DE4446860A1 - Regelventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelventil mit Magnetantrieb, mit einem Zulaufanschluß und einem mit einer Regelblende versehenen Ablaufanschluß, mit welcher ein mittels einer Spindel axial verstellbarer Stellkolben zusammenwirkt.

In verfahrenstechnischen Anlagen, in Dampfkraftwerken und in kerntechnischen Anlagen beispielsweise werden Regelven­ tile verwendet, die unter hohem Druck und hoher Temperatur arbeiten, nach außen jedoch vollkommen dicht sein müssen.

Bekannt sind spindelbetätigte Regelventile mit Stopfbuchsen oder Faltenbalgabdichtungen nach außen, welche durch pneu­ matische, ölhydraulische oder elektromotorische Regelan­ triebe verstellt werden. Diese Regelventile haben jedoch Mängel im Betrieb, vor allem wenn toxische oder radioaktive Fluide geregelt werden, und diese Fluide durch Undichtheiten nach außen gelangen können.

Auch können bei hohen Druckdifferenzen Erosions- und Kavi­ tationsschäden auftreten.

Es sind ferner magnetbetätigte Regelventile bekannt, die mit einem Sitzventil als Vorsteuerung arbeiten. Hohe Druckdif­ ferenzen in Verbindung mit dem strömenden Medium führen je­ doch an den Steuerkanten der Vorsteuerventile zu Auswaschun­ gen und Korrosion.

Auch können bei die sen bekannten Ventilen permanente Hin- und Herbewegungen der Regelelemente auftreten, die im Dauerbe­ trieb nachteilig sind.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Regelventil der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß bewegte Bau­ teile möglichst reduziert und Spindeldurchführungen nach außen vermieden werden. Vorzugsweise sollen ferner unzu­ lässige zyklische Stellbewegungen der Regelelemente sowie eine Leckage nach außen vermieden werden.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Stellkolben mit einer ihm zugeordneten Servosteuerung aus­ gerüstet ist, durch welche die Position des Stellkolbens einregelbar ist, wobei vorzugsweise die Servosteuerung in­ nerhalb des hohl ausgebildeten Stellkolbens untergebracht ist.

Die Servosteuerung ist vorteilhafterweise mit einem Flach­ schieber versehen, der mit der Spindel gekoppelt ist und durch den der Kolbenraum oberhalb des Stellkolbens mit dem Zulaufanschluß oder dem Ablaufanschluß verbindbar ist, um den Stellkolben hydraulisch im Gleichgewicht zu halten. Der mit einer Ausnehmung versehene Flachschieber arbeitet mit einer ebenen Fläche am Stellkolben zusammen, in welche die Kanalenden von Zulaufanschluß, Ablaufanschluß und dem Kolbenraum oberhalb des Stellkolbens einmünden.

Der Flachschieber wird zweckmäßigerweise mittels federbe­ lasteter Rollen gegen die ebene Fläche angedrückt. Die An­ drückrichtung verläuft hierbei vorzugsweise quer zur Achse der Spindel.

Vorteilhafterweise ist bei geschlossener Stellung des Regel­ ventils in der Servosteuerung durch den Flachschieber der Zulaufanschluß und der Kolbenraum oberhalb des Stellkolbens durch den Flachschieber miteinander verbunden, während der Auslaßanschluß durch den Flachschieber geschlossen ist. Innerhalb des Stellkolbens ist vorzugsweise eine Zentrierein­ richtung eingebaut, die aus zwei die Spindel umgebenden Fe­ dertellern besteht, die ständig durch eine Druckfeder axial beaufschlagt sind, und die einen im Betrieb veränderbaren vorbestimmten axialen Abstand voneinander haben. In axialer Richtung lie­ gen die Federteller sowohl an der Spindel als auch am Stell­ kolben an.

Die Zentriereinrichtung ermöglicht eine Rückführung und Hub­ begrenzung der Servosteuerung und erlaubt auch in einigem Umfang das Abfangen bewegter Massen bei einem Ausfall der elektrischen Energieversorgung.

Vorteilhafterweise ist die Regelblende in axialem Abstand mit ringförmigen Stegen und dazwischenliegenden Ringkanälen sowie einem separaten Dichtsitz versehen, die mit dem Stell­ kolben zusammenwirken.

Schließlich ist das Regelventil vorzugsweise mit einem be­ rührungslosen, z. B. induktiven Wegaufnehmer zur Messung des Weges der Ventilspindel versehen, welcher mit einer elektro­ nischen Steuerschaltung gekoppelt ist.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nach­ folgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch im Schnitt ein erfindungs­ gemäßes Regelventil zeigt.

Fig. 2 zeigt vergrößert im Schnitt den Stell­ kolben des Regelventiles nach Fig. 1 mit eingebauter Servosteuerung.

Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen vergrößert im Schnitt die Servo­ steuerung im Detail.

In Fig. 1 ist ein Regelventil 10 dargestellt, das ein Ven­ tilgehäuse 12 hat, in welches eine Regelblende 14 eingesetzt ist.

Ein Ventiloberteil 16 ist über nicht näher bezeichnete Flansche, Gewindebolzen und Schrauben fest mit dem Gehäuse 12 verbunden, wobei zwischen dem Gehäuse und dem Oberteil eine ringförmige statische Dichtung 18 eingebaut ist, und diese einzige Dichtung 18 dichtet das gesamte Ventil nach außen ab.

In dem Ventiloberteil 16 ist ein beweglicher Magnetanker 20 angeordnet, ferner ein feststehender Gegenanker 22, der ge­ eignet mit dem Ventiloberteil verbunden ist oder einen Teil von jenem bildet.

Der bewegliche Magnetanker 20 ist fest mit einer Ventilspin­ del 24 verbunden, die ihrerseits mit einem Regelkolben oder Stellkolben 26 gekoppelt ist. Der mit einem Regelkonus ver­ sehene Stellkolben 26 ist in einer gehäusefesten Führungs­ büchse 28 angeordnet und geführt.

Im feststehenden Gegenanker 22 ist ein die Spindel 24 umge­ bende Stellfeder 30 eingebaut, und in der Führungsbüchse 28 ist eine ebenfalls die Spindel 24 umgebende Stellfeder 32 angeordnet. Beide Stellfedern sind in der dargestellten Aus­ führungsform Schraubendruckfedern und beide beaufschlagen ständig die Ventilspindel 24 in Richtung der Schließstellung des Regelventiles 10.

Das Ventiloberteil 16 ist im Bereich des beweglichen Magnet­ ankers 20 und des feststehenden Gegenankers 22 von einer ring­ förmigen Wicklung bzw. einem Elektromagneten 38 umschlossen, wie an sich bekannt ist.

Das obere Ende des Ventiloberteiles 16, in das die Spindel oder eine Verlängerung der Ventilspindel 24 hineinragt, ist von einem induktiven Wegaufnehmer 34 umgeben, der die Bewegung bzw. den Weg der Ventilspindel 24 aufnimmt und entsprechende Signale an eine elektronische Steuerschaltung 36 legt.

Die Regelblende 14 ist, wie insbesondere Fig. 2 zeigt, mit z. B. zwei ringförmigen Stegen 42 mit dazwischenliegenden Ring­ kanälen 44 sowie einem separaten Ventilsitz 40 versehen, die mit dem Stellkolben 26 zusammenwirken.

Fig. 2 zeigt den Stellkolben 26 im Schnitt.

In den teilweise hohl ausgebildeten Stellkolben ist eine z. B. hydraulische Servosteuerung 50 eingebaut. Sie besteht aus einem Flachschieber 52, der über eine Kupplung 84 in der Weise fest mit der Ventilspindel 24 verbunden ist, daß er jedenfalls keine Axialbewegungen relativ zur Spindel 24 ausführen kann. Im Stellkolben 26 ist eine ebene Fläche 54 ausgebildet, mit welcher der Flachschieber 52 zusammenwirkt, und gegen welche er mittels Rollen 56 angedrückt wird, die ständig durch eine Druckfeder 58 beaufschlagt sind, die zweck­ mäßigerweise verstellbar ausgebildet ist.

In die ebene Fläche 54 münden im Stellkolben 26 ausgebildete Kanäle 60, 62 und 64, wobei der Kanal 60 an den Zulaufan­ schluß P des Regelventils, der Kanal 62 an den Ablaufanschluß R des Regelventils und der Kanal 64 an einen Kolbenraum A oberhalb des Stellkolbens 26 angeschlossen ist. In den vom Zulaufanschluß P kommenden Kanal 60 kann zweckmäßigerweise eine Drossel 66 eingebaut sein.

Der Flachschieber 52 ist auf seiner der ebenen Fläche 54 des Stellkolbens 26 zugewandten Fläche mit einer Ausnehmung 68 versehen, durch welche die Verbindungen der einzelnen Kanäle untereinander bewirkt wird, wie noch erläutert wird.

Innerhalb des Stellkolbens 26 ist ferner eine Zentrierein­ richtung 70 angeordnet, die zwischen der Ventilspindel 24 und dem Stellkolben 26 eingebaut ist.

Die Zentriereinrichtung 70 besteht aus einem Federteller 72 und einem Federteller 74, die beide einen Abschnitt der Ven­ tilspindel 24 mit verringertem Durchmesser umgeben. Die Ventil­ spindel ist in diesem Bereich geteilt, und sie hat einen un­ teren Teil 25, der mit dem oberen Teil durch die bereits ge­ nannte Kupplung 84 verbunden ist. Der untere Teil 25 ist zweck­ mäßigerweise einstückig mit dem Flachschieber 52 ausgebildet. Die beiden Federteller 72 und 74 sind in axialer Richtung ständig durch eine Schraubendruckfeder 76 beaufschlagt, und sie werden durch diese in einem axialen Abstand 86 voneinander gehalten.

Die beiden Federteller 72, 74 liegen mit ihren Stirnflächen jeweils sowohl an einer Schulter 80 der Ventilspindel 24, 25 als auch an einem Bund 82 des Stellkolbens 26 an.

Das erfindungsgemäße Regelventil arbeitet wie folgt.

Mit Hilfe des Regelventiles wird der Strom vom Zulaufanschluß P zum Ablaufanschluß R geregelt. Bei abgeschaltetem Elektro­ magneten 38 drücken die Stellfedern 30 und 32, die sich am Gegenanker 22 bzw. an der Führungsbüchse 28 abstützen, die Ventilspindel 24 und damit den mit dieser verbundenen Stell­ kolben 26 auf den Ventilsitz 40 der Regelblende 14. Dies ist die geschlossene Stellung des Ventils.

Wird der Elektromagnet 38 in vorgegebener Weise erregt, so wird der Stellkolben 26 vom Ventilsitz 40 abgehoben und auf eine vorgegebene Position eingestellt. Diese Position wird über den berührungslos arbeitenden induktiven Wegaufnehmer 34 gemessen und als Ist-Wert in die elektronische Steuerschaltung 36 eingegeben, mit dem Soll-Wert verglichen und ausgeregelt. Das Ventil ist nun geöffnet und das Fluid strömt von P nach R. Diese Position ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Die Servosteuerung 50 befindet sich in der Regelstellung (Fig. 3), in welcher durch die Ausnehmung 68 im Flachschieber 52 der obere Kolbenraum A mit Nullüberdeckung sowohl mit dem Zulauf­ anschluß P als auch mit dem Ablaufanschluß R verbunden ist. Wird nun der Flachschieber 52 durch die Ventilspindel 24 in Öffnungsrichtung des Regelventiles verschoben, wie in Fig. 4 dargestellt ist, so wird durch die Ausnehmung 68 im Flach­ schieber 52 der Kanal 64 mit dem Kanal 62 verbunden, das heißt der Weg vom oberen Kolbenraum A zum Ablaufanschluß R wird ge­ öffnet und damit der Druck im oberen Kolbenraum A abgebaut, was zur Folge hat, daß sich der Stellkolben 26 nach oben bewegt, bis an der Servosteuerung 50 wieder die Stellung nach Fig. 3 erreicht ist.

Wird dagegen der Flachschieber 52 in Schließrichtung des Regelventils verschoben, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, so wird sofort der Kanal 64 mit dem Kanal 60 ver­ bunden, und damit die Verbindung vom oberen Kolbenraum A zum Zulaufanschluß P geöffnet. Dadurch wird der Druck im oberen Kolbenraum A erhöht und dadurch der Stellkolben 26 in Schließrichtung des Ventils verschoben, bis wieder die Regelstellung gemäß Fig. 3 erreicht ist.

Wenn der Stellkolben 26 seine Position relativ zum Flach­ schieber 52 infolge von an ihm angreifenden Strömungskräften verändert, so wird seine Position ebenso wieder einge­ regelt bis er die in Fig. 3 gezeigte Regelstellung ein­ nimmt.

Weicht der Stellkolben 26 beispielsweise in Öffnungsrichtung von seiner vorgegebenen Hublage ab, so wird der Druck im oberen Kolbenraum A erhöht (durch Verbindung von P mit A), während wenn der Stellkolben 26 aus seiner eingestellten Hublage in Schließrichtung des Ventils abweicht, der Druck im oberen Kolbenraum A erniedrigt wird (durch Verbindung von A mit R).

Der maximale Hub des Flachschiebers 52 bzw. die maximale Relativbewegung zwischen dem Stellkolben 26 und dem Flach­ schieber 52 ist hierbei in beiden Fällen durch den axialen Abstand 86 zwischen den beiden Federtellern 72 und 74 be­ grenzt.

Soll das Regelventil geschlossen werden, so wird der Elek­ tromagnet 38 abgeschaltet oder seine Erregung jedenfalls soweit reduziert, daß seine magnetische Kraft niedriger ist als die Kraft der beiden Stellfedern 30 und 32. Die beiden Federn 30 und 32 drücken dann über die Ventilspindel 24, den Federteller 72, die Feder 76 und den Federteller 74 den Stell­ kolben 26 in Schließstellung, in welcher er dicht auf dem Ventilsitz 40 der Regelblende 14 aufsitzt.

Nachdem der Stellkolben 26 auf dem Ventilsitz 40 aufsitzt, wird die Spindel 24 weiter in Schließrichtung bewegt, bis der Federteller 72 unter Durchlaufen des axialen Spaltes 86 auf dem Federteller 74 aufsitzt.

Der mit der Spindel 24 fest verbundene Flachschieber 52 ver­ schiebt sich dadurch relativ zum Stellkolben 26 in die in Fig. 5 gezeigte Position. Über den Kanal 60, die Ausnehmung 68 im Flachschieber 52 und den Kanal 64 wird der Kolbenraum A oberhalb des Stellkolbens 26 vom Zulaufanschluß P her mit dem vollen Eingangsdruck beaufschlagt.

Dadurch wird der Stellkolben 26 durch die volle Betriebsdruck­ differenz auf den Ventilsitz 40 gedrückt.

Der an den Rücklauf R angeschlossene Kanal 62 im Stellkolben 26 wird, wie Fig. 5 zeigt, durch den Flachschieber 52 prak­ tisch leckagefrei geschlossen.

Bei der Rückführung des Stellkolbens 26 in die geschlossene Position wird die Kraft der zwischen den beiden Federtellern 72 und 74 angeordneten Druckfeder 76 durch die Stellfedern 30 und 32 überwunden.

Im Einlauf zur Regelblende 14 sind, wie bereits ausgeführt, ringförmige Stege 42 und dazwischenliegende Ringkanäle 44 ausgebildet. Mit Hilfe der Stege und der Ringkanäle wird beispielsweise beim Entspannen von unterkühltem Wasser eine Vorverdampfung bewirkt, die im Drosselquerschnitt des Regel­ ventiles dann eine vollständige Verdampfung bewirkt, welche ver­ hindert, daß Tropfenschläge unter hoher Geschwindigkeit die Drosselelemente beschädigen oder zerstören.

Claims (12)

1. Regelventil mit Magnetantrieb, mit einem Zulaufanschluß und einem mit einer Regelblende versehenen Ablaufanschluß, mit welcher ein mittels einer Spindel axial verstellbarer Stellkolben zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben (26) mit einer ihm zugeordneten Servo­ steuerung (50) ausgerüstet ist, durch welche die Po­ sition des Stellkolbens (26) einregelbar ist.

2. Regelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Servosteuerung (50) innerhalb des hohl ausgebildeten Stellkolbens (26) eingebaut ist.

3. Regelventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Servosteuerung (50) einen Flachschieber (52) auf­ weist, der mit der Ventilspindel (24) gekoppelt ist und durch den der Kolbenraum A oberhalb des Stellkolbens (26) mit dem Zulaufanschluß P oder dem Ablaufanschluß R ver­ bindbar ist.

4. Regelventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachschieber (52) mit einer ebenen Fläche (54) im Stellkolben (26) zusammenwirkt, in welche Kanäle (60, 62 und 64) vom Zulaufanschluß P, vom Rücklaufanschluß R und vom Kolbenraum A einmünden.

5. Regelventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachschieber (52) mittels federbelasteter Rollen (56) gegen die ebene Fläche (54) angedrückt wird.

6. Regelventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Andrückrichtung des Flachschiebers (52) gegen die ebene Fläche (54) quer zur Achse der Spindel (24) verläuft.

7. Regelventil nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der geschlossenen Stellung des Regelven­ tiles durch den Flachschieber (52) die Anschlüsse P und A miteinander verbunden sind, während der Anschluß R durch den Flachschieber (52) geschlossen ist.

8. Regelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß innerhalb des Stellkolbens (26) eine Zentriereinrichtung (70) eingebaut ist, die aus zwei die Ventilspindel (24) umgebenden Federtellern (72, 74) gebildet ist, welche durch eine Druckfeder (76) ständig axial beaufschlagt sind und die einen veränder­ baren axialen Abstand (86) voneinander haben.

9. Regelventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Federteller (72, 74) in axialer Richtung sowohl an der Ventilspindel (24) als auch am Stellkolben (26) anschlagen.

10. Regelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelblende (14) axial in Abständen mit ringförmigen Stegen (42) und dazwischenliegenden Ringkanälen (44) so­ wie mit einem separaten Ventilsitz (40) versehen ist.

11. Regelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem berührungslosen induktiven Wegaufnehmer (34) zur Messung des Weges der Ventilspindel (24) versehen ist.

12. Regelventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegaufnehmer (34) an eine elektronische Steuer­ schaltung angeschlossen ist.