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Ventil Zur Drosselung von Durchflußmengen werden Ventile mit ringförmiger
Hindurchführung des strömenden Mediums um ein festes Einsatzstück sowohl wegen ihrer
geringen Verstellkräfte als auch wegen ihrer vorteilhaften Wasserführung verwendet.
Bei niedrigem Gegendruck arbeiten jedoch auch sie nicht vollständig kavitationsfrei,
insbesondere dann nicht, wenn ihre Lichtweite im Auslaufquerschnitt kleiner ist
als die Rohrleitung.
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Zur Bekämpfung dieser Erscheinung ist es bekannt, derartige Ventile
durch ein kleineres Umgehungsventil derselben Bauart zu entlasten. Das Umgehungsventil
ermöglicht es, bei kleinen Durchflußmengen das Hauptventil vollkommen zu schließen
und so die bei sehr kleinen Durchtrittsspalten am Hauptventil sonst eintretenden
Kavitationserscheinungen zu vermeiden, während die Strömung durch das kleine Umgehungsventil
kavitationsfrei geregelt werden kann.
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Auch hat man vorgeschlagen, den Strahl des Hauptventils durch Unterteilung
in einzelne kleinere Strahlen aufzulösen, um die Strömungsenergie der durch -das
Ventil tretenden Flüssigkeit durch innigere und intensivere Vermischung mit dem
umgebenden Totwasser besser zu vernichten, wodurch das Auftreten von Kavitationsräumen
weitgehend vermieden wird. Die Strahlenauflösung erfolgt durch eine mit geeignet
geformten Schlitzen versehene Büchse, in der .sich der Absperrkörper des Ventils
bewegt und den gewünschten Öffnungsquerschnitt
einzustellen gestattet.
Diese Anordnung ist umständlich und teuer und befriedigt auch sonst nicht vollständig.
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Bei dem Ventil nach der Erfindung werden die Kavitationserscheinungen
dadurch vermieden, daß bei seiner Drosselstellung das Druckgefälle in Rotationsenergie
umgesetzt wird. Zu diesem Zweck sind der Erzeugung von Drallströmung dienende Leitschaufeln
im äußeren oder äußeren und inneren Teil des Ringraumes auf der Zuflußseite vorgesehen,
wobei im letzteren Falle die außenliegenden Schaufeln eine stärkere Krümmung aufweisen
als die innenliegenden. Es erfolgt dann durch die Zentrifugalwirkung eine stärkere
Anpressung des Was-. sers an die Gehäusewandung des Schieberauslaufs, so daß sich
dort. keine Kavitation bilden kann. Im Auslaufrohr des Ventils sowie in der dahinterliegenden
Rohrstrecke wird die Rotationsenergie durch Reibung allmählich vernichtet.
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Es sind zwar Ventile bekannt, bei denen innerhalb des Ventilgehäuses
ebene und angenähert tangential zum Ventilkolbenumfang stehende Führungsplatten
für die senkrecht zur Ventilkolbenachse zuströmende Flüssigkeit vorgesehen sind.
Jedoch handelt es sich hierbei um Ventile, bei denen die unter Druck stehende Flüssigkeit
in einen nicht mit Flüssigkeit gefüllten Raum hineinstürzt, und es wird bezweckt,
zur Vermeidung der auf die den Raum umschließenden Wandungen ausgeübten zerstörenden
Wirkung des Flüssigkeitsstrahles den massiven Wasserzylinder des Strahles durch
Zentrifugalwirkung in einen Hohlkegel aufzulösen. Die kinetische Energie der Flüssigkeit
wird dadurch abgeschwächt, ihre Wirkung verteilt sich über eine größere Wandfläche,
und es soll so die zerstörende Einwirkung auf die raumbegrenzenden Wandungen beseitigt
werden. Die Vermeidung von Kavitationserscheinungen im Sinne vorliegender Erfindung
wird auf diese Weise weder beabsichtigt noch erreicht.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich . aus der nachstehenden
Beschreibung und aus der Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele schematisch
dargestellt sind.
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Fig. i zeigt .einen Längsmittelschnitt durch eine Bänart mit nur im
äußeren Ringraumteil angeordnetem Leitschaufelkranz; Fig. 2 ist ein abgewickelter
Teilschnitt nach der Linie 1I-11 der Fig. i Fig. 3 veranschaulicht einen senkrechten
Längsmittel.schnitt durch eine Ausführungsform mit je im äußeren und inneren Ringraumteil
angeordnetem Schaufelkranz; Fig. :I und 5 sind abgewickelte Teilschnitte nach den
Linien IV-IV und V-V der Fig. 3; Fig.6 stellt schematisch die Gesamtanordnung einer
Druckmindereinrichtung dar.
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In den Ausführungsbeispielen bezeichnet a die Außenwandung, b den
Ringraum, c den Ventilkolben und d den Kolbenantrieb des Ventils. Die Außenwandung
ist bei e quer geteilt, um einen Ring f einsetzen zu können, der entweder gemäß
Fig. i nur Schaufeln g für den äußeren Ringraumteil oder gemäß Fig.> 3 Schaufeln
g, 1e für den lä.tißeren und inneren Ringraumteil aufweist. Die Schaufeln
haben die Aufgabe, das ausfließende Wasser in DrallströMung zu versetzen, wodurch
seine Außenschicht an die Wandung .des Ventilauslaufes gedrängt wird, so daß sich
eine Kavitation nicht bilden kann. Der als Diffusor wirkende Auslauf i besteht vorzugsweise
aus einem Rotationshyperboloid, das stetig in die zylindrische Wand des Auslaufrohres
übergeht.
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Die nur eine Verscbaufelung im äußeren Ringraum zeigende Ausführungsform
nach Fig. i ist für große Gefälle und kleinen Druckverlust bei voll geöffnetem .Ventil
bestimmt; sie eignet sich besonders, wenn die Widerstandshöhe der Rohrleitung bei
voller Leistung ihr Gefälle ganz oder größtenteils - aufzehrt: ° Um die Durchflußmenge
herabzusetzen, muß dieses Ventil sehr stark gedrosselt werden, so daß das gesamte
Wasser durch den verschaufelten Ringraum strömt, weil der unverschaufelte Teil durch
den Ventilkolben bei starker Drosselung vollständig abgesperrt wird. Der Drall i-st
bei dieser Drosselstellung wesentlich größer als bei voll geöffnetem Ventil.
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Wenn das Ventil in vollständig geöffneter Stellung einen geringsten
Druckverlust auf wei"n@ °sall, wird entsprechend dem gezeichneten Beispiel die Drallströmung
am vorteilhaftesten im zylindrischen Ringraum erzeugt, wo der größte Achsabstand
vorhanden ist. Infolge .der Aufrechterhaltung des Drehimpulses in einer Strömung
genügen dann kleine Umlenkwinkel, um bei einem nicht eingeschnürten Ventil am Übergang
in den Auslauf eine gute Wandpressung durch Strömung zu erzeugen. Kleine Umlenkwinkel
erlauben auch großen Abstand der Schaufeln, die dann nicht mehr als Leitwand, sondern
nur noch nach Art eines Tragflügels zu wirken brauchen.
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In der Drosselstellung ist dann allerdings der Drall nicht mehr ausreichend.
Wenn der Druckverlust im geöffneten Zustand weniger wichtig ist als ein kavitationsfreier
Betrieb in Drosselstellungen, müssen die Leitschaufeln g durch eine bis an die Bewegungsbahn
des Ventilkolbens .c geführte Ringwand j so abgedeckt werden, daß von einer bestimmten
Stellung des Ventilkolbens c ab das Wasser nur noch durch die Leitschaufeln g strömen
kann, während es bei stärker geöffnetem Ventil auch vor der Ringwand j, ohne die
Schaufeln g zu durchfließen, abströmen kann.
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Dadurch ist ein gewisser zusätzlicher Druckverlust unvermeidlich.
Die Drallenergie besitzt dann ihren Höchstwert, wenn der Kolben c des Ventils den
Leitschaufelkranz g vollständig freigibt, den übrigen Durchflußquerschnitt jedoch
vollständig abriegelt. Bei stärkerer Drosselung geht die Drallenergie in der Strömung
wieder zurück. Bei richtiger Wahl der Leitschaufelhöhe ist jedoch die Durchflußmenge
dann ebenfälls schon so gering, daß der Ringstrahl sich nicht mehr an der Austrittsstelle
an die Wand anzulegen braucht.
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Infolge des Umlenkwiderstandes ist zwar die Energie der wandnahem
Schichten kleiner als die
<les iibrigen Strahles, die :lbsol,utwerte
sind jedoch hei vollständig geöffnetem Ventil so klein, daß der Zusammenhang der
beiden Strömungen im engsten Querschnitt und im Auslauf gewahrt bleibt. Durch den
(,riterdruck zwischen den beiden Ströpnungen wird der mit geringer Rotationsenergie
versehene innere Strahl zur Divergenz veranlaßt, ohne daß jedoch wie beim gewöhnlichen
Diffusor die Randschichten durch ihren Energieverlust in der Grenzschicht zur Rückströmung
veranlaßt werden. Die Grenzschicht an der Rohrwandung erhält durch die 1)rallströmung
dauernd neue Energie zugeführt, so daß auch dort keine Rückströmung stattfinden
kann.
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Dafür die Durchflußmenge nur die axiale Komponente maßgeblich ist,
die Reibung jedoch vom Quadrat der resultierenden Geschwindigkeit abhängt, steigt
die Oberflächenreibung der erfindungsgemäßen Anordnung gegenüber einer rein axialen
Durchströmung entsprechend an. Die Oberflächenreihung ist jedoch gering gegenüber
dem durch Wirbelablösung hzw. Rückströmung im Diffusor hervorgerufenen Energieverlust.
Dies zeigen die sehr guten :\usflußzahlen von geeignet geformien Düsen, bei denen
der Druckverlust 2% und weniger der Geschwindigkeitshöhe ist, während die Difftisoren
Druckverluste von io bis 200/0 besitzen.
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Vom Standpunkt der Oberflächenreibung aus gesehen, inüßte das Verhältnis
umgekehrt sein, da die Geschwindigkeiten im Diffusor an der Wandung verhältnismäßig
kleiner sind als in der Einlaufdüse. 'Maßgeblich für den Energieverlust sind die
Vorgänge in der Grenzschicht; im Diffusor erhält diese infolge der Divergenz der
Stromlinien keine Energie von den benachbarten Linien, so daß der Druckanstieg im
Diffusor die wandnahen Schichten, die ihre axiale Strömungsenergie eingebüßt haben,
zur Rückströmung veranlaßt.
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Da der Druckanstieg bis weit hinter den Diffusor sich erstreckt, bildet
sich eine entsprechend große ringförmige Walze aus, in der ständig durch Impulsaustausch
Energie verzehrt wird, die den 1?nergieverlust durch Oberflächenreibung ganz wesentlich
übersteigt. Die Rotation der äußeren Schichten vermeidet nun bei der erfindungsgemäßen
Anordnung das Auftreten dieser Rückströmungen.
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Im gedrosselten Zustande wird der Anteil der Drallströmung im Ventil
immer größer, da der nuersclinitt der inneren Strömungsschichten immer mehr abgedeckt
wird. Dadurch bildet sich je nach der Höhe des Gegendruckes mit zunehmender Drosselung
ein Hohlraum zwischen diesen beiden Strömungen aus, der jedoch nirgends eine Wandung
erreicht.
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An der Oberfläche dieses Hohlraumes, der in der Mitte der Strömung
aufsteigt, findet kein Energieverlust statt, da ja keine reibende Wand vorhanden
ist. Diese freie Oberfläche bildet sich immer dann aus, wenn gemäß dem Satz von
der Erhaltung des Impulsmomentes die Rotation der achsnahen Schichten so hoch ansteigt,
daß die Dampfspannung des Wassers unterschritten wird. Die axiale Energie c1es Wassers
erfährt dabei keine Veränderung und dient zur Abfuhr des Wassers in die Rohrleitung.
Steigt der Druck beispielsweise infolge einer Überdruckwelle im Ventil an, ,so verengt
sich dieser Hohlraum so lange, bis das Gleichgewicht zwischen Zentrifugalpressung
und statischem Druck wiederhergestellt ist. Die Druckwellen werden somit durch den
Hohlraum teilweise reflektiert, so daß ein Teil der Energie zurückgeworfen wird,
der übrige Teil in die Rohrleitung hinter dem Ventil albwandert.
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Die Ausführungsform gemäß Fig.3 kommt für Verbindungsleitungen zweier
Druckzonen in Frage. Der äußere Ringraum stellt den größeren Teil des gesamten Durchlaßquerschnittes
dar. Seine Schaufeln g sind stärker gekrümmt und in größerer Anzahl vorhanden als
die Schaufeln h des inneren Ringraumes. In der Achse der Rohrleitung tritt hierbei
hinter dem voll geöffneten Ventil die vorstehend erwähnte., durch gestrichelte Linien
ange-, deutete Hohlraumbildung auf, die einen weichen, stoßfreien Ausgleich für
die noch verbleibenden Unregelmäßigkeiten in der Strömung ermöglicht. Der Hohlraum
ist nämlich durch Stromlinien mit großer Drallkomponente begrenzt, so daß der zum
Zusammenpressen des Hohlraumes auf einen kleineren Durchmesser erforderliche Druck
im umgekehrten Verhältnis mit dem Quadrat des Durchmessers ansteigt. Die Länge des
Hohlraumes hängt von der Energievernichtung in der Rohrleitung hinter dem Ventil
ab. Normalerweise wird man die Drallströmung vor dem Eintritt in die Niederdruckleitung
durch Staurippen abschwächen bzw. vernichten.
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Die Gesamtanordnung einer solchen Druckmindereinrichtung zeigt Fig.
6, in der k die Hochdruck- und m die Niederdruckleitung bezeichnet. In der Verbindungsleitung
n ist das Ventil a eingebaut. Bei wenig geöffnetem Ventilkolben bildet sich eine
stark drehende Ringströmung an der Rohrwandung hinter dem Ventil aus, während der
verbleibende kreisförmige Querschnitt von einer sich drehenden Wassersäule ausgefüllt
ist. Die Wasserwalze verhält sich ungefähr wie ein starrer Körper. Mit zunehmender
Öffnung des Ventils wird sie immer kleiner und geht sogar je nach dem Gegendruck
in einen Hohlraum über. Vor dem Eintritt in die Niederdruckleitung m befinden sich
zwei hintereinandergeschaltete Gleichrichter o zur Vernichtung der Drallströmung.
Die Durchflnl3-fähcgkeit des Ventils ist von der Bemessung des inneren Schaufelkranzes
lc abhängig.