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Ventilkörper mit hohler Spindel und hohlem Tellerkopf für hohe Ventilbeschleunigungen
und -verzögerungen Im Brennkraftmaschinenbau, insbesondere beim Betriebe von Verpuffungskammern,
wie sie vorzugsweise bei Verpuffungsbrennkraft# turbinen Anwendung finden, tritt
häufig die Notwendigkeit auf, die Ventile zu kühlen, um thermische und dadurch auch
mechanische Überbeanspruchungen der Werkstoffe zu verhüten, aus denen die Vehtilkörper
bestehen. Demgemäß müssen Spindel und Tellerkopf derartiger Ventile hohl, ausgeführt
werden, um das Kühlmittel über die Hohlspindel in den Hohlraum des Tellerkopfes
ein- und aus ihm wieder abführen zu können. Es erscheint naheliegend, einen derartigen
Hohlkörper-in einfachster Weise mittels eines Gießverfahrens herzustellen. Derartige
gegossene Ausführungen der Ventilkörper besitzen aber eine zu geringe Festigkeit,
um den hohen- Wärme-und Stoßbeanspruchungen, die auf den Ventilkörper zur Einwirkung
kommen, widerstehen zu können. Demgemäß kommen nur Ausführungen in Betracht, bei
denen die Hohlräume der Spindel und des Tellerkopfes durch mechanische Bearbeitung
des Rohlings erzeugt werden. Das kann in besonders einfacher Weise dadurch geschehen,
daß Ventilspindel und Tellerkopf unabhängig voneinander hergestellt und nach der
Innenbearbeitung miteinander verschraubt und/oder verschweißt werden. Es erfolgt
also die Innenbearbeitung des Telf#rkopfes durch eine Öff-
nung, die nachträglich
durch die angesetzte Ventilspindel verschlossen wird. Mit der Begründung jedoch,
daß man hochbeanspruchte Maschinenteile nach Möglichkeit nicht aus mehreren Teilen
zusammensetzen soll, ist es auch schon bekanntgeworden, bei hohlen Tellerventilen,
die mit einer wärmeausgleichenden Füllung versehen werden sollen und bei denen die
Höhlung für die Füllung von
der Tellei#seite her beim Stauchen oder
Schmieden des Tellers oder nachher durch spanabhebende Bearbeitungen gebildet und
nach Anbringung der Füllung abgedeckt wird, am Teller einen ringförrnigen Kranz
vorzuformen und diesen nach Anbringung der Füllung nach innen umzulegen und an seinem
Schlußpunkt zu verschweißen. Diese Ventilausbildung hat bereits, wie man jetzt festzustellen
vermag, den Vorteil, daß die Verbindungsstelle zwischen Ventilkopf und, Ventilspindel
in Fortfall kommt, die, wie zahlreiche Beobachtungen gezeigt haben, in besonders
erhöhtem Ausmaße Bruch- und Rißgefahren ausgesetzt ist, selbst wenn sie in sorgfältigster
Weise und unter Ausnutzung aller Hilfsmittel der Technik hergestellt wird.
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Während nun eine derartige Anordnung g e eignet g ist, den im allgemeinen
auftretenden Beanspruchung,en auch im Dauerbetrieb zu
widerstehen, hat die
Verpuffungskammertechnik zu Belastungsfällen Anlaß ge 'geben, bei denen die bekanntgewordenen
Ventilkörperausbildungen nicht mehr ausreichen, um allen Beanspruchungen ohne Werkstoffgefährdung
zu widerstehen. Ein derartiger Belastungsfall tritt beispielsweise an den Düsenventilen
der Verpuffungskammern auf. Bei diesen Ventilen kommt es darauf an, in möglichst
kurzen Zeitspannen einen Querschnitt freizugeben, der größer ist als der engste
Querschnitt der dem Düsenventil zugeordneten Düse oder Düsen. Die hierzu erforderlichen,
ungewöhnlich hohen Beschleunigungen verwirklicht man unter weitgehender Vereinfachung
der Ventilstetierung dadurch, daß der hohe Druck, unter dem die Verbrennungs-,aase
nach beendeter Verpuffung stehen, auf eine Einflußfläche des Ventils zur Einwirkung
gebracht wird. Man erreicht auf diese Weise zwar die erforderlichen,' in der Techt
nil z sonst unbekannten Ventilbeschleunigungen, muß es aber in Kauf nehmen, daß
beim Wiederabfangen der sich als Folge der.Beschleunigungen einstellenden hohen
Ventilkörpergeschwindigkeiten entsprechend starke I lb Verzögerungen auftreten.
Es hat sich dabei gezeigt, daß nicht nur die bereits obenerwähnten Bruch- und Rißerscheinungen
an der Verbindungsstelle- zwischen Ventilkopf und Ventilspindel bei mehrteiliger
Ausbildung des #lentils auftreten, sondern daß auch die bekanntgewordene und obenerwähnte
einteilige Ausbildung des Ventils noch nicht ausreicht, tirn die auftretenden Beanspruchungen
beherrschen zu können. Die auftretenden Bruch-und Rißerscheinungen sind dabei, wie
eingehende Untersuchungen bewiesen haben, ZD weniger auf die Wärme- und Stoßbeanspruchungen
als darauf zurückzuführen, -daß z# die belasteten Teile des Ventils bei den hohen
Beschleunigungen und Verzögerungen durch die Massenkräfte des Ventilkörpers und
vor allein durch diejenigen des Kühlmittels unzulissig hoch belastet werden. Das
trifft vorzugsweise für den Tellerboden zu, der durch die )Jassenkräfte des Kühlmittels
periodisch und nach beiden Richtungen ständig starken Formänderungen unterworfen
wird, so daß die Schweißstelle nicht nur hohen Biegungsbeansprticliungen unterworfen
wird, ondern auch sehr bald ermüdet.
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Unzulässig hohe Beanspruchungen durch freie.Nlassenkräfte sind auch
dann zu befürchten, wenn gemäß früheren Vorschlägen die Ventiltellerböden als Ganzes
in den entsprechend ausgebildeten Ventilkörper eingeschraubt oder eingeschweißt
sind.
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.Ausgehend von diesen Erkenntnissen ist es bereits vorgeschlagen worden,
bei Ventilkörpern mit hohler Spindel und hohlern Tellerkopf für hohe, vorzugsweise
bei den Düsenhiid Auslaßventilen von Verpuffungskaniniern für Brennkraftturbinen
auftretende Ventilbeschleunigungen und -verzögertingen, die Ventilspindel zum Hohlraurn
des Ventilköpfes zu rohrstutzenförmig zu verlängern, so daß ein Widerlager entsteht,
an dein der aus einem kragenartigen Ansatz des Ventilkopfrückens gebildete Ventiltellerboden
anliegt, wobei der kaum zwischen Widerlagerstirnfläche und Tellerkopfbegrenzung
durch die -Mitte des Ventiltellerbodens bildendu Schweiße ausgefüllt sein kann.
Eine derartige Bauart erreicht zwar den Vorteil, daß der Tellerkopfboderi des Ventils
von allen Wechselbeanspruchungen weitestgehend entlastet ist, führt aber zu der
Notwendigkeit, aus dein bereits erwähnten kragenartigen Ansatz des Ventilkopf rückens
den Ventiltellerboden durch einen Kümpelungsvorgang herstellen zu müssen. weil ohne
diese Maßnahme die rolirstutzenförinige Verlängerung der Spindel eine Innenbearbeitun&
des Tellerkopfes unmöglich machen würde. Ein derartiger Kürnpelungsvorgang ist aber
nicht nur verhältnisinäßig umständlich und kostspielig, sondern kann auch im allgemeinen
nur von erfahrenen Arbeitern durchgleführt werden, wenn man nicht die Gefahr von
Überbeanspruchungen des Werkstoffes und damit die Möglichkeit des Auftretens von
Rissen und Brüchen in Kauf nehmen will. Dazu kommt der nachteilige Umstand, daß
man zur Verineidun- von Faltungs- und Verwerfungserscheinungen den inneren Durchmesser
des umgekümpelten Kragens nicht unter einem bestimmten Mindestwert bemessen kann,
so daß man mit dem Rand des umgekümpelten Kragens nicht wesentlich über die Widerlagerstirnfläche
in der Richtung zur Ventilachseliinatisgehenkann. Dadurchwirdaberein
verhältnismäßig
großes Volumen an Schweiße erforderlich, das nicht -erwünscht ist, trotzdem es an
sich gelingt, die Schweiße in dem Zwischenraum zwischen Kragenrand und Widerlagerstirnfläche
vor allen Beanspruchungen gesichert unterzubringen.
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Die bei dieser Sachlage vorliegender Erfindung gestellte Aufgabe,
unter Beibehaltung der grundsätzlichen Vorteile des einheitlichen Zusammenhanges
zwischen Tellerkopfboden und Ventilspindel und der Abstützung des el Ventiltellerkopfbodens
an der Ventilspindel das Ventil so auszubilden, daß der Kümpelungsvorgang mit seiiien
Nachteilen in Wega fall kommt, wird dadurch gelöst, daß bei einem Ventilkörper mit
hohler Spindel und hohlem Tellerkopf, bei dem eine die Innenbearbeitting der Ventilhohlräume
ermöglichende Öffnung des Tellerkopfbodens bei fertiggestelltem Ventil verschlossen
ist, erfindungsgemäß der die Öffnung des Ventiltellerbodens verschließende Ventilteil
als gesondertes, den Tellerkopfboden mit der Spindel verankerndes Verschlußstück
ausgebildet ist. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, zunächst die Innenbearbeitung,
gegebenenfall's auch die Herstellung der Ventilhohlräume ohne Behinderung durch
das Verschlußstück bzw. ohne Behinderung durch das dem Verschlußstück entsprechende,
rohrstutzenförmig vorgezogene Spindelende bei der bereits vorgeschlagenen Ausführung
durchzuführen, ohne diese Möglichkeit künstlich dadurch zu schaffen, daß zunächst
der Ventiltellerboden in der Form eines kragenartigen Ansatzes des Ventilkopfrückens
erscheint, aus dem er erst mittels eines Kümpelungsvorganges herstellbar ist.
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Zweckmäßig ist das Verschlußstück durch Gewinde gleicher Gangzahlen
sowohl in die hohle Ventilspindel als auch in den hohlen Tellerkopfboden eingeschraubt,
wobei Verschlußstück und Tellerkopfboden zusätzlich verschweißt sein können. Auf
diese Weise wird eine völlig sichere Befestigung des Tellerkopfbodens nach jeder
Richtung hin erzielt, so 'daß es gleichgültig ist, in welcher Richtung die Beschleunigungen
und Verzögerungen auftreten. Durch die zusätzliche Verschweißung des Verschlußstückes
mit dem Tellerkopfboden wird dabei nicht nur eine zuverlässige Abdichtung erzielt,
sondern auch erreicht, daß sich bei einem Erkalten der Schweiße Ventilkopfboden
und Verschlußstück in radialer Richtung so fest zusammenziehen, daß das Gewinde
einen ganz sicheren Kraftschluß erzeugt.
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Die neue Ausbildung des Ventils gibt die weitere Möglichkeit, das
den Ventiltellerboden mit der Ventilspindel verankernde Verschlußstück, das durch
die ihm zuerteilten neuen Aufgaben verhältn*ismäßig groß ausfällt und infolge seines
hohen Wärmeaufaahmevermögens nicht nur oberflächlich gekühlt werden kann, einer
kräftigen Durchflußkühlung zu unterwerfen. Demgemäß kennzeichnen sich die Ventilkörper
in weiterer Ausbildung der Erfindung dadurch, daß das den Ventiltellerboden mit
der Ventilspindel verankernde Verschlußstück durch Anschluß in ihm vorgesehener
Ausnehmungen an die Kühlmittelzuleitung sowie an die Kühlräume der Ventilspindel
und des Ventiltellers unter Verbindung dieser Räume untereinander und Umlenkung
sowie Führung des Kühltnittels am Tellerkopfboden vorbei gekühlt ist. Es ist zwar
bereits bekanntgeworden, durch unmittelbare Ausmündung der Spindelbohrung in den
Kühlraumdes Ventiltellers den Tellerkopfboden zu kühlen. Diese Wirkung ergibt sich
aber erfindungsgemäß bereits als erwünschte Folge der oben im einzelnen gekennzeichneten
Kühlung des Verschlußstückes. Das Verschlußstück, das den Ventiltellerboden und
die Ventilspindel verbindet, erleichtert gleichzeitig die Ausbildung einer Führung
für das offene Ende einer von der hohlen Ventilspindel umschlossenen Kühlmittelleitung,
das zweckmäßig in dieser Führung gleitend gelagert und_ am andereft Ende befestigt
ist, um jederzeit die Auswechslung der Kühlmittelleitung zu ermöglich##i-i.
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Die Zeichnund zeigt - eine beispielsweise Ausführung des Erfindungsgedankens
am Längsschnitt durch den Ventilteller eines Düsenventils für Verpuffungsbrennkraftturbinen.
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In der Zeichnung bedeutet i die Ventilspindel, die bei 2 den Rücken
des Ventilkopfes bildet bzw. in ihn übergeht. Der Ventilkopfrücken 2 geht auf der
anderen Seite des Ventiltellers in den Ventilkopfboden 3 über. Das gezeichnete
Ausführungsbeispiel zeigt dabei die Ausbildung des Ventilsitzes bei 4; der Ventilsitz
könnte ebenso auf der anderen Seite bei 4' angeordnet sein. Beim fertiggestellten
Ventil ist im inneren Hohlraum 5 des Ventilkopfes ein Verschlußstück
6 angeordnet, das eine Öffnun- 7 verschließt, die vorher zur Bearbeitung
der den Hohlraum 5 begrenzenden Innenwandungen des Ventilkopfes, gegebenenfalls
sogar zur Herstellung dieser Hohlräume gedient hatte, Das Verschlußstück
6 ist dabei sowohl in die Öffnung 7 als auch in die Öffnung
8, die zwischen den Hohlräumen der Ventilspindel und des Ventiltellers liegt,
über Gewinde eingeschraubt. Beide Gewinde haben die gleiche Gangzahl; sie besitzen
nach dem gezeigten Ausführungsbeispiel verschiedene Durchmesser. Es besteht aber
ohne weiteres die Möglichkeit, beiden Gewinden den gleichen
Durchmesser
zu geben, während es wesentlich ist, daß beide Gewinde die gleiche Gangzahl
je Maßeinheit besitzen. Durch diese Art der Befestigung bildet- dä-s--Ve-rs#hfu-ßsti#c-lz
-6eine Verankerung, über die der Tellerkopfboden 3
an der Spindel i so abgestützt
ist, daß der Ventiltellerboden auch während außergewöhnlich starker Beschleunigungen
und Verzögerungen des Ventils vor fühlbaren Formveränderungen bewahrt und so die
Verbindungsstelle und das Verschlußstück des Ventilbodens vor allen Verformungen
geschützt sind. Die Vermeidung der Verformungen ist nämlich deshalb besonders wichtig,
weil zür Erzielung einer bei den auftretenden hohen Temperaturen unbedingt zuverlässigen
Ab-
dichtung das Verschlußstück 6 mit dem Ventiltellerboden bei
8' zweckmäßi- zu verschweißen ist. Es hat sich aber immer wieder gezeigt,
daß derartige Schweißstellen zu Störungen Anlaß geben, wenn die Schweiß-t,
el stelle der Möglichkeit von Formveränderungen ausgesetzt wird. Diese Gefahr ist
erfindungsgemäß nicht nur völlig beseitigt worden, sondern gleichzeitig schrumpft
die Schweißstelle auf eine einfache Ringnut zusammen, während nach den früheren
Vorschlägerr eine plattenförmige Ausbildung verhältnismäßig großer Ausdehnung erforderlich
wurde. Das Verschlußstück 6 wird auf eine Schulter am Übergang zwischen Spindel
i und Ventilkopfrücken 2 mittels eines Vierkantes io aufgeschraubt, der später entfernt
wird. Auf diese Weise wird eine feste Verspannung des Verschlußstückes
6 gegen den Teil 1, 2, 3 in Achsenrichtung erreicht. Dadurch,
daß sich die Schweißnut 8' beim Erkalten zusammenzieht, werden auch Ventiltellerbodell
3 und Verschlußstück 6 radial fest zusammengezogen, so daß nicht nur
eine Verspannung in Achsenrichtung, sondern auch in radialer Richtung erzielt wird.
Auf diese Weise entsteht eine völlig starre, unmittelbare Verbindung zwischen Ventilspindel
i und Ventiltellerboden 3, die jegliche Verforinung des Ventiltellerbodens unter
den hohen Beschleunigungs- und Verzögerungskräften ausschließt. Dadurch ist die
Schweißnut 8' von allen Wechselbeanspruchungeil befreit. womit die Ursache
von Störungen und Undichtig- zi keiten in Wegfall gebracht worden ist.
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Das Verschlußstück 6 weist vorteilhaft eine Bohrung i i auf,
in der das freie Ende der - Kühlmittelführungsleitung 12 mit Gleitsitz aufgenommen
ist. Bohrungen 13 und i-1 im Verschlußstück geben die Möglichkeit, das Kühlmittel
an den zu kühlenden Wandungen des Ventiltellerbodens 3 entlang zu führen
und es durch den Zwischenraum 15 zwischen Ventilspindil i und Kühlmittelzufuhrleitung
12 abzuführen.
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Die Zeichnung läßt erkennen, daß das als Anker ausgebildete Verschlußstück
6 den Ventiltellerboden 3 und die Schweißnut g' vor den Auswirkungen
freier Massenkräfte völlig schützt, so daß das erfindungsgeinäß ausgebildete Ventil
ohne die geringsten 'Mängel im Dauerbetrieb den Beanspruchungen 'zu widerstehen
vermag, denen es beispielsweise als Düsen- und Auslaßventil von Verpuffungskaimnern
in besonders hohem Maße ausgesetzt ist.