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Uberdruckventil für Kolbenpumpen und Wasserkraftkolbenmaschinen mit
Schiebersteuerung Bei den Kolbenpumpen mit Schiebersteuerung, in denen der den Kolben
umgebende Schieber den Hubraum bereits vor Beendigung des Druckhubes abschließt,
muß Vorsorge getroffen werden, daß übermäßige Druckanschwellungen im Hubraum, hervorgerufen
durch das vorzeitige Schließen des Druckkanals während des Druckhubes, vermieden
werden. Das Entstehen eines unzulässig hohen Überdruckes kann verhindert werden
durch Hilfsventile, sogenannte Überdruckventile, die entweder in der feststehenden
Wandung des Hubraumes oder in der Schieberwandung oder im Kolben oder an allen drei
Stellen gleichzeitig angeordnet sind, und die dem vom Kolben verdrängten Wasser
einen Ausweg freigeben nach dem Saug- oder Druckraum der Pumpe.
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Am zweckmäßigsten werden die Überdruckventile zwischen Hub- und Saugraum
der Pumpe angeordnet, weil dann der volle Druckunterschied zwischen Druck-und Saugraum
für die Erzeugung der Spaltgeschwindigkeit ausgenutzt wird, nur verhältnismäßig
kleine Durchflußquerschnitte auszuführen sind und reichlich Zeit für das Schließen
des Ventils zur Verfügung steht.
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Die Überdruckventile arbeiten, ähnlich wie die Pumpenventile, dauernd,
d. h. öffnen und schließen einmal während jeder Umdrehung der Kurbel, aber unter
anderen Bedingungen. Das Pumpenventil öffnet und schließt, wenn der Kolben die Totlagen
erreicht hat, also unter dem Einfluß sehr geringer Kolbengeschwindigkeiten, und
ist so durch Federn belastet, daß in jeder Stellung des Ventils nahezu Gleichgewicht
zwischen den hydraulischen und Federkräften besteht und nur geringe Kräfte für die
Beschleunigung des Ventils vorhanden sind, die keine gefährlichen, zu schneller
Abnutzung führenden Geschwindigkeiten des Ventils erzeugen können.
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Das Überdruckventil dagegen muß so stark durch
Federn
oder sonstwie belastet sein, daß es während der ersten Hälfte des Kolbenhubes durch
den Förderdruck des Hubraumes nicht geöffnet werden kann. Es soll erst geöffnet
werden in der zweiten Hälfte des Kolbenhubes durch den Überdruck, der im Hubraum
durch das vorzeitige Abschließen des Druckkanals mittels des Schiebers bei beträchtlicher
Kolbengeschwindigkeit entsteht. Angenäherte Gleichheit zwischen hydraulischen und
Federkräften ist dann nicht vorhanden; es muß vielmehr ein bedeutender Überschuß
an hydraulischer Kraft über die Federkraft auf das Ventil ausgeübt werden, damit
dasselbe in sehr kurzer Zeit seinen vollen Hub erreicht. Hiernach ist es zweckmäßig,
daß die Federkraft schwach ist, damit ein geringer hydraulischer Überdruck erforderlich
ist für die schnelle Öffnung des Ventils. Unmittelbar nach der vollen Öffnung des
Überdruckventils sinkt infolge der Eröffnung des Saugkanals durch den Schieber der
Überdruck des Hubraumes auf die Saugspannung; es besteht dann kein Gleichgewicht
zwischen hydraulischen und Federkräften an dem Ventil, sondern ein um so größerer
Überschuß an Federkraft, je stärker dieselbe ist. Da diese überschüssige Federkraft
das Ventil viel mehr beschleunigt, als für den rechtzeitigen Abschluß erforderlich
ist und dadurch die Haltbarkeit des Ventils gefährdet wird, muß auch aus diesem
Grunde die Federbelastung des Überdruckventils möglichst schwach gehalten werden.
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Aus diesen Überlegungen folgt, daß das gewöhnliche Ring- oder Tellerventil
als Überdruckventil ungeeignet ist, da die den Sitzquerschnitt überdeckende Ventilfläche
dem Flüssigkeitsdruck des Hubraumes eine viel zu große Angriffsfläche bietet und
zur Anbringung viel zu starker Federn zwingt. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist ein Überdruckventil, daß bei beliebig geringer Federkraft gegen den normalen
Förderdruck im Hubraum sicher abdichtet, schnell öffnet, rechtzeitig und mit mäßiger
Geschwindigkeit schließt, recht leicht ist und in beliebiger Größe ausgeführt werden
kann.
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Die Erfindung soll an Hand der Abb. i und 2 beschrieben werden. i
ist die Wandung zwischen Hub-und Saugraum der Pumpe. Das Ventil besteht aus dem
kolbenförmigen Teil 2 mit dem schwächeren zylindrischen Ansatz 3. Der Kolben 2 gleitet
abgedichtet in der Laufbüchse4 und gibt- beim Anheben Schlitzes in der Laufbüchse
4 frei, an die sich Kanäle 6 in dem Ventilgehäuse 7 anschließen. Der Ansatz 3 gleitet
abgedichtet in dem Deckel 8, der das Ventilgehäuse 7 gegen den Saugraum abschließt.
Mit dem Ventilsitz 9 ist durch radiale Rippen io ein Gehäuse ii verbunden, das in
Verbindung mit dem ringförmigen Ansatz 12 an dem Kolbenkörper 2 und dem Ventil 13
als Flüssigkeitsbremse für das schließende Ventil dient. 14 ist ein Federteller,
welcher die Kraft der Feder 15 auf den Zylinder 3 und damit auf den Kolben 2 überträgt.
Die Flüssigkeitsbremse kann auch an dem Federteller 14 angebracht werden. Feder
15 wird von der Brille 16 angepreßt, die von den Schrauben 17 gegen den Deckel 8
und das Gehäuse 7 gezogen wird.
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Die Wirkung des beschriebenen Überdruckventils ist folgende. Die Feder
15 ist so bemessen, daß der Förderdruck in der ersten Hälfte des Kolbenhubes, der
nur auf die Fläche des kleinen Kolbens 3 und einen Teil der ringförmigen Sitzfläche
des Kolbens 2 wirkt, da in dem scheibenförmigen Teil des Kolbens 2 Ausgleichöffnungen
18 vorgesehen sind, das Ventil nicht anheben kann. Durch die Wahl des Durchmessers
des Kolbens 3 wird die Stärke der Feder 15 bestimmt. Durch den Überdruck auf Kolben
3 in der zweiten Hälfte des Druckhubes des Kolbens beim vorzeitigen Schließen des
Druckkanals durch den Schieber wird die Feder 15 zusammengedrückt und werden die
Schlitze 5 und 6 freigegeben, so daß unter dem Einfluß der Druckdifferenz im Hub-
und Saugraum das vom Kolben verdrängte Wasser in den Saugraum entweichen kann. Unmittelbar
nach dem Abschluß des Druckkanals öffnet der Schieber den Saugkanal, so daß auf
den Kolben 3 in beiden Richtungen die Saugspannung wirkt und der Kolbendruck auf
die Feder 15 plötzlich aufhört. Die ganze Federkraft beschleunigt nunmehr das Ventil
2 und schleudert es gegen den Sitz g. Für den Abschluß des Ventils steht reichlich
Zeit, nämlich bis zum Ende des nächsten Saughubes, zur Verfügung. Um die Abschlußgeschwindigkeit
des Ventils zu verringern, ist die Flüssigkeitsbremse vorgesehen mit dem Gehäuse
ii, dessen Rand mit Drosselschlitzen i9 versehen ist. Das Ventil 13 sorgt dafür,
daß das Öffnen des Ventils durch die Bremse nicht behindert wird.
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Das beschriebene Überdruckventil gleicht einem Tellerventil insofern,
als beide eine ringförmige Sitzfläche haben, ist aber für den vorliegenden Zweck
viel geeigneter. Beim Tellerventil wirkt der Flüssigkeitsdruck des Hubraumes, dem
die Federkraft das Gleichgewicht halten muß, auf die ganze von der Sitzfläche umschlossene
Kreisfläche, beim Überdruckventil(Abb. i) dagegen nur auf die Fläche des Kolbens
3 und einen Teil der schmalen ringförmigen Sitzfläche des Kolbens 2, so daß eine
viel schwächere Feder genügt, um das Ventil geschlossen zu halten. Beim Tellerventil
schließt sich die kreisförmige Druckfläche unmittelbar an die Sitzfläche an; das
hat zur Folge, daß der Druck auf die Kreisfläche sinkt, sobald die Flüssigkeit mit
großer Geschwindigkeit durch den Ventilspalt ausströmt, so daß die Gefahr besteht,
daß das Ventil sofort nach dem Anheben wieder zuschlägt und flattert. Bei dem Überdruckventil
liegt die Druckfläche auf den Kolben 3 so weit von der Sitzfläche und dem Ventilspalt
entfernt, daß sie hydraulisch durch die Spaltgeschwindigkeit nicht beeinflußt wird,
so daß das Ventil sich stetig hebt und schnell seinen vollen Hub erreicht. Die Breite
der Sitzfläche kann bei dem Überdruckventil schmaler ausgeführt werden als bei dem
Tellerventil wegen der schwächeren Feder- und hydraulischen Belastung und geringeren
Abschlußgeschwindigkeit. Entsprechend ist auch der Ventileröffnungsüberdruck bei
dem Überdruckventil kleiner als beim Tellerventil.
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Das Überdruckventil kann mit beliebig großen Abmessungen, d. h. äußerem
Durchmesser des Kolbens 2 ausgeführt werden, ohne daß Federn mit übermäßig starken
Abmessungen erforderlich werden.
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Nachteilig ist beim Überdruckventil, daß an den Gleitflächen des großen
und kleinen Kolbens Dichtungen in Form von Stulpen, Dichtungsringen oder
Ventilsitzen
vorhanden sein müssen, die bremsend wirken und beim Tellerventil fehlen.
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Das beschriebene Überdruckventil bietet auch große Vorteile bei Anordnung
in Wasserkraftkolbenmaschinen mit Schiebersteuerung.
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Statt die Überdruckventile in der Wandung des Pumpenkörpers zwischen
Saug- und Druckraum anzuordnen, kann man dieselben auch im Pumpenkolben anordnen.
Dadurch wird der Pumpenkörper vereinfacht, und die Ventile lassen sich bequemer
ein- und ausbauen.
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Abb. 3 und 4 zeigen ein Beispiel für den Einbau der Überdruckventile
in den Pumpenkolben. Die Ventilachse muß senkrecht zur Kolbenachse angeordnet werden,
da sonst infolge der hohen Drehzahlen, mit denen die Pumpen betrieben werden, die
Trägheitskräfte bei den ständigen starken Beschleunigungen und Verzögerungen des
Kolbens zur Verwendung von übermäßig starken Federn zwingen würden. 2o ist der Kolbenkörper,
mit dem die Kolbenstange 21 verschraubt ist. 22 und 23 sind die beiden Ventilkolben,
die mit den kleineren Steuerkolben 24 und 25 verbunden sind, welche mittels der
Federteller 26 und 27 durch die gemeinsame Ventilfeder 28 belastet sind. 29 und
30 sind die Flüssigkeitsbremsen von der nach Abb. i und 2 beschriebenen Bauart.
Die Ventile sind in einem zweiteiligen Gehäuse 31 und 32 untergebracht. Das Innere
der beiden Kolbenventile 22 und 23 steht durch Kanäle 33 und 34 mit den Hubräumen
der Pumpe zu beiden Seiten des Kolbens in Verbindung. 35 ist eine Zwischenwand senkrecht
zur Kolbenachse, welche die beiden Zuleitungskanäle 33 und 34 voneinander trennt.
36 und 37 sind Sicherheitsventile, die verhindern, daß sich in dem Federgehäuse
mit Wirkung auf die Stirnflächen der Kolben 24 und 25 ein die Saugspannung übersteigender
Druck ausbildet, da in einem der Kanäle 33 oder 34 stets Saugspannung herrscht.
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Die Wirkung der beiden Überdruckventile in dem Kolben ist folgende.
Bei der Bewegung des Kolbens nach links öffnet gegen Ende des Hubes infolge des
entstehenden Überdruckes, der auf den Kolben 24 wirkt, der Ventilkolben 22, und
die Flüssigkeit strömt durch den Sammelkanal 38 und den Kanal 34 auf die rechte
Kolbenseite über, wo Unterdruck herrscht. Nach dem Schließen des Druckkanals durch
den Schieber und dem Öffnen des Saugkanals schließt die Feder 28 das Ventil, wobei
die Schlußbewegung durch die Bremse 29 verzögert wird. Das Ventil im Kolben arbeitet
unter ungünstigeren Bedingungen aas das Ventil in der Gehäusewand, da es bereits
am Ende des Druckhubes, während dessen es öffnet, geschlossen sein muß, weil im
Augenblick der Kolbenumkehr im Kanal 34 und 38 die Saugspannung auf die Druckspannung
ansteigt. In gleicher Weise wirkt das Ventil 23, das nach dem Öffnen infolge des
Überdruckes im rechten Hubraum eine Verbindung herstellt zwischen den Kanälen 39
und 34, so daß Flüssigkeit, die durch Kanal 34 eintritt, durch 39 nach dem linken
Hubraum abfließen kann.