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Sicherheitsventil mit Hilfssteuerung und Rückführung Gegenstand der
Erfindung ist ein Sicherheitsventil mit Hilfssteuerung und Rückführung, das sich
für die größten, bei modernen Anlagen vorkommenden Abblasemengen und für die höchsten
Betriebsdrücke eignet. Hilfsgesteuerte Sicherheitsventile werden bei Dampfanlagen
in Rohrleitungen eingebaut, um bei Überschreitung eines bestimmten Höchstdruckes
den überschüssigen Dampf abzublasen. Sie werden auch als Sicherheitsventile für
Hochdruck-Zwangsdurchlaufkessel mit geringem Wasserinhalt verwendet. Hilfsgesteuerte
Sicherheitsventile soll bei einer plötzlichen Drucksteigerung in kürzester Zeit
eine große Ventilöffnung zur Ableitung des überschüssigen Dampfes freigeben, bei
einem allmählichen Druckanstieg aber die Ventilöffnung nur so weit freigeben, als
zur Ableitung der hierbei auftretenden geringeren Dampfmengen nötig ist, damit der
Druck an den Verbrauchsstellen nicht sinkt.
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Wird das Hauptaugenmerk vorwiegend auf das einwandfreie Arbeiten bei
allmählichem Druckanstieg gelegt, so daß die wichtige Forderung des raschen Abblasens
bei plötzlichem Druckanstieg nur unzureichend erfüllt wird, z. B. indem die Verstellkräfte
klein gehalten werden, dann wirkt sich bei einem plötzlichen Druckanstieg die große
Trägheit des Ventils in einer Weise aus, die für die Anlage gefährlich werden kann.
Die durch die Trägheia
entstehende Verzögerung kann auch ein Pendeln
der Gesamtanlage verursachen.
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Hilfsgesteuerte Sicherheitsventile einer bekanntgewordenen Bauart
bestehen aus einem Hauptventil, dessen Öffnungs- und Schließbewegung mittelbar von
einem Steuerventil gesteuert wird. Die Bewegung des Hauptventils und die Bewegung
des Steuerventils werden unabhängigvoneinander durch eine Ölbremse gedämpft. Das
Hauptventil wird von der Eintrittsseite aus auf Schließen belastet. Das Öffnen,
des -Hauptventils erfolgt entweder durch einen Gegenkolben, der beim Abblasen des
Steuerventils belastet wird, oder durch einen Differentialkolben, der mit dem Ventilteller
verbunden ist und bei Abblasen des Steuerventi.l-s .entlastet wird.
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Das Sicherheitsventil gemäß der Erfindung besteht aus einem mit einer-
Bremsvorrichtung versehenen Hauptventil und einem-mit einer Bremsvorrichtung versehenen
Stenerventil,-däs auf hydraulischem Wege von der Bremsvorrichtung des Hauptventils
in Abhängigkeit von der Bewegung des Hauptventils beeinflußt wird.
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Das Neuartige der Erfindung besteht darin, daß das Steuerventil im
Sinne einer Rückführung in Abhängigkeit von der Ventilbewegung des Hauptventils
durch eine hydraulische Übertragung der Bewegung der Bremsvorrichtung des Hauptventils
auf die Bremsvorrichtung des Steuerventils in gegenläufigem Sinne beeinflußt wird.
Dadurch können auch große Bewegungskräfte zugelassen werden, die für die sichere
Bewegung des Hauptventils von großer Bedeutung sind, weil sie von Beginn der Bewegung
des Hauptventils an herabgesetzt werden und infolgedessen eine unzulässige -Beschleunigung
der Ventilbewegung vermieden wird.
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In den Abb. i bis 3 -ist ein: Ausführungsbeispiel des Ventils nach
der Erfindung dargestellt.
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Abb. i zeigt im Aufriß 'durch einen in der Mittelebene des Ventils
geführten Schnitt den Gesamtaufbau und läßt die gegenseitige Stellung der einzelnen
Teile in der Ruhelage erkennen; Abb. 2 zeigt im Aufriß durch einen in der Mittelebene
durch den Ventilkegel des Hauptventils und den inneren hohlzylindrischen Teil des
Hauptsteuerkolbens geführten Schnitt die Einzelheiten und die bewegliche Verbindung
dieser Teile; Abb.3 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch den Steuerkegel
des Steuerventils beeinflussenden Hilfskolben.
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Es ist bezeichnet: In Abb. i das Gehäuse des Hauptventils mit i, der
Eintrittsstutzen mit 2, der Austrittsstutzen mit 3, der obere Halsansatz des Gehäuses
mit 4, der topfförmige, mit Führungsrippen versehene Ring mit 5, die Öffnung in
der Bodenfläche des Ringes 5 mit 6, der untere Ansatz -des Gehäuses mit 7, die Belüftungsöffnung
in diesem Ansatz mit 8, der bogenförmige Übergangsstützen, der den Sitzring 9 des
Hauptventils trägt, mit io, der Abschlußdeckel für den Halsansatz 4 mit i i, der
äußere hohlzylindrische Teil des Hauptsteuerkolbens mit 12, die Kolbenringe mit
13, die Drosselöffnungen auf der Oberseite mit 14, die Führungsbüchse für den Hauptsteuerkolben
mit 15, der innere hohlzylindrische Teil des Hauptsteuerkolbens mit 16 (weitere
Einzelheiten des Teils 16 s. Abb. 2 und 3), der zwischen der Oberfläche des Hauptstenerkolbens
und- dem Deckel ii entstehende Raum mit 17, das auf :dem Deckel ii befestigte;
mit einem Abblasestutzen versehene Gehäuse des Steuerventils mit 18, der Ventilsitz
des Stenerventils mit i9, der als Kolben ausgebildete Ventilkegel des Hilfs- oder
Steuerventils mit 2o, die Abblaseleitung mit 21, -der in dem Hauptstenerlco.lben
beweglich geführte hohle und mit Aufhängerippen versehene Hilfskolben mit22 (Einzelheiten
s.Abb.3), die Labyrinthdrossel für diesen Kolben mit 23, der in der üblichen Weise
abgestützte Hebel des Steuerventils mit 24, das Belastungsgewicht mit 25, der mit
dem inneren Teil 16 des Hauptsteüerkolbens beweglich verbundene Ventilkegel des
Hauptventils mit 26 (weitere Einzelheiten dieses Teiles s. Abib. 2 und 3), das an
dem Ansatz 7 befestigte, mit Abkühlrippen versehene - Gehäuse der Bremsvorri.chtung
des Hauptventils mit 27, die am Ventilkegel 26 befestigte, durch Manschetten beim
Übergang in den Ölraum abgedichtete Verbindungsstange mit 28, der Hauptbremskolben
mit 29, die Bremsfeder für das Hauptventil'- mit 3o, der mit dem Raum oberhalb des
Hauptbremskolbens 29 in Verbindung stehende Raum mit 31, die Entlüftungsöffnung
dieses Raumes mit 32, der Ölauffüllraum mit 33, der Bremskolben der Bremsvorrichtung
des Steuerventils mit 34, die Bodenöffnung des Raumes 31 mit 35, das Drosselventil
für diese Öffnung mit 36, der Bodenraum mit 37, der Raum unterhalb. des Bremskolbens
mit 38, die Öffnung zwischen dem Raum 37 und 38 mit 39, die Drosselvorrichtung für
diese Öffnung mit 40, das Übertragungsgestänge nach dem Steuerventil mit 41, die
federbelastete Platte auf der Oberseite des Bremskolbens mit 42, das Schutzrohr
für das Gestänge mit 43, die Verbindungsleitung zwischen dem Raum 37 und der Unterseite
des Kolbens 29 mit 57.
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In Abb. 2 der innere hohlzylindrische Teil des Hauptsteuerkolbens
mit 16, der untere ringförmige Ansatz zur Bildung der Bajonettierungsöffnung mit
44, die Sicherungsstifte für- die Bajonettierung finit 45, der zylindrische Sitzring
des Ventilkegels 26 mit 46, der oberhalb des Sitzringes befindliche zylindrische
Schaft mit 47, der zur Bajonettierung dienende Kopfbund mit 48.
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In Abb. 3 der Ventilkegel des Hilfsventils mit 2o, der Kolben zum
Entlasten und Betätigen dieses Ventils mit 22, die Aufhängerippe mit 58. Wil kungsweise
Für die Beurteilung der öffnungs- und Schließbewegung des Hauptventils ist die Ermittlung
der Bewegungskräfte von grundsätzlicher Bedeutung. Bezeichnet ist der unterhalb
des Hauptsteuerkolbens herrschende Druck mit p1, der in dem Raum 17 herrschende
Druck mit p2, der Außendurchmesser des Hauptsteuerkolbens mit D, der Durchmesser
des zylindrischen Ansatzes mit d, wobei d dem mittleTen Sitzdurchmesser
des Hauptventils entspricht.
Es wirken während der freien Bewegung
des Hauptsteuerkolbens folgende Kräfte: Auf die Unterseite
auf die Oberseite
Ist bei ungestörtem Betriebszustand in der Druckleitung p1 = p2, so ist auch P1
= P2, und es entsteht keine Bewegung 'des Kolbens. Wird dagegen p1 > p2, so ist
auch P1 >P2, und es entsteht eine Aufwärtsbewegung desselben.
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Während der freien Aufwärtsbewegung des Kolbens ist das Hauptventil
mit einer Kraft
auf Schließen belastet, wobei P' der von der Vorspannung der Bremsfeder der Bremsvorrichtung
des Hauptventils ausgeübten Kraft entspricht.
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Mit dem Eintreten der kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem Hauptsteuerkolben
und dem Ventilkegel des Hauptventils, also beim Anschlagen des Ansatzes 44 gegen
den Kopfbund 48 (Abt. 2), wird
und
worin P. der vom Ventilhub abhängigen Kraft der Bremsfeder entspricht.
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Ist PICP2, so entsteht eine Aufwärtsbewegung des Ventilkegels, also
ein Öffnen des Hauptventils; ist Pl>P2, so entsteht eine Abwärtsbewegung des Ventilkegels,
also ein Schließen des Hauptventils; ist P1 = P2, so entsteht ein labiler Gleichgewichtszustand.
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Die auftretenden Bewegungskräfte P,-P., sind beim Öffnen positiv,
beim Schließen negativ. Beim Durchschreiten des Gleichgewichtszustandes muß sowohl
beim Öffnen als auch beim Schließen ein vom Hauptsteuerkolben verursachter Reibungswiderstand
überwunden werden.
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Bei dem ungestörten Betriebszustand ist der Druck p1 = p2.
Steigt infolge einer Störung p1 bis auf den durch das Belastungsgewicht 25 eingestellten
Abblasedruck, so wächst zunächst in gleicher Weise auch der Druck p2, und die Schließbelastung
PS des Hauptventils erhöht sich. Eine Bewegung des Hauptsteuerkolbens erfolgt nicht.
Steigert sich der Druck p1 weiter, so öffnet sich der Steuerkegel 2o. Der abgeblasene
Dampf strömt durch die Abblaseleitung 21 in die Auspuffleitung. Da durch die Drosselöffnungen
rd. des Hauptsteuerkolbens nur eine begrenzte Dampfmenge nachströmen kann, entsteht
in dem Raum 17 eine Verminderung des Drukkes p2 und dadurch eine Entlastung des
Hauptsteuerkolbens. Eine Unterbrechung des Abblasens wird dadurch verhindert, daß
der Hilfskolben 22 bei dem Zustand p1 > p2 eine Aufwärtsbewegung durchführt
und den Steuerkegel 2o in der Offenlage hält. Der Steuerkegel 2o und der Hilfskolben
22 sind nicht miteinander verbunden. Es entsteht eine kraftschlüssige Verbindung
durch Anschlag des Hilfskolbens 22 gegen den Steuerkegel 2o, sobald ein Druckunterschied
zwischen p1 und p2 auftritt. Um diesen Druckunterschied bis zur Mitnahme des Hilfskolbens
22 möglichst klein zu halten, wird der Hilfskolben als Hohlkolben mit geringem Gewicht
ausgeführt.
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Um eine allseitig freie Beweglichkeit des Hilfskolbens 22 zu erzielen
und gleichzeitig eine Mitnahme des Hilfskolbens bei der Bewegung des Hauptsteuerkolbens
zu vermeiden, sind in der Labyrinthdrossel mehrere seitlich verschiebbare Ringe
angeordnet, die durch Zwischenringe so voneinander getrennt werden, daß labyrinthartige
Zwischenräume entstehen. Die Größe des Steuerventilhubes ist von der Art und Größe
der Störung des Betriebszustandes in der Druckleitung abhängig. Bei einem plötzlichen
Ansteigen von p1 wird das Steuerventil kurzfristig weit geöffnet, und es entsteht
dadurch ein rasches Abblasen und eine rasche Entlastung, während beim allmählichen
Ansteigen des Druckes p1 das Abblasen und somit auch die Entlastung des Hauptsteuerkolbens
langsamer erfolgt.
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Im weiteren Verlauf sinkt der Druck p2 auf einen Betrag ab, der nur
wenig über dem Atmosphärendruck liegt. Dadurch wird unter Berücksichtigung der Vorspannung
der Bremsfeder 30 eine sehr große Öffnungskraft erreicht. Durch die kurz
nach der Herstellung der kraftschlüssigen Verbindung zwischen, dem Hauptstenerkolben
und dem Ventilkegel des Hauptventils einsetzendeÖffnungsbewegungdes Hauptventils
.erfolgt nicht nur das unmittelbare Abblasen nach der Auspuffleitung, sondern es
wird gleichzeitig in Abhängigkeit von der Ventilbewegung auf hydraulischem Wege
eine Beeinflussung des Steuerventils im Sinne einer Rückführung herbeigeführt. Hierdurch
wird einerseits die bei großen Bewegungskräften auftretende Beschleunigung der Ventilbewegung
abgedämpft, andererseits im Sinne einer Regelung ein starkes Absinken des Druckes
p, verhindert und dadurch eine schädliche Beeinflussung der Anlage vermieden. Die
hydraulische übertragung der Bewegung des Hauptventils über die Bremsvorrichtung
desselben auf die Bremsvorrichtung des Steuerventils vollzieht sich wie folgt: Bei
der Aufwärtsbewegung des Hauptbremskolbens 29 wird Öl nach dem Raum 31 der Bremsvorrichtung
des Steuerventils verdrängt und fließt zum Teil durch die Öffnung 32 in den
Ölauffüllraum33 oberhalb des Bremskolbens 34 und zum Teil durch die Ölung 35, die
durch das Drosselventil 36 verändert werden kann, in den Bodenraum 37, der durch
eine Leitung 57 reit dem Raum unterhalb des Hauptbremskolbens 29 verbunden ist.
Es entsteht dadurch in dem Bodenraum 37 ein Unterdruck, der sich durch die Öffnung
39, die durch eine
Drosselvorrichtung 4o eingestellt werden kann,
auf den zylindrischen Raum 38 unterhalb des Bremskolbens 34 überträgt. Durch den
äußeren Luftdruck wird der Bremskolben 34 nach unten bewegt. Diese Bewegung wird
durch das Gestänge 41 auf den Hebel 24 übertragen und dadurch das Steuerventil auf
Schließen beeinflußt. Die Aufwärtsbewegung des Bremskolbens 34 wird durch den Anschlag
der federnd abgestützten Platte 42 an das untere Ende des Schutzrohres 43 begrenzt.
Beim Schließen des Steuerventils erhöht sich wieder der Druck p2 im Raum 17, wodurch
die COffnungskraft stark vermindert, und die Ventilbewegung verlangsamt wird. Da
sich die Strömung des Ölumlaufs von der Unterseite des Kolbens 29 durch .die Leitung
57 ebenfalls verlangsamt, entfällt auch die Beeinflussung des Bremskolbens 34, und
der Kegel 2o des Steuerventils wird in der Folge nur noch vom Druck p1 über den
Hilfskolben 22 beeinflußt. Wenn. die hierbei entstandene Öffnung des Kegels des
Hauptventils für die Herabsetzung des Druckes p1 noch nicht ausreicht und ein weiterer
Anstieg des Druckes p1 erfolgt, entsteht durch das. Absinken von p2 auch wieder
eine größere Öffnungskraft, wodurch die Stellung des- Kegels des Hauptventils berichtigt
wird. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis der Druck p1 nicht mehr ansteigt
und damit ein Stillstand aller Teile des Ventils eintritt.
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Beim Schließen des Ventils spielen sich die Vorgänge in der umgekehrten
Folge ab. Sinkt der Druck p1 durch das Abklingen der Störung unter den Abblasedruck,
so schließt sich zunächst das Steuerventil, der Druck p2 in dem Raum 17 steigt an,
die Öffnungskraft vermindert sich und wird mit dem weiteren Ansteigen von p2 zu
einer Schließkraft, die nach dem Aufhören der kraftschlüssigen Verbindung zwischen
dem Hauptsteuerkolben und dem Ventilkegel des Hauptventils in die dem normalen Betriebsdruck
pi entsprechende Schließbelastung PS übergeht.
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Durch den Einbau des Steuerventils unmittelbar in den Entlastungsraum
17 läßt sich der letztere auf eine Mindestgröße verkleinern, wie dies, bedingt durch
den Zylinderdurchmesser und den Kegelhub, anzustreben ist. Wenn hingegen das Steuerventil
an der Hauptdiampfdeitung, also seitlich am Ventil oder an der Zuführungsleitung
angeordnet ist, ist eine zusätzliche Verbindungsleitung notwendig, welche ,den Raum
17 vergrößert und dadurch die Entleerungs- und Füllzeit beim Öffnen bzw.
Schließen des Steuerventils verlängert. Diese Zeiten müssen aber auf ein Kleinstmaß
herabgesetzt werden. Dazu ist die Unterbringung des Steuerventils am Zylinder des
Hauptsteuerkolbens erforderlich, weil damit die Wirkung der Rückführung unterstützt
wird.