkt des Steuerventils, z. B. bei 170 bar Systemdruck, Kräfte­ gleichgewicht herrscht. Um nun die Dichtkraft im Normalbe­ trieb, d. h. bei einem Systemdruck von 155 bar, und somit die spezifische Sitzpressung zu erhöhen, wird üblicherweise mit einer Zusatzbelastung oder Zusatzlast mittels eines Elektro­ magneten gearbeitet, der die Feder unterstützt. Diese Zusatz­ last wird bei Erreichen des Ansprechpunktes durch Wegschalten des Elektromagneten abgeworfen. Da nicht sichergestellt ist, daß dieser Abwurfvorgang stets absolut sicher gelingt, darf ein hieraus resultierendes verspätetes Öffnen des Sicher­ heitsventils bei erhöhtem Systemdruck nicht zu einer Gefähr­ dung der abgesicherten, druckführenden Umschließung des Sy­ stems führen. Die Kraft der Zusatzbelastung ist deshalb be­ grenzt auf z. B. 10 bis 12% des Ansprechdrucks des Sicher­ heitsventils.

Für die Dichthaltung des Steuerventils, d. h. für die spezifi­ sche Sitzpressung, steht somit nicht eine beliebig hohe Kraft zur Verfügung. Eine ausreichende Dichtheit des Ventilsitzes des Steuerventils über mindestens einen Betriebszyklus, z. B. in einem Kernkraftwerk mit einem Druckwasserreaktor, ist des­ halb keine Selbstverständlichkeit. Hierbei muß unterschieden werden zwischen einem geschlossenen Steuerventil, auf das beim Anfahrvorgang der Systemdruck, z. B. unter Sattdampfbe­ dingungen, ohne Ansprechvorgang oder einem Ansprechen bei re­ lativ niedrigem Systemdruck (z. B. 40 bar) graduell aufge­ bracht wird, und einem geschlossenen Steuerventil, auf das beim Ansprechvorgang ein hoher Systemdruck (z. B. 150 bar) wirkt. Während im erstgenannten Fall bei günstigen Bedingun­ gen, d. h. bei richtiger Materialwahl für den Ventilteller und die Sitzbuchse, im allgemeinen eine ausreichende Dichtheit des Steuerventils zustandekommt, ist dies im letzteren Fall ohne Zusatzmaßnahmen nicht sichergestellt. Dabei sind die an­ geführten Ansprechvorgänge bei Systemdrücken von 40 bar und 150 bar in einem Kernkraftwerk mit einem Druckwasserreaktor üblicherweise durchgeführte Prüfvorgänge, bei denen zum An­ sprechen des Steuerventils eine Hilfsvorrichtung, z. B. eine Hubhilfe, benutzt wird.

Ein undichtes Steuerventil führt nicht nur zu betrieblichen Problemen hinsichtlich der Auslegung des Kühlsystems eines für derartige Sicherheitsmaßnahmen vorgesehenen Abblasebehäl­ ters. Vielmehr kann ein undichtes Steuerventil im Grenzfall dafür verantwortlich sein, daß eine Fehlbetätigung erfolgt, z. B. ein fehlerhaftes Öffnen oder ein fehlerhaftes Offenblei­ ben des Sicherheitsventils nach einem Ansprechfall.

Fig. 2 zeigt eine bekannte Ausführungsform eines Steuerven­ tils 1; dargestellt ist der Kontaktbereich zwischen einer Spindel 2 und einem Ventilteller 4 einerseits und dem Ventil­ teller 4 und einer Sitzbuchse 8 andererseits. Die Kontakt­ stelle A zwischen der Spindel 2, auf die - wie durch den Kraftpfeil F angedeutet - von oben eine Einstellfeder und ge­ gebenenfalls eine elektromagnetische Zusatzbelastung wirkt, und dem Ventilteller 4 liegt deutlich über dem eigentlichen Ventilsitz 6. Dabei ist das Spiel zwischen einem Zapfen 10 des Ventiltellers 4 und einer Bohrung 12 in der Spindel 2 übertrieben dargestellt.

Bei einem Schließvorgang des Steuerventils 1 mit schief oder schräg aufsetzendem Ventilteller 4 können zwischen der Spin­ del 2, dem Ventilteller 4 und der Sitzbuchse 8 bis zum Ende des Aufsetzvorgangs mehrere Zwängungen oder Rutschbewegungen auftreten. Diese erfolgen an der mit A bezeichneten Kraft­ übertragungsstelle oder Kontaktstelle zwischen der Spindel 2 und dem Ventilteller 4, an der mit B bezeichneten Rutsch­ stelle sowie am mit C bezeichneten Berührungspunkt, der bei einer Abwärtsbewegung des Ventiltellers 4 gemäß der Darstel­ lung in Fig. 2 nach links wegrutscht. Dabei kann noch er­ schwerend hinzukommen, daß bedingt durch die erforderliche Lateralbewegung des Ventiltellers 4 eine - wenn auch geringe - Beschädigung der Dichtstelle am Ort der Berührung zwischen dem Ventilteller 4 und dem Ventilsitz 6 erfolgen kann.

Eine Senkrechtstellung des Ventiltellers 4 mit gleichmäßiger Sitzpressungsverteilung ist nicht zu erreichen, da die Schließkraft bei anstehendem Systemdruck p begrenzt ist, und da das Rückstellmoment gegenüber dem vorherrschenden Reibmo­ ment in der Endphase des Aufsetzvorgangs kontinuierlich ab­ nimmt; ein gleichmäßiger Aufsetzvorgang vor Erreichen des Ziels wird also regelrecht abgebremst. Eine wesentliche Rolle spielt hierbei der der Aufsetzbewegung des Ventiltellers 4 entgegenwirkende Systemdruck p, da hierdurch die auf den Ven­ tilteller 4 wirkende Rückstellkraft empfindlich verringert wird.

Um dies zu umgehen, wäre folgender Weg denkbar: Nach erfolg­ tem Aufsetzvorgang wird der Systemdruck p unter dem Ventil­ teller 4 kurzzeitig abgebaut. Dies kann z. B. durch Absperren einer mit dem Innenraum der Sitzbuchse 8 verbundenen Druckentlastungsleitung erfolgen, wobei der Raum zwischen dieser Absperrung und dem Ventilsitz 6 des Steuerventils 1 druckentlastet wird. Eine derartige Druckentlastung ist je­ doch entweder bei Steuerventilen 1 bestimmter Bauart nicht oder nur bedingt möglich, da ein Vor-Ort-Einsatz im Kontroll­ bereich eines Kernkraftwerks damit verbunden wäre.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem derartigen Steuerventil die Sitzdichtheit weiter zu verbes­ sern, wobei diese auch nach mehreren Ansprechfällen reprodu­ zierbar bleiben soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kontaktstelle zwischen der Spindel und dem Ventilteller in der Nähe des Ventilsitzes liegt. Mit anderen Worten: die Kon­ taktstelle liegt so nahe wie möglich am Ventilsitz, z. B. in Höhe des Ventilsitzes oder darunter.

In vorteilhafter Weiterbildung ist die Sitzbuchse im Bereich des Ventilsitzes derart ausgebildet, daß die Berührungsstelle oder der Berührungspunkt zwischen dem Ventilteller und dem Ventilsitz einen Drehpunkt darstellt. Dieser ist insbesondere dann wirksam, wenn bei einem Schließvorgang des Steuerventils der Ventilteller einseitig aufsetzt.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung weist die Spindel ei­ nen Zapfen auf, der in eine Bohrung des Ventiltellers hinein­ ragt. Das durch die Bohrung verbleibende ringförmige Mantel­ stück des Ventiltellers ragt dann in einen entsprechenden Ringraum der Spindel. Das zwischen diesem ringförmigen Man­ telstück und dem Ringraum vorhandene Spiel wird bei einer weiteren Aufsetzbewegung zwar aufgebraucht, zu einer latera­ len Rutschbewegung des Ventiltellers kommt es jedoch nicht. Dies gilt auch für die Kontaktstelle zwischen der Spindel und dem Ventilteller. Bei zweckmäßigerweise kugelförmiger Ausbil­ dung des in die Bohrung des Ventiltellers ragenden Zapfens der Spindel kommt es lediglich zu einem Abwälzvorgang, wobei eine reibungsbehaftete Gleitbewegung vermieden ist.

Um die Kontaktstelle zwischen dem Ventilteller und dem Ven­ tilsitz als besonders wirksamen Drehpunkt auszubilden, ist zweckmäßigerweise die Sitzbuchse in Richtung auf den Ventil­ sitz stufig ausgebildet, wobei der Ventilsitz eine Sitzbreite von 0,3 bis 0,5 mm aufweist. Die Sitzgegenfläche am Ventil­ teller ist zweckmäßigerweise als ca. 3 mm breiter Ringflansch ausgebildet.

Eine Anpassung bei einer gegebenen Pressung kann dadurch er­ reicht werden, daß ein Teil der Abdichtelemente elastischer ist als der andere. In zweckmäßiger Ausgestaltung ist daher die Spindel an ihrem dem Ventilteller zugewandten Ende mit einer Schürze versehen. Innerhalb des dabei gebildeten Ring­ raums weist dann der Ventilteller einen entsprechend redu­ zierten Außendurchmesser auf. Die an die Spindel angesetzte Schürze hält während des Ansprechvorgangs des Steuerventils eventuell auftretende Pulsationen und deren Rückwirkungen im Bereich des Ventiltellers von diesem fern, während der Ven­ tilteller selbst in der Art einer Tellerfeder wirkt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich­ nung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 in vereinfachter Darstellung ein federbelastetes Steuerventil mit elektromagnetischer Zusatzlast, und

Fig. 2 einen Ausschnitt II aus Fig. 1 in größerem Maßstab mit in bekannter Weise ausgeführtem Ventilteller und

Fig. 3 den gleichen Ausschnitt III aus Fig. 1 in größerem Maßstab mit in Höhe des Ventilsitzes liegender Kontaktstelle.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Das Steuerventil 1 gemäß Fig. 1 umfaßt eine Spindel 2, die innerhalb eines Ventilgehäuses 3 angeordnet ist und dort ei­ nen Ventilteller 4 - belastet durch eine Ventilfeder 5 - ge­ gen einen Ventilsitz 6 einer vom Systemdruck p belasteten Sitzbuchse 8 preßt. Das Ventilgehäuse 3 weist im Bereich des Ventiltellers 4 einen Impulsraum 7 auf. Am Ventilgehäuse 3 ist oberhalb der Spindel 2 ein mit dieser in Wirkverbindung stehender Elektromagnet 9 befestigt. Dieser wirkt als Zusatz­ last und unterstützt die gegen den Systemdruck p von ca. 155 bar bis 170 bar arbeitende Ventilfeder 5.

Der Bereich zwischen der Spindel 2 und dem Ventilteller 4 ei­ nerseits und dem Ventilteller 4 sowie der Sitzbuchse 8 ande­ rerseits ist in den Fig. 2 und 3 vergrößert und mit über­ triebenem Spiel dargestellt. Im Gegensatz zu der bekannten Ausführungsform nach Fig. 2 weist bei dem in Fig. 3 gezeig­ ten Ausführungsbeispiel nicht die Spindel 2, sondern der Ven­ tilteller 4 eine Bohrung 13 auf, die sich bis in Höhe des Ventilsitzes 6 erstreckt. In diese Bohrung 13 ist ein am freien Ende der Spindel 2 angeformter Zapfen 14 geführt, der an seinem Ende 15 kugelförmig ausgebildet ist. Alternativ kann dort auch eine Kugel vorgesehen sein, gegen die ein ent­ sprechend kürzer ausgebildeter Zapfen der Spindel 2 drückt. Mit anderen Worten: Im Gegensatz zur bekannten Ausführungs­ form nach Fig. 2 liegt beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 die Kontaktstelle A zwischen der Spindel 2 und dem Ventil­ teller 4 in Höhe des Ventilsitzes 6. Es hat sich herausge­ stellt, daß abweichend von dieser gewünschten oder idealen Lage die Kontaktstelle A herstellungsbedingt geringfügig oberhalb und somit praktisch in der Nähe des Ventilsitzes 6 liegen wird. Ebenso kann die Kontaktstelle A auch geringfügig unterhalb des Ventilsitzes 6 liegen, wobei dann die Bohrung 13 entsprechend tiefer und der Zapfen 14 entsprechend länger ausgebildet sind.

Die Sitzbuchse 8 ist an ihrem dem Ventilteller 4 zugewandten oberen Ende, d. h. auf der der Unterseite des Ventiltellers 4 gegenüberliegenden Seite, stufig ausgebildet. Dabei beträgt die Sitzbreite der obersten Stufe 16 etwa 0,3 bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,4 bis 0,5 mm. Die Sitzgegenfläche auf der Un­ terseite des Ventiltellers 4 ist als etwa 3 mm breite Ring­ fläche 17 ausgebildet.

Während bei einer vollständigen Abwärtsbewegung des Ventil­ tellers 4 infolge der Kraftwirkung durch die federbelastete Spindel 2 in Richtung des Kraftpfeils F bei der bekannten Ausführungsform nach Fig. 2 die Berührungsstelle C zwischen dem Ventilteller 4 und der Sitzbuchse 8 nach links wegrut­ schen kann, bildet die Berührungsstelle C der Ausführungsform nach Fig. 3 einen Drehpunkt des Ventiltellers 4 auf der obersten Stufe 16 der Sitzbuchse 8. Im Gegensatz zur bekann­ ten Ausführungsform nach Fig. 2, bei der zusätzlich zu der Rutschbewegung der Berührungsstelle C auch eine Rutschbewe­ gung der Kraftübertragungs- oder Kontaktstelle A und der Rutschstelle B stattfindet, erfolgt bei der Ausführungsform nach Fig. 3 an der Kontaktstelle A lediglich ein Abwälzvor­ gang ohne Rutschbewegung.

Es hat sich herausgestellt, daß eine elastische Ausgestaltung mindestens eines Teils der Abdichtelemente, d. h. der Spindel 2, des Ventiltellers 4 oder der Sitzbuchse 8, gegenüber dem jeweils anderen Teil der Abdichtelemente sich vorteilhaft auf eine während eines Schließvorgangs auftretende Pressung aus­ wirkt. Zu diesem Zweck ist der Außendurchmesser d₁ des in ei­ nen Ringraum 18 der Spindel 2 ragenden ringförmigen Teils 19 kleiner gewählt als der Außendurchmesser d₂ des die Ringflä­ che 17 bildenden Teils 20 des Ventiltellers 4. In den dadurch freigewordenen Raum ragt eine an der Spindel 2 angesetzte Schürze 21. Der Ventilteller 4 wirkt dann während eines An­ sprechvorgangs des Steuerventils 1 wie eine Tellerfeder, und die Schürze 21 hält dabei eventuell auftretende Pulsationen und deren Rückwirkungen im Ventilteller 4 von diesem fern.

Claims (7)

1. Steuerventil mit einer federbelasteten Spindel (2), die einen Ventilteller (4) gegen einen Ventilsitz (6) einer vom Systemdruck (p) belasteten Sitzbuchse (8) preßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kon­ taktstelle (A) zwischen der Spindel (2) und dem Ventilteller (4) in der Nähe des Ventilsitzes (6) liegt.

2. Ventilteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitz­ buchse (8) im Bereich des Ventilsitzes (6) derart ausgebildet ist, daß während eines Schließvorgangs die Berührungsstelle (C) zwischen dem Ventilteller (4) und dem Ventilsitz (6) ei­ nen Drehpunkt darstellt.

3. Steuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spin­ del (2) einen Zapfen (14) aufweist, der in eine Bohrung (13) des Ventiltellers (4) hineinragt.

4. Steuerventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (15) des Zapfens (14) kugelförmig ausgebildet ist.

5. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitz­ buchse (8) in Richtung auf den Ventilsitz (6) stufig ausge­ bildet ist, wobei der Ventilsitz (6) eine Sitzbreite von 0,3 bis 0,5 mm aufweist.

6. Steuerventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitz­ gegenfläche am Ventilteller (4) als ca. 3 mm breite Ringflä­ che (17) ausgebildet ist.

7. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spin­ del (2) an ihrem dem Ventilteller (4) zugewandten Ende eine elastische Schürze (21) zur Bildung eines Ringraums (18) auf­ weist, in den ein Teil (19) des Ventiltellers (4) ragt.