EP3798428B1 - Ventil zur steuerung und/oder regelung einer fluidströmung - Google Patents

Ventil zur steuerung und/oder regelung einer fluidströmung Download PDF

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EP3798428B1
EP3798428B1 EP19200420.8A EP19200420A EP3798428B1 EP 3798428 B1 EP3798428 B1 EP 3798428B1 EP 19200420 A EP19200420 A EP 19200420A EP 3798428 B1 EP3798428 B1 EP 3798428B1
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EP
European Patent Office
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valve
valve body
seat
train
valve seat
Prior art date
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EP19200420.8A
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French (fr)
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EP3798428A1 (de
EP3798428C0 (de
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Robert Duschl
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RD Estate GmbH and Co KG
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RD Estate GmbH and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/20—Shapes or constructions of valve members, not provided for in preceding subgroups of this group
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/10—Connecting springs to valve members
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2820/00—Details on specific features characterising valve gear arrangements
    • F01L2820/04—Sensors
    • F01L2820/045—Valve lift

Definitions

  • the present invention relates to a valve or fitting for arrangement in a pipeline and for controlling and/or regulating a fluid flow, in particular a steam flow, according to the preamble of claim 1.
  • Such valves for controlling and/or regulating a fluid flow generally comprise a valve seat and a valve member that is mounted for axial movement.
  • the valve member typically has a valve stem and, at one end thereof, a valve body.
  • a valve drive is also provided, which is directly or indirectly connected to the valve stem in a force-transmitting manner. This allows the valve body to be lifted from the valve seat to open the valve, thus enabling flow through the pipeline or valve.
  • To bring the valve into a closed position the valve body is brought back into contact with the valve seat, thus blocking fluid flow through the pipeline.
  • the valve of the present application is used, for example, in pipelines that convey live steam, for example, to a steam engine. Especially at high fluid pressures and high fluid temperatures, which occur, for example, in the above-mentioned application, the valve must ensure that the pipeline is reliably sealed when closed, despite the high load.
  • valve does not close completely due to material expansion and consequently leakage occurs.
  • state-of-the-art valves regularly require complex positioning of the valve body on the valve seat and/or a relatively complex dynamic adjustment of the operating point depending on the prevailing temperatures.
  • valves for controlling or regulating fluid flow that are designed to facilitate the interaction of the valve body and the valve seat by means of a conical valve seat.
  • this guides the valve body into the valve seat, which is intended to lead to reliable and low-wear closure even under high forces.
  • valves do not deliver satisfactory results at high temperatures and pressures.
  • US 5,145,148 A a solenoid valve for controlling and/or regulating a hydraulic flow, e.g. in a "hydraulic adaptive breaking system".
  • EP 0 952 331 A2 According to its abstract, also discloses an exhaust gas recirculation valve which, in order to prevent a functional failure when the valve plate sticks to the
  • the valve seat is constructed in such a way that it is possible to store kinetic energy in a component due to deposits, for example when the internal combustion engine is switched off, which component can be brought into operative connection with a head at the free end of the valve rod after overcoming a detent position serving to increase the force.
  • the present application is based on the idea that the valve train and the valve body can interact to transmit force in order to lift the valve body from the valve seat, but the valve train and the valve body are decoupled from each other to close the valve.
  • Decoupling means that the valve train and the valve body can move relative to each other.
  • the valve (or fitting) for controlling and/or regulating a steam flow comprises a valve seat and a valve body.
  • the valve body may be part of a valve member.
  • the valve member may further comprise an axially movable valve stem, which is connected to the valve body and mounted in a valve housing.
  • axial can be understood as along the main axis of the valve member, the valve stem or the valve train and corresponds to the longitudinal direction of the said elements.
  • the valve further comprises a valve train that cooperates with the valve body to transmit force to axially move the valve body and lift the valve body from the valve seat.
  • the valve train can act directly on the valve body.
  • the valve train can also act indirectly on the valve body via at least one other element, such as a valve stem.
  • the valve train and the valve body are decoupled from each other. The decoupling can be implemented such that the valve train can move independently of the valve body.
  • the valve train which may have an external thread on its outer circumferential surface, is screwed to a rotating spindle via the threads of the external thread, so that a rotational force applied externally to the rotating spindle to drive the valve can be transferred by the rotating spindle into a purely axial movement of the valve train.
  • the valve train with its external thread can be viewed as a spindle that interacts with the rotating spindle. This means that a relative force is applied via the valve train to move the valve body axially by means of the valve train, in order to lift the valve body from the valve seat. This allows a certain degree of valve opening to be achieved.
  • the valve element including the valve stem and valve body, is movable along an axial direction.
  • the valve body closes the pipeline by interacting with the valve seat. Fluid flow is blocked and the pipeline is shut off. Furthermore, the valve body can be lifted in the axial direction, opening the valve and allowing fluid flow through the pipeline.
  • valve body and/or the valve seat can be freely selected as long as the interaction of the valve seat and the valve body to shut off the fluid flow in the pipeline can be ensured.
  • valve body is pressed into the valve seat by a spring element.
  • the spring force of the spring element can be predefined and adjusted or adapted as needed.
  • valve train cooperates with the valve body to transmit force, preferably directly, to axially move the valve body, lifting the valve body from the valve seat.
  • the valve train and the valve body can be moved independently of each other.
  • Form-transmitting interaction can be understood here as the valve train being able to apply force to the valve body without the valve train being rigidly connected to the valve body. This means that when the valve is closed, the valve body is not connected to the valve train or is not in contact with it. This makes it possible to achieve the decoupling of the valve train from the valve body described above, thus enabling low-wear, simple, and self-centering positioning of the valve body on the valve seat without the valve train having to be connected to the valve body.
  • the design of the spring element which presses against the valve body and is not connected to the valve train, allows for a so-called “cartridge” design of the valve member with the spring element, thus allowing for easy replacement of these elements. This allows for easy valve maintenance.
  • valve train in particular an axially movable shaft of the valve train, is spaced from the valve body when the valve is closed and comes into contact with the valve body to lift the valve body off the valve seat.
  • valve when the valve is actuated, i.e., when the valve is opened and the valve body is lifted off the valve seat, contact can be created between the valve train, in particular the axially movable shaft, and the valve body. Therefore, if the valve is held in a closed state, there is no contact between the valve train and the valve body. Thermal stresses in the valve are avoided and thermal expansion is compensated. This means that a decoupling between the valve body and the valve train is achieved.
  • valve closure can be achieved using steam pressure.
  • steam pressure presses the valve body onto the valve seat without the valve train having to exert pressure on the valve body. This not only drastically reduces wear, particularly due to the forces of the valve train that would otherwise be required when the valve is closed, but also improves efficiency, as significantly less energy is required.
  • the valve closure using steam pressure can achieve self-centering of the valve body.
  • the spring force of the spring element presses the valve body into the valve seat in a first direction.
  • the valve train in particular the axially movable shaft of the valve train, is instead movable in an opposite second direction.
  • the valve train counteracts the spring force of the spring element and the steam pressure, thus opening the valve.
  • the spring force is to be understood as merely a supporting function of the valve closure, since the majority of the closing force is achieved by the steam pressure.
  • valve body has at least one spherical portion that interacts with the valve seat in a closed position of the valve, in which the valve body is pressed into the valve seat. It should be noted at this point that this aspect can also be implemented independently of the above aspects concerning the damper and the spring element.
  • valve body is a ball.
  • valve body allows the valve body to self-center on the valve seat. This prevents the valve body from wedging or "pinching" in the valve seat and avoids stresses in the valve. Furthermore, the spherical surface of the valve body allows the forces generated to be distributed evenly across the entire surface of the valve body. Furthermore, such a simple design ensures that the valve seat always interacts with the spherical valve body in the correct position. This means that the same forces can always be used to press the valve body into the valve seat.
  • the valve body is freely movable in a convex-shaped receptacle.
  • the receptacle for the valve body can be formed on the valve member, in particular on the valve stem.
  • the spherical valve body it is possible for the spherical valve body to be mounted on the axially movable stem. This allows the spherical body to rotate freely, thus further improving the positioning and centering of the valve body on the valve seat.
  • the axial end of the valve body facing the valve train has a surface that is beveled toward the center axis of the valve body. This beveled surface is arranged such that a recess is formed on the valve body.
  • the angle of inclination of the beveled surface of the valve body to a horizontal line is between 0.5° and 1.5°, preferably 1°.
  • angle of inclination is defined as the angle between an axis along the beveled surface of the valve body (first angle leg) and a horizontal axis (second angle leg), which preferably intersects the axis along the beveled surface on the longitudinal axis of the valve body (angle vertex).
  • valve seat is rectangular in axial longitudinal section.
  • valve seat is merely a bore.
  • the diameter of the valve seat is smaller than the diameter of the valve body, in particular of the aforementioned spherical portion, if present.
  • Such a simple design makes it possible to easily and wear-resistantly center and position the valve body on the valve seat when the operating points of the valve body and valve seat change due to temperature.
  • Such a design also makes it possible to produce a cost-effective valve seat that, when combined with the valve body, still allows for adequate shutoff of the pipeline.
  • the hardness of the material of the valve body is greater than that of the material of the valve seat.
  • Such a design makes it possible to further reduce wear and adequately transfer the forces acting on the axially movable valve body to the valve seat, even under loads of high fluid temperatures and pressures.
  • the "hardness" of the material is understood in mechanical engineering as the mechanical resistance that a material offers to the mechanical penetration of another body. The increased hardness of the valve body material makes it possible to reduce wear on the valve body or valve element.
  • a proximity sensor preferably an inductive proximity sensor, is provided to detect the axial movement of the valve train.
  • Such a design makes it possible to enable axial movement of the valve train without thermal coupling, i.e., without a direct connection between the proximity sensor and the valve train. Such a design also makes it possible to determine the axial travel of the valve train with a simple design.
  • a displacement sensor is provided to determine an axial movement of the valve stem.
  • valve control can be adjusted to accommodate changes in operating points, thus avoiding increased forces acting on the valve. This means that the position sensor can directly generate information about the valve stem travel, and the required valve stem travel during valve opening and closing can be recorded and monitored regardless of the ambient conditions.
  • valve stem can be provided in a valve housing part which has cooling fins, particularly preferably on an outer circumferential surface of the housing.
  • valve housing has a first and a second connection in order to be able to establish a connection to the pipeline.
  • Figure 1 shows the overall structure of a valve with an externally arranged drive and with a holder 53 provided for these elements.
  • the valve arranged on the holder 53 is connected by a valve member 20, a valve drive 30, which, similar to a spindle, has an external thread on its outer circumferential surface, and a damper 40 arranged between the valve member 20 and the valve train 30, the elements of which will be described in more detail later.
  • an inductive proximity sensor 60 is provided on the holder 53 above the valve train 30, via which an axial movement of the valve train 30 is determined and which is connected to a controller.
  • the controller serves to control and/or regulate the valve, in particular the movement of the valve member.
  • a drive 50 is connected to the holder 53.
  • the drive 50 can be designed as a stepper motor.
  • a chain wheel 51 is provided on the power-transmitting output of the drive 50.
  • This chain wheel 51 is power-transmittingly connected to the Fig. 2
  • the drive belt 10 is connected to the sprocket 31 shown, so that a rotational force can be transmitted.
  • this connection is made by means of a chain (not shown), e.g., a stainless steel chain, which allows for continuous and precise power transmission because slippage, as with a belt connection, is avoided.
  • a toothed belt would also be conceivable as an alternative to the chain.
  • the valve shown has a conical valve seat 10.
  • the valve seat 10 is formed in a first valve housing part 12 with an inlet 11 and a non-visible outlet, so that a fluid flow can flow from the inlet 11 via the valve seat to the outlet (not shown) in the first valve housing 12 when the valve is arranged in a pipeline (not shown) when the valve is closed.
  • a valve body 22 of the valve rests against the valve seat 10 in such a way that it completely blocks the fluid flow from the inlet 11 to the outlet in the first valve housing.
  • valve body 22 is formed with the valve stem 21, in particular in one piece and of the same material. Consequently The valve body 22 and the valve stem 21 together form the valve body 22 which has already been Figure 1 described valve member 20.
  • the valve stem 21 is mounted in the valve housing part 12 in an axial direction (longitudinal direction) of the valve stem 21.
  • a plurality of stuffing boxes 14 are provided.
  • the stuffing boxes 14 rest against an axially lower end (facing the valve seat 10) of a radial recess in the first valve housing part 12, and their position is defined in the axial direction by the limiting element 15.
  • the limiting element 15 is fixed in its axial and radial position by a connection to the first valve housing part 12.
  • cooling fins 13 are provided on an outer peripheral surface of the first valve housing part 12.
  • the first valve housing part 12 forms the valve housing together with the second valve housing part 36, which is formed axially above the first valve housing part 12 and connected to the first valve housing part 12.
  • the second valve housing part 36 and the first valve housing part 12 are connected in such a way that the limiting element 15 extends through the second valve housing part 36 into the first valve housing 12.
  • valve stem 21 of the valve member 20 projects in the axial direction from the first valve housing part 12 and the limiting element 15 into the second valve housing part 36.
  • a chain wheel 31 is rotatably mounted on the second valve housing 36 via a radial projection by means of a bearing element 33.
  • the bearing element 33 can be designed either as a plain bearing or as a roller bearing.
  • the chain wheel 31 is secured in its bearing by a cover 32 and This prevents the bearing of the sprocket 31 from falling apart and allows for the smooth application of radial forces. This makes it possible to prevent damage to the valve itself or, in particular, to the proximity sensor 60 arranged above the valve.
  • the sprocket 31 is fixedly connected to a rotating spindle 34, which is cylindrical in the axial direction.
  • a rotating spindle 34 which is cylindrical in the axial direction.
  • the inner circumferential surface of the rotating spindle 34 has an internal thread in the axial direction, which is dimensioned such that these threads of the rotating spindle 34 engage with the external thread of the valve train 30 and thus guide the valve train 30 centrally along an axial direction.
  • the axial position of the valve train 30 can be defined by means of a relative movement via the threads between the valve train 30 and the rotating spindle 34.
  • a rotational force of the sprocket 31 is converted via the rotating spindle 34 into a purely translational force in the axial direction of the valve train 30. It should therefore be noted that the valve train 30 does not rotate with the sprocket 31.
  • test plate 35 which interacts with the proximity sensor 60, is provided for checking the axial travel of the valve train. This means that the test plate serves to Figure 1 explained proximity sensor 60 to check an axial movement of the valve train 30.
  • a damper 40 is arranged between the valve train 30 and the valve member 20 (see in particular Fig. 3 ).
  • the damper 40 By arranging the damper 40 in the axial direction between the valve gear 30 and the valve stem 21, it is thus possible to absorb forces generated by thermal expansion, e.g. of the valve member. so that the rotation of the rotating spindle 34 or the sprocket 31 is not subjected to axial forces.
  • the damper 40 can dampen forces transmitted from the valve train 30 to the valve stem 21.
  • the damper 40 is provided in a pot construction.
  • the damper 40 in this case a coil spring, is formed between a cover 42 and a pot 41.
  • the cover 42 is firmly connected to the end of the valve train 30 facing the damper 40, for example via a tongue and groove connection.
  • the pot 41 can be firmly connected to the end of the valve stem 21 facing the damper 40 via a tongue and groove connection.
  • a positive connection between the pot 41 or the cover 42 and the ends of the valve train 30 or the valve stem 21 is also conceivable.
  • the cover 42 is designed such that it surrounds one end of the damper 40 in the circumferential direction and can be axially guided on the inner circumferential side surfaces of the pot 41. This prevents non-axial displacement of the damper and enables a dynamic valve seat, which simplifies positioning and reduces forces acting on the valve seat 10.
  • both the end of the damper 40 facing the valve stem and the valve train to be guided in the axial direction by a piston-like structure and for the damper to only bear against the axial ends of the valve stem and the valve member, while a non-axial movement is prevented by the design of the piston-like structures on the valve train 30 and valve stem 21.
  • the piston-like structure is provided with axial projections at the radial ends in the axial direction of the damper 40. designed to limit non-axial movement of the damper.
  • both the cover 42 and the pot 41 to be rigidly connected to the damper 40.
  • the coil spring 40 it is also possible for the coil spring 40 to be rigidly connected to the valve train 30 and the valve stem 20. In this case, the conversion of the rotary movement into axial movement, as described above, takes place in the region of the rotary spindle 34 and the threads of the valve train 30.
  • the coil spring 40 rest only on the mutually facing ends of the pot 41 and the cover 42, and for the pot 41 to be arranged between the valve stem 21 and the valve train 30 for axial guidance of the damper.
  • the cover can move in the axial direction, as in the described exemplary embodiment, which is not part of the present invention, and thus transmit forces to the damper 40 and thus to the valve member 20.
  • the speed and the size of the valve movement between a closed and an open state i.e. the so-called valve lift
  • the speed and the size of the valve movement between a closed and an open state can be controlled not only by the speed or the steps of the drive 50, but also by the pitch of the threads on the valve train 30.
  • valve body 22 In another in Figure 4 In the schematically illustrated embodiment of the present invention, it is possible for the valve body 22 to have a spherical section. This means that when the spherical When the valve body 22 is in contact with the valve seat 10, the valve member 20 is automatically centered by the spherical shape of the valve body 22. This has the effect that the spherical design of the valve body 22 enables an even distribution of force on the valve body 22 and valve seat 10 and easy positioning. In the further Figure 4 In the embodiment shown, the spherical portion of the valve body 22 rests on a rectangular valve seat 10 in the form of a bore.
  • valve seat 10 is a hole in the first valve housing part 12 against which the spherical portion of the valve body 22 rests via a line contact. This means that closure of the valve can be ensured despite dynamic operating points via the line contact and automatic centering in this embodiment.
  • the valve of the exemplary embodiment which is not part of the present invention, serves to guide a fluid flow in the open state of the valve from the inlet 11 in the first valve housing part 12 through the region of the valve seat 10 to the outlet (not shown) in the first valve housing part 12.
  • the valve body 22 of the valve member 20 presses in the axial direction against the valve seat 10 in the first valve housing part 12 and thus blocks the fluid flow from the inlet 11 to the outlet.
  • a The rotational force generated by the drive 50 is converted into an axial force by means of a force transmission from the rotary spindle 34 to the threads of the valve train 30, which is then transmitted to the valve member 20 via the damper 40.
  • the design of the rotary spindle 34, together with the threads of the valve train 30 described above, thus represents a threaded spindle that can convert a rotational movement into an axial movement.
  • the valve closing process is thus structured, for example, as follows: First, the drive 50 is actuated by means of a control system so that it generates a rotational force in one direction. This rotational force can be transmitted, if necessary with a transmission ratio, from the sprocket 51 to the sprocket 31 via, for example, a chain connection. This causes the sprocket 31, which is mounted in the second valve housing part 36, to rotate, which also causes the rotating spindle 34, which is firmly connected to the sprocket 31, to rotate.
  • the drive 50 can be controlled via sensors in addition to the predefined travel paths of the valve train 30 by the rotary spindle 34 and the drive 50.
  • an axial travel path of the valve train 30 can be monitored by a contactless measuring system, for example, via the proximity sensor 60 and the interacting test plate 35 on the valve train 30.
  • a contactless measuring system for example, via the proximity sensor 60 and the interacting test plate 35 on the valve train 30.
  • an additional axial travel path is also traveled, which compresses the damper 40.
  • a measuring system that directly measures the travel of the valve member 20 is also possible.
  • the travel of the valve member 20 can thus be used as a control variable for the actuator 50.
  • Figure 5 a schematic cross-sectional view of the valve according to a further embodiment, in which the valve drive interacts directly with the valve body to transmit force and the two elements are movable independently of one another.
  • the Another embodiment comprises a valve housing with an inlet and an outlet, a valve train 30, a valve body 22, and a valve stem 21. Similar to the exemplary embodiment described above, the valve stem 21 and the valve body 22 form the valve member 20. In this embodiment, too, the valve body 22 is provided to come into contact with a valve seat 10 in order to block fluid flow.
  • the Figure 5 differs from the exemplary embodiment of the Figures 1-4 , which is not part of the present invention, in that the valve body 22 and the valve train 30 are not ("fixedly") connected, but are movable independently of each other.
  • the valve body 22 is a ball 23.
  • the ball 23 is accommodated in a convex-shaped receptacle 39 and mounted therein for free movement. This allows free rotation of the spherical valve body 22 and secure closure of the valve.
  • the receptacle 39 is provided at a first axial end of a valve stem 21.
  • a spring element 70 engages an opposite second axial end of the valve stem 21. The spring element 70 presses the ball 23 axially into the valve seat 10.
  • valve body 22 is consequently pressed into the valve seat 10 both by the fluid pressure generated during operation by the fluid flowing in the valve and by the spring element 70.
  • valve train 30 can be positioned at a distance and decoupled (unconnected) from the valve body 22 in the closed state of the valve and can press directly onto the valve body 22 by means of the axially movable shaft 38 during the opening process of the valve.
  • valve train 30 and the valve member 20, or the valve body 22 are movable independently of each other and the valve train 30 and the valve body 22 are decoupled from each other or not connected to each other.
  • valve train 30 in particular the axially movable shaft 38 of the valve train 30, is spaced from the valve body 22, so that no thermal stresses can occur between the two elements.
  • valve train 30 When the valve is to be (partially) opened, the valve train 30 is operated similarly to the exemplary embodiment of the Figures 1-4 , which is not part of the present invention, is driven by the motor and thus moves in the axial direction opposite to the direction of the spring force of the spring element 70 and towards the valve body 22.
  • valve train 30 When the valve train 30 comes into contact with the valve body 22, the degree of opening can be controlled by further moving the valve train 30 against the direction of the spring element 70 and against the flow of the fluid from the inlet to the outlet of the valve housing. That is, in the Figure 5 In the further embodiment shown, the valve train 30, in particular the axially movable shaft 38 of the valve train 30, presses against the valve body 22 and lifts the valve body 22 from the valve seat 10 against the spring force of the spring element 70 and the fluid pressure. Thus, the valve can be opened.
  • valve train 30 When the valve is closed again, the travel path of the axially movable shaft 38 of the valve train 30 is reversed, and the valve body 22 is repositioned in the valve seat 10 due to the spring force of the spring element 70 and the pressure of the fluid on the valve body 22. Consequently, the valve train 30 no longer needs to be in contact with the valve body 22 in order to correctly position the valve body 22 and close the valve.
  • a proximity sensor can be provided in the area of the valve train 30, so that position monitoring of the valve train 30 can be ensured. This serves primarily for sensory comparison with the control of the engine 50. Thus, problems in the valve can be detected quickly and easily.
  • Figure 6 shows a schematic cross-sectional view of the valve, in which the valve train interacts directly with the valve body to transmit force and the two elements can be moved independently of each other.
  • the Figure 6 shown embodiment differs from the previously described embodiments of the Figures 1 to 4 which are not part of the present invention, and in particular from the Figure 5 shown embodiment, that the valve body 22 and the valve train 30 are not ("fixedly") connected, but are movable independently of each other, and that the valve body 22 is conical in the radial direction.
  • valve stem 21 and the valve body 22 are designed as an integral component.
  • multi-piece designs consisting of the valve body 22 and the valve stem 21 are also conceivable, so that here too the valve stem 21 and the valve body 22 form the valve member 20.
  • the valve body 22 is also provided to come into contact with a valve seat 10 in order to block fluid flow.
  • a spring element 70 is provided to press the valve body 22 in the axial direction into the valve seat 10.
  • the largest part of the closing force of the valve body 22 against the valve seat 10 is achieved by means of the steam pressure, and the spring element 70 contributes to this as a guide and support element.
  • valve train 30 in the closed state of the valve is spaced and decoupled (unconnected) to the Valve body 22 is positioned and can press directly onto the valve body 22 during the opening process of the valve by means of the axially movable shaft 38.
  • valve body 22 of the Figure 6 shown embodiment has a centrally arranged, conical projection 24 which extends in the axial direction in the direction of the valve train 30, wherein the diameter of the projection 24 decreases in the direction of the valve train 30.
  • the axially movable shaft 38 comes into contact with the projection 24 and thus opens the valve against the spring force of the spring element 70 and against the fluid back pressure. Due to the conicity of the projection, automatic self-centering with the flow fluid at the valve seat can occur when the valve closes, thus improving the sealing performance and long-term durability of the valve.
  • valve body 22 shown has a surface (25) that is beveled in the axial direction in the contact area with the valve seat.
  • the angle of inclination of the upper valve seat surface to the horizontal in the embodiment shown is 1°. However, other angles between 0.5° and 1.5° for self-centering of the valve body 22 on the valve seat 10 are also possible.
  • Figure 7 also shows a cross-sectional view through the Figure 6 integrally formed valve body 22.
  • longitudinal grooves 26, in particular six longitudinal grooves 26, are formed uniformly on the outer peripheral surface of the integral valve body 22 along the axial extension direction thereof.
  • the longitudinal grooves 26 on the valve body 22 allow the steam flowing through the valve to flow particularly easily and quickly within the valve.
  • the longitudinal grooves 26 are shown on the integral valve body 22, the longitudinal grooves 26 can also be formed on the valve stem 21 of the remaining embodiments to allow the steam to flow quickly and easily through the valve along the valve body guide, e.g., along the valve stem 21.

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Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ventil oder eine Armatur zur Anordnung in einer Rohrleitung und zur Steuerung und/oder Regelung einer Fluidströmung, insbesondere einer Dampfströmung, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
    • HINTERGRUND
  • Solche Ventile zur Steuerung und/oder Regelung einer Fluidströmung umfassen in der Regel einen Ventilsitz und ein Ventilglied, das axial beweglich gelagert ist. Das Ventilglied weist üblicherweise einen Ventilschaft und an einem Ende davon einen Ventilkörper auf. Zur Betätigung des Ventils, d.h. zur axialen Bewegung des Ventilglieds, insbesondere des Ventilkörpers, ist ferner ein Ventiltrieb vorgesehen, der unmittelbar oder mittelbar kraftübertragend mit dem Ventilschaft verbunden ist. Dadurch kann der Ventilkörper zum Öffnen des Ventils von dem Ventilsitz abgehoben und ein Durchfluss durch die Rohrleitung bzw. das Ventil ermöglicht werden. Um das Ventil in eine geschlossene Stellung zu bringen wird der Ventilkörper wieder in Kontakt mit dem Ventilsitz gebracht und blockiert somit eine Fluidströmung durch die Rohrleitung.
  • Das Ventil der vorliegenden Anmeldung kommt beispielsweise in Rohrleitungen zum Einsatz, die Frischdampf, zum Beispiel zu einem Dampfmotor, fördern. Besonders bei hohen Fluiddrücken und hohen Fluidtemperaturen, die z.B. in dem obigen Einsatzgebiet auftreten, muss das Ventil gewährleisten, dass die Rohrleitung im geschlossenen Zustand trotz der hohen Belastung zuverlässig abgesperrt ist.
  • Durch die hohen Temperaturen treten thermische Veränderungen, insbesondere Materialausdehnungen, auf, welche zur Veränderung des Betriebspunkts des Ventils führen können. Dadurch kann es vorkommen, dass das Ventilglied, insbesondere der Ventilkörper mit einer zu großen Kraft in den Ventilsitz gedrückt wird. Bei einer wiederholten Betätigung des Ventils hat dies jedoch einen hohen Verschleiß des Ventilkörpers und/oder des Ventilsitzes zur Folge, der zu einer Leckage des Ventils im geschlossenen Zustand führen kann. Zudem kann der Verschleiß Bypassströme im Ventil und Störungen im Gesamtsystem, in dem das Ventil zur Steuerung und/oder Regelung eines Fluidstroms eingesetzt wird, zur Folge haben.
  • Ferner kann es auch vorkommen, dass das Ventil aufgrund von Materialausdehnungen nicht vollständig schließt und folglich Leckage auftritt.
  • Daher erfordern Ventile aus dem Stand der Technik regelmäßig eine komplexe Positionierung des Ventilkörpers auf dem Ventilsitz und/oder eine relativ komplexe dynamische Anpassung des Betriebspunkts in Abhängigkeit der herrschenden Temperaturen.
  • Im Stand der Technik sind bisher Ventile zur Steuerung beziehungsweise Regelung einer Fluidströmung bekannt, die mittels eines kegelförmigen Ventilsitzes ein vereinfachtes Zusammenwirken des Ventilkörpers und des Ventilsitzes ermöglichen sollen. Insbesondere wird dadurch der Ventilkörper in den Ventilsitz geführt, was auch bei hohen Kräften zu einem sicheren und verschleißarmen Schließen führen soll. Dennoch liefern auch diese Ventile bei hohen Temperaturen und Drücken kein zufriedenstellendes Ergebnis.
  • Überdies ist aus US 5,145,148 A ein Magnetventil zur Steuerung und/oder Regelung einer Hydraulikströmung, z.B. in einem "hydraulic adaptive breaking system", bekannt.
  • EP 0 952 331 A2 offenbart gemäß dessen Abstract außerdem ein Abgasrückführventil, das zur Verhinderung eines Funktionsausfalls bei Verkleben des Ventiltellers mit dem Ventilsitz durch Ablagerungen z. B. bei abgestellter Brennkraftmaschine so aufgebaut ist, dass es möglich ist, kinetische Energie in einem Bauteil zu speichern, das mit einem Kopf am freien Ende der Ventilstange nach Überwindung einer der Krafterhöhung dienenden Raststellung in Wirkverbindung bringbar ist.
  • Insbesondere kann weder die Problematik verursacht durch die thermische Ausdehnung noch der erhöhte Verschleiß durch eine solche Ventilgestaltung behoben werden.
    • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ventil zur Steuerung und/oder Regelung einer Dampfströmung, zu schaffen, mit dem die zuvor genannten Probleme zumindest teilweise behoben werden können und bei dem trotz hoher Temperaturen und Drücke ein zuverlässiges und dauerhaftes Schließen bzw. Absperren des Ventils gewährleistet ist.
  • Wird bei der vorliegenden Anmeldung von hohen Temperaturen gesprochen, so gilt dies insbesondere für einen Dampfstrom, d. h. Temperaturen jenseits der 100 °C. Für den effizienten Betrieb eines Dampfmotors sind darüber hinaus Frischdampfparameter mit einem Fluiddruck von 150 bar und Fluidtemperaturen von über 500°C nicht unüblich. Bei derartigen Parametern ist mit einer thermischen Ausdehnung des Ventilglieds, insbesondere des Ventilschafts, von mehreren Millimetern bis über 10 mm in Axialrichtung des Ventils zu rechnen. Diese Ausdehnung muss durch das Ventil ausgeglichen werden, um den Fluidstrom im geschlossenen Zustand des Ventils zu gewährleisten bzw. um eine korrekte Steuerung und/oder Regelung des Fluidstroms im (teilweise) geöffneten Zustand des Ventils zu ermöglichen.
  • Um dies zu realisieren liegt der vorliegenden Anmeldung der Gedanke zu Grunde, dass der Ventiltrieb und der Ventilkörper kraftübertragend zusammenwirken können, um den Ventilkörper von dem Ventilsitz abzuheben, der Ventiltrieb und der Ventilkörper jedoch zum Schließen des Ventils voneinander entkoppelt sind.
  • Unter einer Entkopplung ist hierbei zu verstehen, dass sich der Ventiltrieb und der Ventilkörper relativ zueinander bewegen können.
  • Dadurch ist es möglich etwaig auftretende zu hohe Kräfte zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilsitz beim Schließen zu vermeiden, zu realisieren dass sich Ventilkörper und Ventilsitz zuverlässig finden und etwaige thermisch bedingte Ausdehnungen zumindest beim Schließen des Ventils automatisch kompensiert werden können bzw. keinen Einfluss auf den Schließvorgang haben.
  • Die obige Aufgabe wird beispielsweise durch ein Ventil mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Merkmale sowie Vorteile finden sich in den Unteransprüchen, der folgenden Beschreibung, sowie den Zeichnungen.
  • Gemäß einem ersten Aspekt weist das Ventil (bzw. die Armatur) zur Steuerung und/oder Regelung einer Dampfströmung, einen Ventilsitz und einen Ventilkörper auf. Der Ventilkörper kann Teil eines Ventilglieds sein. Das Ventilglied kann ferner einen axial beweglichen Ventilschaft aufweisen, der mit dem Ventilkörper in Verbindung steht und in einem Ventilgehäuse gelagert ist.
  • Der Begriff "axial" kann hierbei als entlang der Hauptachse des Ventilglieds, des Ventilschafts oder des Ventiltriebs verstanden werden und entspricht der Längsrichtung der besagten Elemente.
  • Ferner weist das Ventil einen Ventiltrieb auf, der zur axialen Bewegung des Ventilkörpers kraftübertragend mit dem Ventilkörper zusammenwirkt, um den Ventilkörper von dem Ventilsitz abzuheben. Hierbei kann der Ventiltrieb direkt auf den Ventilkörper wirken. Außerdem kann der Ventiltrieb auch indirekt über mindestens ein weiteres Element, wie beispielsweise einen Ventilschaft, auf den Ventilkörper wirken. Hierbei sind jeweils der Ventiltrieb und der Ventilkörper voneinander entkoppelt. Die Entkopplung kann so realisiert sein, dass sich der Ventiltrieb unabhängig von dem Ventilkörper bewegen kann.
  • Beispielsweise ist der Ventiltrieb, der ein Außengewinde an seiner äußeren Umfangsfläche aufweisen kann, über die Gewindegänge des Außengewindes mit einer Drehspindel verschraubt, so dass eine extern auf die Drehspindel aufgebrachte Rotationskraft zum Antreiben des Ventils durch den Drehspindel in eine rein axiale Bewegung des Ventiltriebs übertragen werden kann. Hierbei ist der Ventiltrieb mit seinem Außengewinde also als Spindel anzusehen, der mit der Drehspindel zusammenwirkt. Das heißt, über den Ventiltrieb wird eine Relativkraft aufgebracht, um den Ventilkörper mittels des Ventiltriebs axial zu bewegen, um den Ventilkörper von dem Ventilsitz abzuheben. Dadurch kann ein Öffnungsgrad des Ventils realisiert werden.
  • Das Ventilglied ist samt Ventilschaft und Ventilkörper entlang einer axialen Richtung beweglich. Dadurch verschließt der Ventilkörper in einem geschlossenen Zustand des Ventils die Rohrleitung, indem er mit dem Ventilsitz zusammenwirkt. Eine Fluidströmung ist blockiert und die Rohrleitung abgesperrt. Ferner kann der Ventilkörper in der axialen Richtung angehoben werden, so dass das Ventil geöffnet und eine Fluidströmung durch die Rohrleitung möglich wird.
  • Die Form des Ventilkörpers und/oder des Ventilsitzes ist frei wählbar, solange ein Zusammenwirken des Ventilsitzes und des Ventilkörpers zum Absperren der Fluidströmung in der Rohrleitung sichergestellt werden kann.
  • Außerdem wird der Ventilkörper mittels eines Federelements in den Ventilsitz gedrückt. Hierbei kann die Federkraft des Federelements vordefiniert sein und gegebenenfalls eingestellt oder angepasst werden. Außerdem wirkt der Ventiltrieb zur axialen Bewegung des Ventilkörpers kraftübertragend, bevorzugt direkt, mit dem Ventilkörper zusammen, um den Ventilkörper von dem Ventilsitz abzuheben. Hierbei sind der Ventiltrieb und der Ventilkörper unabhängig voneinander bewegbar.
  • Als "kraftübertragend zusammenwirken" kann hierbei verstanden werden, dass der Ventiltrieb Kraft auf den Ventilkörper aufbringen kann ohne dass der Ventiltrieb fest mit dem Ventilkörper verbunden ist. Das heißt, der Ventilkörper ist in einem geschlossenen Zustand des Ventils nicht mit dem Ventiltrieb verbunden bzw. steht nicht mit diesem in Kontakt. Dadurch ist es möglich die eingangs beschriebene Entkopplung des Ventiltriebs vom Ventilkörper zu erzielen und somit eine verschleißarme, einfache und selbstzentrierende Positionierung des Ventilkörpers auf dem Ventilsitz zu ermöglichen, ohne dass der Ventiltrieb mit dem Ventilkörper verbunden sein muss.
  • Durch die Ausgestaltung des Federelements, welche auf den Ventilkörper drückt und nicht mit dem Ventiltrieb verbunden ist, kann eine sogenannte "cartridge"-Bauweise des Ventilglieds mit dem Federelement, also ein einfacher Austausch dieser Elemente, erzielt werden. Dies ermöglicht eine einfache Wartung des Ventils.
  • Somit ist es möglich, eine Entkopplung der Axialbewegung und der Abdichtung des Fluidstroms zu erzielen. Außerdem können Verspannungen und Verzug im Ventil verhindert werden. Dadurch kann Verschleiß reduziert, die Lebensdauer gesteigert, sowie die Funktionsfähigkeit des Ventils langfristig reibungsarm aufrechterhalten werden.
  • Zudem ist der Ventiltrieb, insbesondere ein axialbeweglicher Schaft des Ventiltriebs, im geschlossenen Zustand des Ventils von dem Ventilkörper beabstandet und kommt zum Abheben des Ventilkörpers von dem Ventilsitz mit dem Ventilkörper in Kontakt.
  • Gemäß einer solchen Ausgestaltungsform kann bei Betätigung des Ventils, also bei einer Öffnung des Ventils und einem Abheben des Ventilkörpers vom Ventilsitz ein Kontakt zwischen dem Ventiltrieb, insbesondere dem axialbeweglichen Schaft, und dem Ventilkörper erzeugt werden. Wird also das Ventil in einem geschlossenen Zustand gehalten, herrscht kein Kontakt zwischen dem Ventiltrieb und dem Ventilkörper. Dadurch können thermische Verspannungen im Ventil vermieden und thermische Ausdehnungen ausgeglichen werden. Das heißt, es wird eine Entkopplung zwischen dem Ventilkörper und dem Ventiltrieb erzielt.
  • Außerdem kann neben der Entkopplung des Ventilkörpers und dem Ventiltrieb ein automatischer Verschluss des Ventils auf Grund des Dampfdrucks erzielt werden. Das heißt, der Dampfdruck presst den Ventilkörper auf den Ventilsitz ohne dass dabei der Ventiltrieb Druck auf den Ventilkörper ausüben muss. Somit kann nicht nur der Verschleiß, insbesondere durch die Kräfte des ansonsten nötigen Ventiltriebs beim Ventilschließen drastisch reduziert werden, sondern auch die Wirtschaftlichkeit verbessert werden, da deutlich weniger Energie benötigt wird. Außerdem kann durch den Ventilverschluss mittels des Dampfdrucks eine Selbstzentrierung des Ventilkörpers erzielt werden.
  • Insbesondere bei besonders hohen Drücken ist dies vorteilhaft, da beispielsweise hohe Gegenkräfte durch einen angetriebenen Ventiltrieb im geschlossenen Zustand des Ventils nicht nötig sind und ein "Selbstverschluss" mittels des Dampfdrucks stattfindet. Ein "Zwicken" oder "Verklemmen" des Ventiltriebs kann somit vollständig verhindert werden. Das Ventil "hilft sich selbst", denn je höher der Dampfdruck ist, umso stärker ist der erzielte Verschlusseffekt des Ventils.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt drückt die Federkraft des Federelements den Ventilkörper in einer ersten Richtung in den Ventilsitz. Der Ventiltrieb, insbesondere der axialbewegliche Schaft des Ventiltriebs, ist stattdessen in einer entgegengesetzten zweiten Richtung bewegbar. Gemäß einer solchen Ausgestaltungsform ist es möglich, dass der Ventilkörper und der Ventiltrieb in entgegengesetzten Richtungen bewegt werden können und nur bei Öffnung des Ventils, also beim Abheben des Ventilkörpers vom Ventilsitz, der Ventilkörper mit dem Ventilschaft kraftübertragend in Kontakt kommt. Das heißt, bei der Öffnung des Ventils wirkt der Ventiltrieb der Federkraft des Federelements und dem Dampfdruck entgegen und erzielt somit eine Öffnung des Ventils. Die Federkraft ist hierbei jedoch lediglich in einer unterstützenden Funktion des Ventilverschlusses zu verstehen, denn der überwiegende Anteil der Verschlusskraft wird durch den Dampfdruck erzielt.
  • In einer Variante weist der Ventilkörper zumindest einen kugelförmigen Abschnitt auf, der in einer geschlossenen Position des Ventils, in welcher der Ventilkörper in den Ventilsitz gedrückt wird, mit dem Ventilsitz zusammenwirkt. An dieser Stelle sei erwähnt, dass dieser Aspekt auch unabhängig von den obigen Aspekten betreffend den Dämpfer sowie das Federelement umgesetzt werden kann.
  • Bevorzugt ist hierbei, dass der Ventilkörper eine Kugel ist.
  • Durch solche Ausgestaltungen ist es möglich, einen Verschleiß weiter zu reduzieren. Dies beruht vor allem darauf, dass durch die kugelförmige Oberfläche des Ventilkörpers eine Selbstzentrierung des Ventilkörpers auf dem Ventilsitz stattfinden kann. Somit ist es möglich, ein Verkeilen beziehungsweise ein "Zwicken" des Ventilkörpers im Ventilsitz zu verhindern und Spannungen im Ventil zu vermeiden. Außerdem können durch die kugelförmige Oberfläche des Ventilkörpers die auftretenden Kräfte gleichmäßig über die komplette Oberfläche des Ventilkörpers verteilt werden. Des Weiteren ist durch einen solch einfachen Aufbau sichergestellt, dass der Ventilsitz stets in der richtigen Position mit dem kugelförmigen Ventilkörper zusammenwirkt. Somit können immer die gleichen Kräfte zum Eindrücken des Ventilkörpers in den Ventilsitz verwendet werden.
  • Folglich ist eine einfache, dynamische, präzise, und verschleißarme Positionierung und Verwendung des Ventils realisierbar.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist der Ventilkörper in einer konvex geformten Aufnahme frei beweglich aufgenommen. Hierbei kann die Aufnahme des Ventilkörpers am Ventilglied, insbesondere am Ventilschaft ausgebildet sein. Außerdem ist es möglich, dass der kugelförmige Ventilkörper am axialbeweglichen Schaft aufgenommen ist. Dadurch ist es möglich, dass sich der kugelförmige Körper frei drehen kann und somit die Positionierung und Zentrierung des Ventilkörpers auf dem Ventilsitz weiter verbessert werden kann.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt weist das dem Ventiltrieb zugewandte axiale Ende des Ventilkörpers eine zur Mittelachse des Ventilkörpers hin abgeschrägte Oberfläche auf. Diese abgeschrägte Oberfläche ist so angeordnet, dass eine Vertiefung am Ventilkörper ausgebildet wird. Hierbei beträgt der Neigungswinkel der abgeschrägten Oberfläche des Ventilkörpers zu einer Horizontalen zwischen 0,5° und 1,5°, bevorzugt 1°.
  • Hierbei ist der "Neigungswinkel" als Winkel zwischen einer Achse entlang der abgeschrägten Oberfläche des Ventilkörpers (erster Winkelschenkel) und einer horizontalen Achse (zweiter Winkelschenkel), welche bevorzugt die Achse entlang der abgeschrägten Oberfläche an der Längsachse des Ventilkörpers schneidet (Winkelscheitel), zu verstehen.
  • Dadurch ist eine einfache, präzise, und verschleißarme Positionierung und Verwendung des Ventils realisierbar. Ferner kann durch die abgeschrägte Oberfläche eine sichere Abdichtung des Dampfstroms sichergestellt werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist der Ventilsitz im axialen Längsschnitt rechtwinklig ausgestaltet. Anders ausgedrückt ist der Ventilsitz lediglich eine Bohrung. Dabei ist der Durchmesser des Ventilsitzes kleiner als der Durchmesser des Ventilkörpers, insbesondere des erwähnten kugelförmigen Abschnitts, wenn vorhanden.
  • Mit einer solchen einfachen Ausgestaltung ist es möglich, unter der Situation einer temperaturbedingten Änderung der Betriebspunkte des Ventilkörpers und des Ventilsitzes eine einfache und verschleißarme Zentrierung und Positionierung des Ventilkörpers auf dem Ventilsitz zu ermöglichen. Mit einer solchen Ausgestaltungsform ist es außerdem möglich, einen kostengünstigen Ventilsitz zu erzeugen, der jedoch beim Zusammenwirken mit dem Ventilkörper eine ausreichende Absperrung der Rohrleitung ermöglicht.
  • Insbesondere zusammen mit der Ausgestaltung des Ventilkörpers mit einem kugelförmigen Abschnitt steht der Ventilkörper über den Ventilsitz einen bestimmten Bereich hinaus und eine Zentrierung des Ventilkörpers bei einem Schließvorgang des Ventils, sprich also das Zusammenwirken zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilsitz, ist einfach realisiert worden. Durch eine solche Ausgestaltung ist es ferner möglich, dass der Ventilkörper des Ventilglieds lediglich über einen Linienkontakt am Ventilsitz anliegt, sodass eine einfache Positionierung des Ventilkörpers des Ventilglieds auch bei einer thermischen Ausdehnung beziehungsweise einer thermischen Beeinflussung der Betriebspunkte möglich ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Härte des Materials des Ventilkörpers größer ist als diejenige des Materials des Ventilsitzes.
  • Mit einer solchen Ausgestaltung ist es möglich, den Verschleiß weiter zu reduzieren und die Kräfte, die auf den axial beweglichen Ventilkörper wirken, auch bei einer Belastung mit hohen Fluidtemperaturen und hohen Fluiddrücken, ausreichend auf den Ventilsitz zu übertragen. Als "Härte" des Materials ist hierbei die im Maschinenbau übliche Härte als mechanischer Widerstand, den ein Werkstoff der mechanischen Eindringung eines anderen Körpers entgegensetzt, zu verstehen. Die erhöhte Härte des Materials des Ventilkörpers, ermöglicht hierbei, die Verschleißerscheinungen am Ventilkörper beziehungsweise dem Ventilglied, zu reduzieren.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Näherungssensor, bevorzugt ein induktiver Näherungssensor, vorgesehen, um die axiale Bewegung des Ventiltriebs zu erfassen.
  • Durch eine solche Ausgestaltung ist es möglich, eine axiale Bewegung des Ventiltriebs ohne thermische Kopplung, also ohne eine direkte Verbindung zwischen dem Näherungssensor und dem Ventiltrieb, zu ermöglichen. Durch eine solche Ausgestaltung ist es ferner möglich, den axialen Verfahrweg des Ventiltriebs mit einer einfachen Ausgestaltung zu bestimmen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Wegmesssensor vorgesehen, um eine axiale Bewegung des Ventilschafts zu bestimmen.
  • Dies birgt den Vorteil, dass auch bei sich thermisch ändernden Betriebspunkten zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilsitz, eine präzise Messung des Schließvorgangs beziehungsweise des Öffnungsvorgangs des Ventils möglich ist. Ferner ist es mit einer solchen Ausgestaltung möglich, ohne Beeinflussung des Ventils durch äußere Kräfte zu jedem Zeitpunkt eine Position des Ventilglieds insbesondere des Ventilkörpers zu bestimmen. Zudem kann der Wegmesssensor dazu verwendet werden, die Steuerung des Ventils hinsichtlich der Veränderung der Betriebspunkte anzupassen, so dass erhöhte Kräfte auf das Ventil vermieden werden können. Das heißt, durch den Wegmesssensor können direkt Informationen über den Verfahrweg des Ventilschafts generiert werden und der notwendige Verfahrweg des Ventilschafts beim Öffnen und Schließen des Ventils kann unabhängig von den Umgebungsbedingungen erfasst und überwacht werden.
  • Ferner kann der Ventilschaft in einem Ventilgehäuseteil vorgesehen sein, welches Kühlrippen, besonders bevorzugt an einer äußeren Umfangsfläche des Gehäuses, aufweist.
  • Mit einer solchen Ausgestaltung ist es möglich, die axialen Kräfte der thermischen Expansion, die durch beispielsweise eine Dampfströmung im Ventil hervorgerufen werden, zu reduzieren, da durch die Kühlrippen Wärme vom Ventil abgeführt werden kann.
  • Dadurch kann eine Veränderung der Betriebspunkte des Ventils vermindert und eine einfache Positionierung und ein geringerer Verschleiß durch eine geringere Belastung des Ventils sichergestellt werden.
  • Ferner weist das Ventilgehäuse gemäß einem Aspekt einen ersten und zweiten Anschluss auf, um eine Verbindung zu der Rohrleitung herstellen zu können.
    • KURZE BESCHREIBUNGEN DER ZEICHNUNGEN
  • Nachfolgend wird anhand schematischer Zeichnungen ein Ventil zur Steuerung beziehungsweise Regelung einer Fluidströmung, insbesondere einer Dampfströmung, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform erläutert. Generelle Beispiele solcher Vorrichtungen werden beispielsweise in Dampfkreisläufen von Kraftwerken, insbesondere als Einspritzventil einer Dampfturbine oder in Zusammenhang mit dem Betrieb eines Dampfmotors verwendet. Es zeigen:
    • Figur 1: eine schematische Querschnittsansicht des Ventils gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, welche nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, in einem Gesamtaufbau mit einem extern angeordneten Antrieb und mit einer für diese Elemente vorgesehenen Halterung;
    • Figur 2: eine schematische Querschnittsansicht des Ventils aus Fig. 1;
    • Figur 3: eine vergrößerte partielle Querschnittsansicht des Bereichs A aus Fig. 2.
    • Figur 4: einen kugelförmigen Ventilkörper auf einem rechtwinkligen Ventilsitz gemäß einer weiteren Ausführungsform.
    • Figur 5: eine schematische Querschnittsansicht des Ventils gemäß einer weiteren Ausführungsform, in welcher der Ventiltrieb kraftübertragend direkt mit dem Ventilkörper zusammenwirkt und die beiden Elemente unabhängig voneinander bewegbar sind.
    • Figur 6: eine schematische Querschnittsansicht des Ventils gemäß noch einer weiteren Ausführungsform, in welcher der Ventiltrieb kraftübertragend direkt mit dem Ventilkörper zusammenwirkt und die beiden Elemente unabhängig voneinander bewegbar sind.
    • Figur 7: eine Querschnittsansicht des in Figur 6 gezeigten Ventilkörpers mit Längsnuten.
    BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Figur 1 zeigt den Gesamtaufbau eines Ventils mit einem extern angeordneten Antrieb und mit einer für diese Elemente vorgesehenen Halterung 53. Hierbei ist das an der Halterung 53 angeordnete Ventil durch ein Ventilglied 20, einen Ventiltrieb 30, der ähnlich einem Spindel ein Außengewinde an seiner äußeren Umfangsfläche aufweist, und einen zwischen dem Ventilglied 20 und dem Ventiltrieb 30 angeordneten Dämpfer 40 ausgestaltet, wobei die Elemente später genauer beschrieben werden. Des Weiteren ist oberhalb des Ventiltriebs 30 ein induktiver Näherungssensor 60 an der Halterung 53 vorgesehen, über den eine axiale Bewegung des Ventiltriebs 30 bestimmt wird und der mit einer Steuerung verbunden ist. Die Steuerung dient dabei zur Steuerung und/oder Regelung des Ventils insbesondere der Bewegung des Ventilglieds.
  • Außerdem ist ein Antrieb 50 mit der Halterung 53 verbunden. Der Antrieb 50 kann als ein Schrittmotor ausgestaltet sein. Des Weiteren ist an dem Antrieb 50 ein Kettenrad 51 am kraftübertragenden Ausgang des Antriebs 50 vorgesehen. Dieses Kettenrad 51 ist kraftübertragend mit dem in Fig. 2 gezeigten Kettenrad 31 verbunden, sodass eine Rotationskraft übertragen werden kann. Diese Verbindung erfolgt in der beispielhaften Ausführungsform, welche nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, mittels einer nicht dargestellten Kette, z.B. einer Edelstahlkette, wodurch eine kontinuierliche und genaue Kraftübertragung realisierbar ist, weil ein Durchrutschen, wie beispielsweise bei einer Riemenverbindung vermieden wird. Alternativ zur Kette wäre aber auch ein Zahnriemen denkbar.
  • Das in Figur 2 dargestellte Ventil weist einen kegelförmigen Ventilsitz 10 auf. Der Ventilsitz 10 ist hierbei in einem ersten Ventilgehäuseteil 12 mit einem Einlass 11 und einem nicht sichtbaren Auslass ausgebildet, sodass ein Fluidstrom im geöffneten Zustand des Ventils von dem Einlass 11 über den Ventilsitz zum nicht dargestellten Auslass im ersten Ventilgehäuse 12 strömen kann, wenn das Ventil in einer nicht dargestellten Rohrleitung angeordnet ist. In einem geschlossenen Zustand des Ventils liegt ein Ventilkörper 22 des Ventils so an dem Ventilsitz 10 an, dass er den Fluidstrom vom Einlass 11 zum Auslass im ersten Ventilgehäuse komplett absperrt.
  • Der Ventilkörper 22 ist mit dem Ventilschaft 21, insbesondere einstückig und materialeinheitlich, ausgebildet. Folglich bilden der Ventilkörper 22 und der Ventilschaft 21 gemeinsam das bereits in Bezug auf Figur 1 beschriebene Ventilglied 20.
  • Der Ventilschaft 21 ist in einer axialen Richtung in dem Ventilgehäuseteil 12 in axialer Richtung (Längsrichtung) des Ventilschafts 21 gleitfähig bzw. verschiebbar gelagert. Hierzu sind mehrere Stopfbuchsen 14 vorzugesehen. Die Stopfbuchsen 14 liegen an einem axial hier unteren (dem Ventilsitz 10 zugewandten) Ende einer radialen Vertiefung des ersten Ventilgehäuseteils 12 an und ihre Position wird durch das Begrenzungselement 15 in axialer Richtung festgelegt. Außerdem wird das Begrenzungselement 15 in seiner axialen und radialen Position durch eine Verbindung mit dem ersten Ventilgehäuseteil 12 festgelegt.
  • Des Weiteren sind an einer äußeren Umfangsfläche des ersten Ventilgehäuseteils 12 Kühlrippen 13 vorgesehen.
  • Der erste Ventilgehäuseteil 12 bildet zusammen mit dem in axialer Richtung hier oberhalb des ersten Ventilgehäuseteils 12 ausgebildeten und mit dem ersten Ventilgehäuseteil 12 verbundenen zweiten Ventilgehäuseteil 36 das Ventilgehäuse. Der zweite Ventilgehäuseteil 36 und der erste Ventilgehäuseteil 12 sind so verbunden, dass das Begrenzungselement 15 durch den zweiten Ventilgehäuseteil 36 in das erste Ventilgehäuse 12 hineinreicht.
  • Ferner steht der Ventilschaft 21 des Ventilglieds 20 in axialer Richtung von dem ersten Ventilgehäuseteil 12 und dem Begrenzungselement 15 in den zweite Ventilgehäuseteil 36 vor.
  • An einem hier oberen Ende (dem Ventilsitz 10 abgewandten Ende) des zweiten Ventilgehäuseteils 36 ist ein Kettenrad 31, über einen radialen Vorsprung mittels eines Lagerelements 33 drehbar am zweiten Ventilgehäuse 36 radial gelagert. Das Lagerelement 33 kann hierbei sowohl als Gleitlager, also auch als Wälzlager ausgestaltet sein. Auf der axial anderen Seite des radialen Vorsprungs des Kettenrads 31 wird das Kettenrad 31 in seiner Lagerung durch einen Deckel 32 festgelegt und verhindert so ein Auseinanderfallen der Lagerung des Kettenrads 31 und ermöglicht eine problemlose Einbringung von radialen Kräften. Dadurch ist es möglich, Beschädigungen am Ventil selbst oder insbesondere am oberhalb des Ventils angeordneten Näherungssensors 60 zu verhindern.
  • Das Kettenrad 31 ist fest mit einer Drehspindel 34 verbunden, die in axialer Richtung zylindrisch ausgestaltet ist. Das heißt eine äußere zylindrische Umfangsfläche der Drehspindel 34 ist fest mit dem Kettenrad 31 verbunden. Die innere Umfangsfläche der Drehspindel 34 weist ein Innengewinde in axialer Richtung auf, das so dimensioniert ist, dass diese Gewindegänge der Drehspindel 34 mit dem Außengewinde des Ventiltriebs 30 in Eingriff stehen und somit den Ventiltrieb 30 zentral entlang einer axialen Richtung führen. Das heißt die axiale Position des Ventiltriebs 30 kann mittels einer Relativbewegung über die Gewindegänge zwischen Ventiltrieb 30 und der Drehspindel 34 definiert werden. Somit wird eine Rotationskraft des Kettenrads 31 über die Drehspindel 34 in eine rein translatorische Kraft in axialer Richtung des Ventiltriebs 30 umgewandelt. Es sei also angemerkt, dass dadurch der Ventiltrieb 30 nicht mit dem Kettenrad 31 dreht.
  • An einem axial oberen Ende des Ventiltriebs 30 ist in der beispielhaften Ausführungsform, welche nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, in Figur 2 zudem eine Prüfplatte 35, der mit dem Näherungssensor 60 zusammenwirkt, zur Überprüfung des axialen Verfahrwegs des Ventiltriebs vorgesehen. Das heißt, die Prüfplatte dient dazu durch ein Zusammenwirken mit dem in Figur 1 erläuterten Näherungssensor 60 eine axiale Bewegung des Ventiltriebs 30 zu überprüfen.
  • Des Weiteren ist in der beispielhaften Ausführungsform, welche nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, ein Dämpfer 40 zwischen dem Ventiltrieb 30 und dem Ventilglied 20 angeordnet (siehe insbesondere Fig. 3). Durch die Anordnung des Dämpfers 40 in axialer Richtung zwischen Ventiltrieb 30 und dem Ventilschaft 21 ist es somit möglich, Kräfte, die durch thermische Ausdehnung z.B. des Ventilglieds, erzeugt werden, auszugleichen, so dass die Drehung der Drehspindel 34 bzw. des Kettenrads 31 nicht durch axiale Kräfte belastet wird. Außerdem können durch den Dämpfer 40 Kräfte, die von dem Ventiltrieb 30 auf den Ventilschaft 21 übertragen werden, gedämpft werden.
  • In der in den Figuren 1 bis 3 gezeigten beispielhaften Ausführungsform, welche nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, ist der Dämpfer 40 in einer Topfkonstruktion vorgesehen. Das heißt, der Dämpfer 40, in diesem Fall eine Schraubenfeder, ist zwischen einem Deckel 42 und einem Topf 41 ausgebildet. Hierbei ist der Deckel 42 beispielsweise über eine Nut-Feder-Verbindung fest mit dem Dämpfer 40 zugewandten Ende des Ventiltriebs 30 verbunden. Ebenso kann der Topf 41 fest über eine Nut-Feder-Verbindung mit dem Dämpfer 40 zugewandte Ende des Ventilschafts 21 verbunden sein. Eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Topf 41 bzw. dem Deckel 42 und den Enden des Ventiltriebs 30 bzw. des Ventilschafts 21 ist ebenfalls denkbar. Ferner ist der Deckel 42 so ausgestaltet, dass er ein Ende des Dämpfers 40 in Umfangsrichtung umgibt und an den inneren Umfangsseitenflächen des Topfs 41 axial geführt werden kann. Somit kann eine nicht-axiale Verschiebung des Dämpfers verhindert und ein dynamischer Ventilsitz ermöglicht werden, der die Positionierung vereinfacht und Kräfte, die auf den Ventilsitz 10 wirken, verringert.
  • In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform, welche nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, ist es möglich, dass sowohl das dem Ventilschaft als auch das dem Ventiltrieb zugewandte Ende des Dämpfers 40 mit einer kolbenartigen Struktur in axialer Richtung geführt wird und der Dämpfer lediglich an den axialen Enden des Ventilschafts und des Ventilglieds anliegt, während eine nicht-axiale Bewegung durch die Ausgestaltung der kolbenartigen Strukturen am Ventiltrieb 30 und Ventilschaft 21 verhindert wird. Hierbei ist die kolbenartige Struktur mit axialen Vorsprüngen an den radialen Enden in der axialen Richtung des Dämpfers 40 ausgestaltet, die eine nicht-axiale Bewegung des Dämpfers beschränken.
  • In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform, welche nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, ist es möglich, dass sowohl der Deckel 42, als auch der Topf 41 starr mit dem Dämpfer 40 verbunden ist. In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform, welche nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, ist es ebenso möglich, dass die Schraubenfeder 40 fest mit dem Ventiltrieb 30 und dem Ventilschaft 20 verbunden ist. Hierbei findet die Umwandlung der Drehbewegung in axiale Bewegung, wie oben beschrieben, im Bereich der Drehspindel 34 und den Gewindegängen des Ventiltriebs 30 statt.
  • In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform, welche nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, ist es ferner möglich, dass die Schraubenfeder 40 lediglich an den einander zugewandten Enden des Topfs 41 und des Deckels 42 anliegt und der Topf 41 zur axialen Führung des Dämpfers zwischen dem Ventilschaft 21 und dem Ventiltrieb 30 angeordnet ist. Hierbei kann sich der Deckel wie in der beschriebenen beispielhaften Ausführungsform, welche nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, in axialer Richtung bewegen und somit Kräfte auf den Dämpfer 40 und damit auf das Ventilglied 20 übertragen.
  • In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform kann die Geschwindigkeit und die Größe der Ventilbewegung zwischen einem geschlossenen und einen geöffneten Zustand, also der sogenannten Ventilhub, nicht nur durch die Geschwindigkeit oder die Schritte des Antriebs 50 gesteuert werden, sondern ebenso durch die Steigung der Gewindegänge am Ventiltrieb 30 festgelegt werden.
  • In einer weiteren in Figur 4 schematisch dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass der Ventilkörper 22 einen kugelförmigen Abschnitt aufweist. Das heißt, bei in Kontakt kommen des kugelförmigen Ventilkörpers 22 mit dem Ventilsitz 10 wird durch die Kugelform des Ventilkörpers 22 das Ventilglied 20 automatisch zentriert. Dies hat den Effekt, dass durch die kugelförmige Ausgestaltung des Ventilkörpers 22 eine gleichmäßige Kraftverteilung am Ventilkörper 22 und Ventilsitz 10 und einfache Positionierung ermöglich wird. In der weiteren in Figur 4 dargestellten Ausführungsform liegt der kugelförmige Abschnitt des Ventilkörpers 22 auf einem rechtwinkligen Ventilsitz 10 in Form einer Bohrung an. Das heißt der Ventilsitz 10 ist ein Loch im ersten Ventilgehäuseteil 12 an dem der kugelförmige Abschnitt des Ventilkörpers 22 über einen Linienkontakt anliegt. Das heißt ein Verschluss des Ventils kann trotz dynamischer Betriebspunkte über den Linienkontakt und einer automatischen Zentrierung in der Ausführungsform sichergestellt werden.
  • Nachfolgend soll nun die Funktion des Ventils zur Steuerung und/oder Regelung einer Fluidströmung genauer unter Zuhilfenahme der Figur 2 und 3 erläutert werden.
  • Das Ventil der beispielhaften Ausführungsform, welche nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, dient dazu, einen Fluidstrom im geöffneten Zustand des Ventils vom Einlass 11 im ersten Ventilgehäuseteil 12 durch den Bereich des Ventilsitzes 10 zum nicht dargestellten Auslass im ersten Ventilgehäuseteil 12 zu führen. In einem geschlossenen Zustand des Ventils drückt der Ventilkörper 22 des Ventilglieds 20 in axialer Richtung auf den Ventilsitz 10 im ersten Ventilgehäuseteil 12 und blockiert somit den Fluidstrom vom Einlass 11 zum Auslass. Das heißt, um ein Ventil zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand des Ventils zu wechseln und somit eine Steuerung beziehungsweise Regelung eines Fluidstroms zu ermöglichen, ist es notwendig, den Ventilkörper 22 von dem Ventilsitz 10 in axialer Richtung abzuheben beziehungsweise den Ventilkörper 22 in den Ventilsitz 10 zu drücken. Hierzu ist eine axiale Bewegung des Ventilglieds 20 notwendig.
  • Generell wird in der vorliegenden Ausführungsform, welche nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, hierfür eine Rotationskraft, die durch den Antrieb 50 erzeugt wird, mittels einer Kraftübertragung von der Drehspindel 34 auf die Gewindegänge des Ventiltriebes 30 in eine axiale Kraft umgewandelt, welche dann über den Dämpfer 40 auf das Ventilglied 20 übertragen wird. Hierbei stellt die Ausgestaltung der Drehspindel 34 zusammen mit den oben beschriebenen Gewindegängen des Ventiltriebs 30 also eine Gewindespindel dar, die eine drehende Bewegung in eine axiale Bewegung umwandeln kann.
  • Der Schließvorgang des Ventils gestaltet sich also beispielsweise wie folgt: Zunächst wird der Antrieb 50 mittels einer Steuerung betätigt, so dass dieser eine Rotationskraft in eine Richtung erzeugt. Diese Rotationskraft kann, ggf. mit einem Übersetzungsverhältnis, über beispielsweise eine Kettenverbindung von dem Kettenrad 51 auf das Kettenrad 31 übertragen werden. Dadurch dreht sich das im zweiten Ventilgehäuseteil 36 gelagerte Kettenrad 31, wodurch sich auch die mit dem Kettenrad 31 fest verbundene Drehspindel 34 dreht. Durch die Drehung der Drehspindel 34 und deren Gewindegänge, welche mit dem Außengewinde des Ventiltriebs 30 in Eingriff stehen, wirkt eine axiale Kraft auf den Ventiltrieb 30, wodurch der Ventiltrieb 30 sich in diesem Fall rein translatorisch in Richtung des Ventilsitzes 10 (hier nach unten) bewegt. Wird die Drehrichtung des Antriebs 50 umgekehrt, bewegt sich durch den Drehspindel 34 der Ventiltrieb 30 in axialer Richtung weg vom Ventilsitz (hier nach oben). Im Schließvorgang wird die axiale Bewegung des Ventiltriebs 30 in Richtung des Ventilsitzes über den Dämpfer 40 auf das Ventilglied 20 übertragen, so dass sich im vorliegenden Beispiel des Schließvorgangs auch das Ventilglied 20 entlang einer axialen Richtung nach unten bewegt bis der Ventilkörper 22 des Ventilglieds 20 in Kontakt mit dem Ventilsitz 10 kommt, so dass eine Strömung durch das Ventil blockiert wird. Bei einer weiteren Bewegung des Ventiltriebs 30 nach unten wird der Dämpfer 40 komprimiert und der Dämpfer 40 ermöglicht, dass unabhängig von der Bewegung des Antriebs 50 bzw. der Schritte des Antriebs 50 der Ventilkörper 22 mit nahezu gleichbleibender Kraft in den Ventilsitz 10 gedrückt wird.
  • Wie oben beschrieben wird bei einem Öffnungsvorgang des Ventils die Drehrichtung des Antriebs 50 umgekehrt, so dass die Kettenräder 31 und 51 in entgegengesetzter Richtung drehen. Dadurch wird der Ventiltrieb 30 in axialer Richtung vom Ventilsitz 10 entfernt. Hierbei entlastet sich zunächst der Dämpfer 40 bevor der Ventilkörper 22 vom Ventilsitz 10 angehoben wird und die Strömung zu strömen beginnt.
  • Des Weiteren ist es möglich, dass zusätzlich zu vordefinierten Verfahrwegen des Ventiltriebs 30 durch die Drehspindel 34 und den Antrieb 50, der Antrieb 50 über Sensoren gesteuert wird. Gemäß der beispielhaften Ausführungsform, welche nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, kann zum Beispiel über den Näherungssensor 60 und die damit interagierende Prüfplatte 35 am Ventiltrieb 30 ein axialer Verfahrweg des Ventiltriebs 30 durch ein kontaktloses Messsystem überwacht werden. Hierbei ist es wünschenswert, dass zusätzlich zum reinen Verfahrweg für das Zusammenwirken des Ventilkörpers 22 mit dem Ventilsitz 10 noch ein zusätzlicher axialer Verfahrweg verfahren wird, der den Dämpfer 40 komprimiert.
  • Auch ein Messsystem, welches den Verfahrweg des Ventilglieds 20 direkt misst ist ebenfalls möglich. Der Verfahrweg des Ventilglieds 20 kann somit als Stellgröße für den Antrieb 50 verwendet werden.
  • Nachfolgend soll nun eine Ausgestaltungsform des Ventils gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Hierzu zeigt Figur 5 eine schematische Querschnittsansicht des Ventils gemäß einer weiteren Ausführungsform, in welcher der Ventiltrieb kraftübertragend direkt mit dem Ventilkörper zusammenwirkt und die beiden Elemente unabhängig voneinander bewegbar sind.
  • Ähnlich zur oben beschriebenen Ausführungsform, welche nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, weist auch die weitere Ausführungsform ein Ventilgehäuse mit einem Einlass und einem Auslass, einen Ventiltrieb 30, einen Ventilkörper 22, sowie einen Ventilschaft 21 auf. Hierbei bilden ähnlich zur oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsform der Ventilschaft 21 sowie der Ventilkörper 22 das Ventilglied 20. Auch in dieser Ausführungsform ist der Ventilkörper 22 vorgesehen, um mit einem Ventilsitz 10 in Kontakt zu kommen, um eine Fluidströmung zu blockieren.
  • Die in Figur 5 gezeigt Ausführungsform unterscheidet sich von der beispielhaften Ausführungsform der Figuren 1-4, welche nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, dahingehend, dass der Ventilkörper 22 und der Ventiltrieb 30 nicht ("fest") verbunden, sondern unabhängig voneinander bewegbar sind.
  • Der Ventilkörper 22 ist in der dargestellten Ausführungsform eine Kugel 23. Die Kugel 23 ist in einer konvex geformten Aufnahme 39 aufgenommen und in dieser frei beweglich gelagert. Dadurch kann eine freie Rotation des kugelförmigen Ventilkörpers 22 und ein sicherer Verschluss des Ventils erzielt werden. Die Aufnahme 39 ist an einem ersten axialen Ende eines Ventilschafts 21 vorgesehen. An einem entgegengesetzten zweiten axialen Ende des Ventilschafts 21 greift eine Federelement 70 an. Das Federelement 70 drückt die Kugel 23 in axialer Richtung in den Ventilsitz 10.
  • Der Ventilkörper 22 wird folglich sowohl durch den Fluiddruck, welcher im Betrieb durch das im Ventil strömende Fluid erzeugt wird, als auch durch das Federelement 70 in den Ventilsitz 10 gedrückt wird.
  • Ferner unterscheidet sich die Figur 5 gezeigt Ausführungsform von der beispielhaften Ausführungsform der Figuren 1-4 dahingehend, dass der Ventiltrieb 30 im geschlossenen Zustand des Ventils beabstandet und entkoppelt (unverbunden) zum Ventilkörper 22 positioniert sein und beim Öffnungsvorgang des Ventils mittels des axial beweglichen Schafts 38 direkt auf den Ventilkörper 22 drücken kann. Das heißt, der Ventiltrieb 30 und das Ventilglied 20, bzw. der Ventilkörper 22, sind unabhängig voneinander bewegbar und der Ventiltrieb 30 und der Ventilkörper 22 sind voneinander entkoppelt bzw. nicht miteinander verbunden.
  • Nachfolgend soll nun nochmals kurz auf die Funktion des Ventils gemäß der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform eingegangen werden.
  • Durch das in das Ventilgehäuse strömende Fluid, beispielsweise in Form von Dampf, und die auf den Ventilkörper 22 aufgebrachte vordefinierte Federkraft des Federelements 70 wird der kugelförmige Ventilkörper 22 im geschlossenen Zustand des Ventils in den Ventilsitz 10 gedrückt. Dadurch ist der Durchfluss des Fluids durch den Ventilkörper 22 blockiert und das Ventil geschlossen. In diesem Zustand ist der Ventiltrieb 30, insbesondere der axialbewegliche Schaft 38 des Ventiltriebs 30 vom Ventilkörper 22 beabstandet, sodass keinerlei thermische Verspannungen zwischen den beiden Elementen auftreten können.
  • Wenn das Ventil (teilweise) geöffnet werden soll, wird der Ventiltrieb 30 ähnlich wie in der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsform der Figuren 1-4, welche nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, durch den Motor angetrieben und somit in axialer Richtung entgegen der Richtung der Federkraft des Federelements 70 und hin zum Ventilkörper 22 verfahren.
  • Wenn der Ventiltrieb 30 mit dem Ventilkörper 22 in Kontakt kommt, kann der Öffnungsgrad durch weiteres Verfahren des Ventiltriebs 30 entgegen der Richtung des Federelements 70 und entgegen der Strömung des Fluids vom Einlass zum Auslass des Ventilgehäuses gesteuert werden. Das heißt, in der in Figur 5 gezeigten weitern Ausführungsform drückt der Ventiltrieb 30, insbesondere der axialbewegliche Schaft 38 des Ventiltriebs 30, gegen den Ventilkörper 22 und hebt den Ventilkörper 22 vom Ventilsitz 10 entgegen der Federkraft des Federelements 70 und dem Fluiddruck ab. Somit kann das Ventil geöffnet werden.
  • Wenn das Ventil wieder geschlossen wird, wird der Verfahrweg des axialbeweglichen Schafts 38 des Ventiltriebs 30 umgekehrt und der Ventilkörper 22 wird aufgrund der Federkraft des Federelements 70 und dem Druck des Fluids auf den Ventilkörper 22 wieder im Ventilsitz 10 positioniert. Folglich muss der Ventiltrieb 30 nicht mehr mit dem Ventilkörper 22 in Kontakt stehen um den Ventilkörper 22 richtig zu positionieren und das Ventil zu schließen.
  • Somit kann eine funktionelle Trennung, also eine Entkopplung, der axialen Bewegung und der Abdichtung des Fluidstroms realisiert werden und eingangs beschriebene Probleme wie Verzug, Verspannungen oder ein Verkeilen des Ventils kann verhindert werden.
  • Auch in der Figur 5 gezeigte Ausführungsform kann ein Näherungssensor im Bereich des Ventiltriebs 30 vorgesehen sein, sodass eine Lageüberwachung des Ventiltriebs 30 sichergestellt werden kann. Dies dient vor allem zum sensorischen Abgleich mit der Steuerung des Motors 50. Somit können Probleme im Ventil schnell und einfach erkannt werden.
  • Eine weitere Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf Figur 6 beschrieben. Auch Figur 6 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Ventils, in welcher der Ventiltrieb kraftübertragend direkt mit dem Ventilkörper zusammenwirkt und die beiden Elemente unabhängig voneinander bewegbar sind.
  • Hierbei unterscheidet sich die in Figur 6 gezeigte Ausführungsform dahingehend von den bisher beschrieben Ausführungsformen der Figuren 1 bis 4, welche nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung sind, und insbesondere von der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform, dass der Ventilkörper 22 und der Ventiltrieb 30 nicht ("fest") verbunden, sondern unabhängig voneinander bewegbar sind, und dass der Ventilkörper 22 in radialer Richtung konisch ausgestaltet ist.
  • In der in Figur 6 gezeigten Ausführungsform ist hierbei der Ventilschaft 21 und der Ventilkörper 22 als ein integrales Bauteil ausgestaltet. Mehrstückige Ausführungen aus Ventilkörper 22 und Ventilschaft 21 sind jedoch ebenfalls denkbar, so dass auch hier der Ventilschaft 21 und der Ventilkörper 22 das Ventilglied 20 bilden. Außerdem ist auch in dieser Ausführungsform der Ventilkörper 22 vorgesehen, um mit einem Ventilsitz 10 in Kontakt zu kommen, um eine Fluidströmung zu blockieren.
  • Auch in der in Figur 6 dargestellten Ausführungsform ist, ähnlich wie in Figur 5, ein Federelement 70 vorgesehen, dass den Ventilkörper 22 in axialer Richtung in den Ventilsitz 10 gedrückt wird. Der größte Anteil der Verschlusskraft des Ventilkörpers 22 gegen den Ventilsitz 10 wird in einer solchen Anordnung jedoch mittels des Dampfdrucks erzielt und das Federelement 70 trägt als Führungs- und Stützelement dazu bei.
  • Somit ist, ähnlich wie in der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform, der Ventiltrieb 30 im geschlossenen Zustand des Ventils beabstandet und entkoppelt (unverbunden) zum Ventilkörper 22 positioniert und kann beim Öffnungsvorgang des Ventils mittels des axial beweglichen Schafts 38 direkt auf den Ventilkörper 22 drücken.
  • Hierbei weist der Ventilkörper 22 der in Figur 6 gezeigten Ausführungsform einen zentrisch angeordneten, konischen Vorsprung 24 auf, der sich in axialer Richtung in Richtung des Ventiltriebs 30 erstreckt, wobei der Durchmesser des Vorsprungs 24 in Richtung des Ventiltriebs 30 abnimmt.
  • Beim Öffnungsvorgang des Ventils gemäß der in Figur 6 gezeigten Ausführungsform kommt der axial bewegliche Schaft 38 mit dem Vorsprung 24 in Berührung und führt so entgegen der Federkraft des Federelements 70 sowie entgegen des Fluid-Staudrucks einen Öffnungsvorgang des Ventils durch. Aufgrund der Konizität des Vorsprungs kann beim Schließen des Ventils eine automatische Selbstzentrierung mit dem Strömungsfluid am Ventilsitz erfolgen und somit die Dichtleistung und die Langzeitbeständigkeit des Ventils verbessert werden.
  • Zudem weist der in Figur 6 gezeigte Ventilkörper 22 eine in axialer Richtung abgeschrägte Oberfläche (25) im Kontaktbereich mit dem Ventilsitz auf. Hierbei beträgt der Neigungswinkel der oberen Ventilsitzoberfläche zur Horizontalen in der gezeigte Ausführungsform 1°. Weitere Winkel zwischen 0,5° und 1,5° zur Selbstzentrierung des Ventilkörpers 22 am Ventilsitz 10 sind jedoch ebenfalls möglich.
  • Hierbei können Flächenkontakte, welche schwerer abdichtbar sind, verhindert werden und gemäß der in Figur 6 gezeigten Ausführungsform kommt es zwischen dem Ventilsitz 10 und dem Ventilkörper 22 zu einem Linienkontakt und somit zu einer verbesserten und erleichterten Abdichtung bzw. Absperrung des Ventils.
  • Figur 7 zeigt außerdem eine Querschnittsansicht durch den in Figur 6 integral ausgebildeten Ventilkörper 22.
  • In Figur 7 sind hierbei Längsnuten 26, insbesondere sechs Längsnuten 26, entlang der axialen Erstreckungsrichtung des integralen Ventilkörpers 22 gleichmäßig an der äußeren Umfangsfläche davon ausgebildet.
  • Die Längsnuten 26 am Ventilkörper 22 ermöglichen, dass der durch das Ventil strömende Dampf besonders einfach und schnell im Ventil strömen kann. Obwohl die Längsnuten 26 am integralen Ventilkörper 22 gezeigt sind, können die Längsnuten 26 ebenso am Ventilschaft 21 der verbleibenden Ausführungsformen ausgebildet sein, um den Dampf entlang der Ventilkörperführung, also z.B. an dem Ventilschaft 21, schnell und einfach durch das Ventil strömen zu können.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 10: Ventilsitz
    • 11: Einlass
    • 12: erstes Ventilgehäuseteil
    • 13: Kühlrippe
    • 14: Stopfbuchse
    • 15: Begrenzungselement
    • 20: Ventilglied
    • 21: Ventilschaft
    • 22: Ventilkörper
    • 23: Kugel
    • 24: Vorsprung
    • 25: abgeschrägte Oberfläche des Ventilkörpers
    • 26: Längsnut
    • 30: Ventiltrieb
    • 31: Drehspindel
    • 32: Deckel
    • 33: Lagerelement
    • 34: Drehspindel
    • 35: Prüfplatte
    • 36: zweites Ventilgehäuseteil
    • 38: axialbeweglicher Schaft
    • 39: konvex geformten Aufnahme
    • 40: Dämpfer (Schraubenfeder)
    • 41: Topf
    • 42: Deckel
    • 50: Antrieb
    • 51: Kettenrad
    • 53: Halterung
    • 70: Federelement

Claims (9)

  1. Ventil zur Steuerung und/oder Regelung einer Dampfströmung, aufweisend:
    einen Ventilsitz (10);
    einen Ventilkörper (22); und
    einen Ventiltrieb (30) der zur axialen Bewegung des Ventilkörpers (22) kraftübertragend mit dem Ventilkörper (22) zusammenwirkt, um den Ventilkörper (22) von dem Ventilsitz (10) abzuheben,
    wobei
    der Ventiltrieb (30) und der Ventilkörper (22) entkoppelt sind,
    der Ventilkörper (22) mittels eines Federelements (70) in den Ventilsitz (10) gedrückt wird und der Ventiltrieb (30) zur axialen Bewegung des Ventilkörpers (22) kraftübertragendmit dem Ventilkörper (22) zusammenwirkt, um den Ventilkörper (22) von dem Ventilsitz (10) abzuheben,
    der Ventiltrieb (30) und der Ventilkörper (22) unabhängig voneinander bewegbar sind, und
    der Ventiltrieb (30) im geschlossenen Zustand des Ventils von dem Ventilkörper (22) beabstandet ist und zum Abheben des Ventilkörpers (22) von dem Ventilsitz (10) mit dem Ventilkörper (22) in Kontakt kommt.
  2. Ventil nach Anspruch 1, wobei die Federkraft des Federelements (70) den Ventilkörper (22) in einer ersten Richtung in den Ventilsitz (10) drückt und der Ventiltrieb (30) zum Abheben des Ventilkörpers (22) von dem Ventilsitz (10) in einer entgegengesetzten zweiten Richtung bewegbar ist.
  3. Ventil nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei ein Näherungssensor (60) vorgesehen ist, um die axiale Bewegung des Ventiltriebs (30) zu erfassen.
  4. Ventil nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei der Ventilkörper (22) zumindest einen kugelförmigen Abschnitt aufweist, der in einer geschlossenen Position des Ventils, in welcher der Ventilkörper (22) in den Ventilsitz (10) gedrückt wird, mit dem Ventilsitz (10) zusammenwirkt.
  5. Ventil nach Anspruch 4, wobei der Ventilkörper (22) eine Kugel ist.
  6. Ventil nach Anspruch 5, wobei der Ventilkörper (22) in einer konvex geformten Aufnahme (39) frei beweglich aufgenommen ist.
  7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das dem Ventiltrieb (30) zugewandte axiale Ende des Ventilkörpers (22) eine zur Mittelachse des Ventilkörpers (22) hin abgeschrägte Oberfläche (25) aufweist, welche eine Vertiefung am Ventilkörper (22) ausbildet, wobei der Neigungswinkel der abgeschrägten Oberfläche (25) des Ventilkörpers (22) zu einer Horizontalen zwischen 0,5° und 1,5°beträgt.
  8. Ventil nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei der Ventilsitz (10) im axialen Längsschnitt rechtwinklig ausgestaltet ist.
  9. Ventil nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei das Ventil so ausgestaltet ist, dass der Ventilkörper (22) mittels des Federelements (70) und des Dampfdrucks in den Ventilsitz (10) gedrückt wird.
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