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Überdrucksicherheitsventil Die Erfindung bezieht sich auf ein Überdrucksicherheitsventil
od. dgl. mit einer Teller-bzw. Kegelsitzabsperrung, die unter Belastung entsprechend
dem Abblasedruck selbsttätig öffnet. Diese Ventile arbeiten bei ungünstigen Betriebsverhältnissen
oft stoßweise, wodurch die zunächst einwandfreie Abdichtung im Betrieb schnell verschlechtert
wird. In Rücksicht darauf muß der Abblasequerschnitt möglichst klein gehalten werden.
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Bei Sicherheitsventilen in Form eines Zylinderkolbens treten Flattererscheinungen
des als Ventilkörper dienenden Kolbens im allgemeinen nicht auf. Eine einwandfreie
Abdichtung ist jedoch nur durch einen mit geringstem Spiel eingeschliffenen Kolben
möglich, anderenfalls entstehen Leckverluste. Je hochwertiger die Kolbenzylinderpassung
ist, um so größer wird andererseits die bei Sicherheitsventilen besonders beachtliche
Gefahr, daß der Kolben klemmt, insbesondere bei Temperaturunterschieden zwischen
Zylinder und Kolben bzw. bei Temperaturschwankungen überhaupt.
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Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, ein Kegelsitzventil kleineren
Durchmessers mit einem größeren glockenfärmigen Prallteller zu versehen, der nach
Art eines Ringmantelkolbens die in der Wandung eines über dem Abschlußkegel angeordneten
Zylinders
sitzenden Abblaseöffnungen steuert. Die mit dieser Bauart
bezweckte Verstärkung der Strahlkraft des abblasenden Dampfes setzt voraus, daß
bei Öffnungsbeginn am Kegelsitz auch bereits der Ringmantelkolben den Ausgang ins
Freie öffnet. Entsprechend besitzt der Ringmantel des Kolbens Durchtrittsöffnungen,
die den Austritt des am Kegelsitz abblasenden Dampfes unmittelbar bei Kegelöffnung
gestatten. Der Querschnitt dieser Abblaseöffnungen wird sogar mit zunehmendem Kegelhub
verkleinert, um die Druckwirkung des abblasenden Dampfes auf die Prallglocke (Kolben)
zu steigern. Eine solche Bauart kann das Flattern des Kegels auf seinem Sitz nicht
verhüten; es ist sogar wahrscheinlich, daß dieser Nachteil durch die unmittelbar
nach der Kegelsitzöffnung eintretende Druckstauung unter der Prallglocke vergrößert
wird.
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Die Erfindung vermeidet die Nachteile der bekannten Bauart dadurch,
daß bei einem Überdrucksicherheitsventil mit Kegel- bzw. Tellersitzabschluß und
nachgeschaltetem, die Abblaseöffnungen steuerndem Kolbenschieber die vom Kegelventil
zum Kolbenschieber sich erstrechende und nicht unterbrochene wirksame Druckfläche
des Kolbenschiebers mit ihrer die Abblaseöffnungen freigebenden Steuerkante im geschlossenen
Zustand des Kegelventils so weit unter den Abblaseöffnungen sitzt, daß beim öffnungs-
und Schließvorgang eine Belastungsabstufung von der wirksamen Druckfläche des Kegelventils
zu der wirksamen Gesamtdruckfläche des Kolbenschiebers bei geöffnetem Kegelventil
erfolgt die durch eine angepaßte Charakteristik der Schließfeder einen Zwischendruckzustand
ermöglicht, der ein Flattern des Ventils am Kegelsitzabschluß verhindert. Angenommen,
der Öffnungsdruck p betrage 2o kg/cm2, die Druckfläche f l des Kegels bei geschlossenem
Ventil sei 1 cm2 und die Gesamtdruckfläche f2 des Kolbens betrage 1,2 cm2. Die Schließfeder
besitze bei geschlossenem Kegelsitzventil eine Kraft p - f1 = 2o kg.
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Wird nun der Ventilkegel bei einem auf seine Fläche f1 wirkenden Druck
von p = 2o kg/cm2 angehoben, so gelangt der gleiche Druck auf die Gesamtfläche f'=
des Kolbenschiebers und hebt diesen mit der Kraft f2 . p= 1,2. 20 = 24 kg an, und
zwar so weit, bis die untere Steuerkante des Kolbenschiebers die Abblaseöffnungen
erreicht. In dieser Stellung befindet sich der auf die Kolbenfläche wirkende Druck
im Gleichgewicht mit der entgegengesetzt wirkenden Schließkraft der Feder. Bei weiterem
Anstieg des Druckes wird die Feder weiter zusammengedrückt, und das Ventil bläst
ab.
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Fällt nun nach Freigabe dieser, Abblaseöffnungen der Druck unter dem
Kolbenschieber ab, so werden bei einem Druck von 20 kg/cm2 die Abblaseöffnungen
durch den Kolbenschieber gerade wieder abgesperrt, jedoch kommt der Ventilkegel
-zunächst noch nicht zum Abschließen auf den Ventilsitz. Diese Stellung kann vielmehr
erst erreicht werden, wenn der auf die Kolbenschieberfläche f2 wirkende Druck so
weit gesunken ist, daß er der bei der unteren Stellung des Kolbenschiebers wirksamen
Federkraft von 2o kg das Gleichgewicht hält. Diese Bedingung wird erfüllt bei einem
Druck von p1 = 16,6 kg/cm2, wo alsdann p1- f2 = 16,0- 1,2 =
2o kg ist.
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Das Kegelsitzventil wird also im Beispielsfall bei Druckschwankungen,
die um den Abblasedruck von 2okg/cm2 in beiden Richtungen spielen, jedoch dabei
nicht unter 16,6 kg/cm2 absinken, keine Flattererscheinungen zeigen, d. h. nicht
zum Aufsitzen bzw. -schlagen auf seinen Sitz kommen.
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Die Vorschaltung des Kegelsitzventils mit seiner einwandfrei dichten
Absperrung erlaubt die Anwendung einer zwar dichten, aber praktisch reibungs- und
klemmungsfreien Passung des Kolbenventils, so daß Reibungserscheinungen auch bei
Temperaturschwankungen vermieden werden. Andererseits bewirkt die Einschaltung des
Kolbenschieberventils hinter dem Kegelsitzventil ein ruhiges stoßfreies Arbeiten
des Ventilkegels, so daß die dichte Absperrung an dieser Stelle nicht vorzeitig
verschlechtert wird. Je nach den Betriebsverhältnissen kann es zweckmäßig sein,
den Öffnungswiderstand des Teller- bzw. Kegelsitzventils etwas kleiner oder größer
zu bemessen als denjenigen des Zylinderkolbenventlls.
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Die Vereinigung der beiden Ventilbauarten läßt sich dadurch baulich
vereinfachen, daß das Absperrorgan des Teller bzw. Kegelsitzventils mit dem Kolben
des Zylinderkolbenventils zu einer Baueinheit zusammengefaßt, d. h. gegebenenfalls
aus einem Stück hergestellt wird. Es ist bekannt, bei Durchflußmengenregtern vor
oder hinter die Kegelsitzventilabsperrung ein Drosselorgan in Form eines Kolbens
anzuordnen, der mit einem dem Drosselquerschnitt entsprechenden Spiel in dem an
den Ventilsitz anschließenden Zylinder sitzt und mit dem Kegelsitzabsperrorgan eine
Baueinheit bildet. Eine solche Anordnung ist für Sicherheitsventile nicht brauchbar,
weil eine Drosselung des Abblasequerschnitts nach der Öffnung des Ventils im Gegensatz
zu den Betriebsbedingungen eines Sicherheitsventils steht.
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Der Öffnungswiderstand beider Ventile kann insbesondere bei der gekennzeichneten
Vereinigung der Absperr- bzw. Steuerorgane zu einer Baueinheit durch eine für beide
Ventile
gemeinsame Belastungsfeder dadurch geregelt bzw. wahlweise eingestellt werden, daß
die Feder eine dem hintereinandergeschalteten Öffnungsweg der beiden Ventile angepaßte
Charakteristik erhält. Gewünschtenfalls kann das Kegelsitzventil alsdann auch etwas
unter Abblasedruck eingestellt werden, so daß das Kolbenventil erst nach überwindung
des zusätzlichen Widerstandes über einen gewissen Steuerweg die eigentlichen Abblaseöffnungen
freigeben würde.
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Das Kolbenventil gibt erst nach vollem Öffnungshub des Kegelsitz.ventils
die eigentlichen Austrittsöffnungen frei. In dieser Stellung ist auch der Ventilkegel
des Kegelsitzventils aus dem Abblasequerschnitt herausgeführt. Durch Vergrößerung
des Kolbenquerschnitts gegenüber dem Kegelsitzventilquerschnitt und durch entsprechende
Gestaltung der Austrittsöffnungen, derart, daß der Kolben kurz nach Öffnungsbeginn
bereits einen Abblasequerschnitt in der Größe des Kegelsitzdurchgängs freigibt,
kann dafür gesorgt werden, daß nach dem Durchströmen des Kegelsitz.ventils praktisch
keine Drosselung der Abblasemenge mehr eintritt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im .senkrechten
Mittelschnitt -durch ein -federbelästetes Sicherheitsventil dargestellt.
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Im Gehäuse r ist zwischen dem Eintrittsstutzen 2 und dem Austrittsstutzen
3 der Ventilsitz q. eingedichlet, der nach oben in einen Zylinder 5 übergeht, in
dessen Wandung die Abblaselöcher 6 angeordnet sind. In dem Zylinder 5 sitzt ein
langer topfförmiger Kolben 7, der mit mäßigem Spiel eingeschliffen ist und dessen
Boden einen Ventilkegel 8 für den Ventilsitz q. bildet. Der Ventilsitz q. ist im
Durchmesser kleiner gehalten als der Durchmesser des Kolbens 7. Im Hohlraum des
topfförmigen Kolbens 7 greift eine Druckspindel 9 zentrisch am Innenboden des Kolbens
7 an; sie stützt sich oben an dem Federteller ro ab, der den Zylinder 5 des Ventilsitzes
q. haubenartig umgreift. Der zweite, ebenfalls haubenförmig gestaltete Federteller
r z stützt sich an der Gewindespindel 12 ab, die im Gehäusedeckel 13 des Ventils
verstellbar und durch eine Gegenmutter 1q. feststellbar ist. Zwischen den Federtellern
ro und II ist die Wendelfeder 15 angeordnet. Eine Verlängerung 16 der Druckspindel
9 führt die Druckspindel 9 axial in einer entsprechenden Bohrung 17 der Gewindespindel
12.
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Im Ruhezustand des Ventils drückt die Feder 15 über den Federboden
ro und die Druckspindel 9 den Kolben ;7 mit seinem am unteren Ende befindlichen
Ventilkegel 8 gegen den Ventilsitz q. und schließt das Ventil dicht ab. Der Belastungsdruck
der Feder 15 entspricht hierbei etwa dem gewünschten Abblasedruck. Bei Überschreiten
des eingestellten Druckes wird zunächst der Ventilkegel 8 von seinem Sitz q. abgehoben
und gleichzeitig der Kolben 7 nach oben verschoben. Nunmehr wirkt der im Eintrittsstutzen
2 herrschende Druck auf die gesamte äußere Bodenfläche des Kolbens 7. Die Charakteristik
der Wendelfeder 15 ist so gewählt, daß der Schließdruck bei geschlossenem Kegelsitzventil
4, 8 zunächst dem auf den Ventilsitzquerschnitt 4. wirksamen Druck des Betriebsmittels
das Gleichgewicht hält; 'bei geöffnetem Kegelsitzventil und entsprechendem Hub des
Kolbens 7 nach oben bis zum Beginn der Abblaseöffnung 6 steigert sich der Schließdruck
der Feder 15 entsprechend der größeren; unter Betriebsmitteldruck stehenden Stirnfläche
des Kolbens 7 bis zum Abblasedruck. Durch die Gewindespindel 12 kann die Spannung
der Wendelfeder 15 verändert und damit dem jeweils gewünschten Abblasedruck angepaßt
werden.
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Wenn der im Eintrittsstutzen 2 herrschende, auf die freie Fläche des
Ventilsitzes 4 wirksame Druck den eingestellten Vordruck überschreitet, wird der
Ventilkegel 8 von dem Ventilsitz 4. abgehoben. Das Betriebsmiltel kann jedoch zunächst
noch nicht ins Freie austreten, weil der im Zylinder 5 eingeschliffene Kolben 7
noch abdichtet. Unmittelbar nach dem Abheben des Ventilkegels 8 wirkt jedoch der
Abblasedruck auf die gesamte Stirnfläche des Kolbens 7 und hebt diesen entsprechend
der festgelegten Charakteristik der Wendelfeder 15 so weit an, daß die Abblaseöffnungen
6 freigegeben werden. Bei einem kurz darauf eintretenden Druckabfall schließt der
Ventilkegel 8 jedoch nicht sofort wieder; vielmehr wird der Kolben 7 nur verhältnismäßig
wenig abwärts gleiten, weil er zunächst noch auf seiner gesamten Stirnfläche vom
Betriebsmitteldruck belastet wird. Es ergibt sich daraus, daß der Ventilkegel 8
nicht sofort auf seinen Sitz q. aufschlagen. wird, so daß damit das geräuschvolle
und die Lebensdauer des Ventils verkürzende Flattern vermieden wird. Vielmehr wird
der Kolben 7 mit seinem Ventilkegel 8 nur leicht um die Stellung spielen, bei der
die Abblaseöffnungen 6 gerade abgeschlossen bzw. freigegeben werden. Erst wenn der
Betriebsmitteldruck stärker abfällt, wird der Ventilkegel 8 auf dem Ventilsitz q.
absperren und alsdann eine vollkommene Abdichtung des Ventils gewährleisten.
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Da bei der erfindungsgemäßen Ausführung vor Erreichen des Abblasedruckes
ein sicheres Abdichten des Ventils durch den auf dem Ventilsitz q. eingeschliffenen
Ventilkegel 8 erreicht wird, kann der Kolben 7 ein größeres
Spiel
in dem Zylinder 5 erhalten, womit ein Klemmen des Kolbens ;7 vermieden wird. Da
der äußere Durchmesser des Kolbens 7 größer ist als der lichte Durchmesser des Ventilsitzes
4, ist es möglich, die Abblaseöffnung 6 so breit auszuführen, daß bei einem geringen
Überschreiten der Stellung, in der die Abblaseöffnungen 6 gerade freigegeben werden,
bereits ein verhältnismäßig großer Querschnitt freigegeben wird. Dadurch ist es
möglich, zu erreichen, daß nach Überschreiten des Abblasedruckes bei einer geringen
weiteren Drucksteigerung und einem dementsprechend geringen Hub des Kolbens 7 große
Luft- bzw. Flüssigkeitsmengen abgeführt werden können.