NO148160B - Anordning ved tilbakeslagsventil. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrorer en anordning ved tilbakeslagsventiler av det slag som er angitt i ingressen av hovedkravet.

En slik tilbakeslagsventil er tidligere kjent bl.a. gjennom artikkelen - "Spjailbackventilen - en modern losning av backventilfunktionen" i tidsskriftet WS nr 7/1971 sidene 67-70,

og i denne artikkelen gis det også en redegjorelse for det kom-pleks av delvis selvmotsigende krav og onskemål som gjelder for en slik ventils funksjon.

Oppfinnelsen har til formål å tilveiebringe en spjeld-tilbakeslagsventil som i storre grad enn de tidligere kjente ventiler tilfredstiller disse funksjonelle krav og onskemål. Anordningen og utformningen av spjeldet kan her sies å være resultatet av en optimaliseringsprosess som har fort til at de i det folgende i korthet angitte svakheter har kunnet unngås.

I tidligere spjeld-tilbakeslagsventiler har man gitt det bevegelige spjeldet stor masse ettersom dette har vært ansett for nod-vendig for å sikre stengningsfunksjonen. En stor masse innvirker imidlertid ugunstig på stromningsmotstanden gjennom ventilen, og dertil oppstår som en folge av dette store påkjenninger på spjeldets lager og lagertapper i huset i det oyeblikk spjeldet slår mot stopperen som er anordnet ved husveggen. Spesielt ved damp eller andre kompressible medier som gir raskt åpningsforlop blir dette et problem, og det har inntruffet at lagertappene er blitt slått av, at spjeldet eller stopperen i huset er gått i stykker etc.

Kjente spjeld-tilbakeslagsventiler har videre hatt en ugunstig spjeldutformning kjennetegnet av en utstrakt, ofte svært lavt plassert motvekt. Herved har spjeldet fått en altfor stor treg-hetsradius som umuliggjor den raske reaksjon ved raskt minskende stromning som er et vilkår for en korrekt stengningsfunksjon. Spjeldet stenger i stedet for langsomt, mediet rekker i de tilfellei hvor mottrykk forefinnes å snu og stromme tilbake i motsatt retning innen spjeldet når setet, og er mediet væske, opptrer da et uunn-gåelig væskeslag som er forstyrrende og kan skade systemet.

Ved de kjente spjeld-tilbakeslagsventilene har spjeldet også

gitt problemer i forbindelse med anordning av en tilskuddskraft som fortrinnsvis virker gjennom en fjær som er innspent mellom spjeldet og ventilhuset. En slik kraft som i og for seg ville være onskelig for å bedre stengningsforlbpet lar seg vanskelig kombinere med den hittil forekommende spjeldutformning fordi fjærkraften, om den skulle ha noen reell innvirkning, vil bli storre enn det som tilsvares av den tilgjengelige plass for fjæren

De aktuelle problemer er altså å sbke i den tidligere spjeldutform ning, og den foreliggende oppfinnelse gir nå en losning på dette som innebærer at spjeldet blir slik utformet og anordnet at det i seg selv eller sammen med en tilskuddskraft får en så rask stengningsbevegelse at ventilen garanteres en korrekt stengningsfunksjon. Hvorledes dette oppnås fremgår av de etterfølgende patentkravs kjennetegnende del.

Oppfinnelsen forklares nærmere nedenfor under henvisning til tilhorende tegninger som illustrerer en utforelsesform av tilbakeslagsventilen ifolge^ oppfinnelsen.

Fig. 1 viser tilbakeslagsventilen i oppriss sett fra ventilens nedstromsside,

fig. 2 er et aksialsnitt langs linjen II-II på fig. 1, og fig. 3 er et snitt langs linjen III-III.

Tilbakeslagsventilens hus betegnes med 1 og har hovedsakelig

form av en ring som begrenses av to parallelle endeplan 2 og danner en rett gjennomlopskanal som defineres av en stort sett sylindrisk vegg 3 og hvis symmetrilinje betegnes med 4. Gjennom-løpet er beregnet på å utgjore en del av en lengre stromningskanal som inngår f.eks. i et pumpedrevet væsketransportsystem og dannes av ror som har samme diameter som veggen 3 og strekker seg til forskjellige steder fra ventilen. Den normale stromningsretningen i systemet er den som pilen v viser på fig. 2. I de tilfeller ledningen er vertikal skal strommen være rettet oppover.

Når tilbakeslagsventilen utfores med så kort byggelengde som i eksempelet, innsetter man denne ved rorledningens montering mellom to motstående rorflenser som klemmes mot endeplanene 2 ved hjelp av bolter som strekker seg mellom rorflensene like utenfor periferi av endeplanene. Disse er i forvegen utstyrt med pålimte pakninger 5 for å lette monteringsarbeidet.

Ventilhuset har innvendig i gjennomløpskanalen en utadragende setevulst 6 som forløper i ringform rundt den sylindriske veg-

gen langs et plan som heller fremover mot strømningsretningen slik at det skjærer symmetrilinjen 4 i en spiss vinkel a som bor være mellom 75° og 80°. På konvensjonelt vis kan seteringen ha et belegg 7 av et materiale som er hardere og har stdrre motstands-kraft mot det aktuelle stromningsmediet enn selve ventilgodset.

Setematerialet er noyaktig bearbeidet til en tetningsflate 8 som er sirkulær i seteplanet og som vanligvis gis en konisk form,

idet konvinkelen bor være ca. 20°.

For samvirke med ventilsetet finnes det nedstroms for dette et bevegelig anordnet spjeld 9 som i prinsipp er en sirkulær skive som ved små ventiler kan gjores plan, men hvis grunnform av styrke-hensyn er en sfærisk kalott med jevntykt gods. Spjeldets periferi er utformet som en tetningsflate IO som skal ha samme geometriske form som seteflaten 8 slik at spjeldet utfyller seteåpningen på tettende vis når det inntar den stengende stilling som vist på tegningen.

Spjeldet er svingbart opphengt i to motstående lager 11 som er plassert på en felles aksellinje 12 som går parallelt med ventil-setets plan og befinner seg nedstroms for dette. For at spjeldet skal påvirkes riktig av såvel mediestrommen som av sin egen vekt skal aksellinjen være plassert eksentrisk i forhold til symmetrilinjen 4 og plassert ovenfor denne når strommen er horisontal. Denne plassering er meget viktig for ventilens åpning- og steng-ningsf unks jon , og man har funnet at den beste plassering for aksellinjen fås ved en eksentrisitet som er lik halve spjeld-radien. Ved bestemmelse av aksellinjens plassering må det også tas hensyn til konvinkelen til tetningsflåtene, for dersom ventilens bevegelsesgeometri skal bli den riktige og for at tetningsflate 8 og 10 skal kunne frigjores fra hverandre når spjeldet åpner, folger av rent geometriske grunner at aksellinjen skal ligge innenfor det ovre kileformige rom som i symmetriplanet ifolge fig. 2 dannes av de to normalene til tetningsflaten 10 trukket fra dettes ovre, indre beroringspunkt med flaten 8 og fra det nedre, ytre beroringspunktet' mellom flatene. Ved den ovennevnte storrelse på konvinkelen blir den således bestemte plassering av aksellinjen et punkt som ligger mellom spjeldets fremre og bakre krumme begrensningsflater, dvs. at dersom disse

i det foreliggende tilfelle har en rent sfærisk grunnform, skjærer aksellinjen gjennom spjeldets gods.

Som det best fremgår av fig. 3 omfatter hvert av lagrene 11 i

det illustrerte utforelseseksempel en kraftig akseltapp 13 som.

er drevet inn utenifra gjennom et boret hull 14 i ventilhusets vegg. Umiddelbart innenfor fins en lageråpning 16 dannet i et

ore 15 på spjeldet, hvilken lageråpning med god pasning omslutter den frie indre enden av akseltappen og hvilken skal være slik plassert på spjeldet at dette blir lett bevegelig og

ikke utsettes for noen klemming i lageret når det beveger seg til og fra sin stengte stilling og tetningsflåtene 8, 10 bringes til, resp. fra anlegg mot hverandre. Kravet til en tilbakeslagsventil som har en geometri som den her viste er nemlig at spjeldet uten radiell klaring i lagrene skal kunne tippe direkte inn i det ko-niske setet til anlegg skjer ved stengningsforlopet. Får man herved en klemming i lagrene eller for tidlig anlegg av setet på noe punkt på dette, tapes spjeldets evne til å åpne eller lukke tett ved lave trykkforskjeller over spjeldet.

Lagrenes avtetning utad kan bevirkes ved sammensveisning av to konsentriske ringer 17, 18 som rager ut av munningen av hver boring 14, av hvilke den forste ytre ringen er dannet i stope-godset, mens den indre ringen 18 er plassert på et organ 19 som tetter igjen boringen.

For begrensning av spjeldets svingebevegelse finnes ved den . bakre, ovre del av ventilhusveggen 3 en stopper .20 i form av en knast som samvirker med en skrå anslagsflate 21 på spjeldet.

Med strekprikkede linjer på fig.2 er vist den av stopperen bestemte åpne stilling som ventilen bringes til å innta når en tilstrekkelig kraftig stromning fremover opptrer i systemet.

Som vist står herved ikke spjeldet horisontalt, men heller mot strommen, dvs. åpningsvinkelen p er mindre enn vinkelen a, noe som har spesiell betydning i det tilfelle hvor ventilen for å redusere stengningstiden monteres i en vertikal ledning.

Som det fremgår av beskrivelses innledningen og den der nevnte artikkel soker man for å oppnå en korrekt stengningsfunksjon ved ventiler av dette slag å få spjeldet til raskest mulig å vende tilbake til stengt stilling når strommen snur, slik at spjeldet i det ideelle tilfelle når setet allerede mens stromningshastigheten v = 0. Spjeldet skal derfor anordnes slik at dets stengningstid blir så kort som mulig, og i det folgende gis en forklaring på de foranstaltninger som ifolge oppfinnelsen

foretas for dette formål.

Det antas forst at en strom flyter gjennom ventilen med en hastighet v som er tilstrekkelig til at spjeldet skal innta åpen stilling og at ingen andre ytre krefter påvirkes spjeldet. Da gjelder fblgende forhold:

hvor M er spjeldets gravitasjonsmoment,

grav ^J J '

^dyn er det dynamiske moment som virker på spjeldet i

åpningsretningen,

Mfrik er lagerfriksjonsmomentet

J er spjeldets treghetsmoment

er spjeldets vinkelakselerasjon i stengningsretningen.

Så lenge stromningen skjer i fremoverretningen er det altså

bare gravitasjonsmomentet som virker stengende, mens en stengningsbevegelse motvirkes av begge de to andre momentene. Ligningen viser også at et vilkår for at spjeldet skal begynne å rore på

seg i stengningsretningen i tide mens strommen fremdeles flyter i fremoverretningen, men med avtagende hastighet, er at spjeldet har et visst, ikke ubetydelig gravitasjonsmoment. Enn skjont dettes verdi er begrenset og noen momentan hastighetsendring hos spjeldet ikke kan oppnås, gjelder det ved hjelp av samme moment å akselerere spjeldet for å gi det så hoy vinkelhastighet som mulig innen strommen snur.

For det dynamiske moment gjelder

og det innses at dette momentet raskt blir uten betydning for spjeldbevegelsen når stromningshastigheten nærmer seg null. Det gjenstår altså for oppnåelse av en hoy verdi på produktet j . f å gjore M så stor at M, ., blir ubetydelig i sammen-J grav frik 1 ^

ligning.

Så lenge stromningshastigheten er nær null kan man derfor sette

og kravet er at y skal gis så stor verdi som mulig. Det kan herav lett vises at folgende vilkår gjelder for vinkel-akselerasjonen:

der r er avstanden fra tyngdepunktet C.G. til aksellinjen 12, og

R er treghetsradien.

Vi ser altså at når spjeldets tilbakebevegelse vel er startet

er dets masse uten betydning for akselerasjonen og dermed også for den stengningstid som spjeldet får. I stedet for kommer vektfordelingen inn som den avgjorende faktor for den totale stengningstiden.

Dersom spjeldet 9 nå forsynes med en betydelig masse plassert

i stor avstand fra aksellinjen 12, hvilket kjennetegner hittil forekommende spjeld-tilbakeslagsventiler,oker ytterlig ikke bare treghetsradien R, men også tyngdepunktsavstanden r, men ettersom den forstnevnte storrelsen innvirker kvadratisk kommer et slikt spjeld til å få en lavere vinkelakselerasjon og dermed bket stengningstid sammenlignet med en annen vektfordeling.

Om man på den annen side gav spjeldet en ren grunnform, dvs. formet det til en jevntykk, sfærisk kalott eller skål, ville forholdet mellom de to radiene selv da gli ufordelaktig, men fremfor alt ville gravitasjonsmomentet bli vel lite til å overvinne lagerfriksjonen og få spjeldet til tidlig nok å starte stengningsbevegelsen, dvs. mens stromningshastigheten fremover fortsatt er betydelig.

Ifolge et viktig kjennetegn ved den nye tilbakeslagsventilen er at man i stedet utstyrer spjeldet 9 med en motvekt 22 (vist i snitt på fig. 2) som er konsentrert til den sentrale delen av spjeldets bakside.

Motvekten, som helt og holdent skal være plassert under dreiningsakselen, begrenses oppover med fordel av anslagsflaten 21. Bak-siden 23 av motvekten følger fortrinnsvis et plan som strekker seg langs husets bakre endeplan 2 og noe innenfor dette når spjeldet ikke inntar stengt stilling, slik at motvekten ikke hindrer en de-montering av ventilen i forhold til rørledningen, men at det går an å dra den ut av rommet mellom de parallelle, motstående rørled-ningsflenser. Motvektens masse bør være omtrent like stor på de forskjellige sider i høyderetning av spjeldets geometriske akse som går nær symmetrilinjen 4, og motvektens nedre begrensning 24

er derfor i eksempelet lagt på et nivå omtrent midt mellom symmetrilinjen og den nedre kanten av spjeldet, mens spjeldet bor ha sin skålform uforandret såvel nedentil som på sidene av motvekten og i partiet ovenfor orene 11. Ved en slik utformning av spjeldet får det en fordelaktig vektfordeling slik at tyngdepunktet C.G. radie (r ovenfor), som ikke nevneverdig forandres ved innfbring av motvekten 22, og treghetsradien (R), som forkortes betraktelig, får et gunstig innbyrdes forhold. Samtidig begrenses motvektens masse til det nodvendige for at spjeldet i åpen stilling (når den samlede massen jo virker på en hevarm som er horisontalpro-jeksjonen av radien r) skal kunne overvinne friksjonen i lagrene 11.

Som det fremgår av tegningen blir tyngdepunktet C.G. beliggende nedstroms for aksellinjen 12 når spjeldet inntar stengt stilling, noe som jo er en forutsetning for at spjeldet selv skal kunne opprettholde denne stilling og utove et stengende eller tettende dreiemoment (en positiv verdi på M ) og dermed hindre lekasje

cj r* 3. v

mellom tetningsflåtene 8, 10. Ved en slik tyngdepunktsplassering får man også et bidrag fra den her beskrevne motvekten 22. Be-liggenheten er i eksempelet dog vesentlig et resultat av at vinkelen a er mindre enn 90° slik at setet blir fremoverhellende ved horisontal montering. Som en folge av setets helning kommer C.G. ved vertikal montering av ventilen å bli plassert gunstig

i forhold til aksellinjen 12 selv i spjeldets åpne stilling, slik at et betryggende stort, positivt Mgrav oppnås.

Sammenlignende proveserier har bekreftet at spjeld-tilbakeslagsventilen, etter at dens spjeld ble anordnet ifolge det ovenfor beskrevne karakteristiske trekk ved oppfinnelsen, vesentlig bedre utforer sin stengningsfunksjon, og denne kan - for så vidt mottrykket etter ventilen er lavt - sies å være optimal.

I visse aktuelle tilpasningstilfeller for spjeld-tilbakeslagsventilen er imidlertid de ytre faktorer som påvirker spjeldets dynamik slik at nevnte stengningstid blir for lang. Dette gjelder spesielt de mange installasjoner der mediet er væske og det råder betraktelig mottrykk etter ventilen. Ventilens hoved-funksjon - å forhindre returstrbm - blir her vanligvis utilfred-stillende, og som en konsekvens av at spjeldet stenger for sent oppstår det som innledningsvis nevnt væskeslag som forplanter seg i rorledningene som trykkbblger og som kan være skadelig for systemet eller for ventilen selv.

I slike installasjoner fordres det tydeligvis utover motvekten

22 en tilleggskraft som virker på spjeldet i stengeretningen for å akselerere spjeldet når det begynner å bevege seg fra den stilling som er bestemt av stopperen 20, idet målet her er det samme som angitt på side 5, nemlig ved hjelp av denne kraft å få stengningsforlopet til å folge strbmmens retningsforandring så nær som mulig i tid - helst slik at spjeldet når setet samtidig som strommen blir null eller i ethvert fall innen noen nevneverdig returstrbm har rukket å bygge seg opp. Forholdet vanskeliggjøres av at det moment denne kraft gir må være nby-aktig avveiet i forhold til de bvrige momenter som virker på spjeldet om man skal kunne tilfredstille dette bnskemål angående stengningsfunksjonen uten å få noen nevneverdig innvirkning på åpningsfunksjonen og strbmningsmotstanden i fremoverretningen. Samtidig er det et sterkt bnskemål at tilskuddskraften skal kunne utoves på spjeldet bare i de tilfeller den virkelig behbves og at det skal være enkelt å eliminere kraften hvor denne vil være unbd-vendig eller uleilig for ventilfunksjonen.

En løsning på dette problem er å gi spjeldet en veggprofil som til-later innsetting eller uttagning av en torsjonsfjær som påvirker spjeldet til resp. fra en stilling omkring spjeldakselen. Denne

løsning som utgjør gjenstand for norsk patent nr. 137764

innebærer at spjeldet på nedstrømssiden danner et fritt rom 26 tilveiebragt ved at spjeldveggen i stillingen for aksellinjen går på avstand fra denne, mens det på oppstrømssiden dannes en rygg 25.

I det renneformede rom kan det, slik tegningen viser, være innsatt en spiralfjær 27 hvis vinning passer til rennens bunn 28 og er oppdelt i to motsatt viklede fjærpartier 29 og 30 hvilke i de ytre ender 31 samvirker med spjeldveggen mens partiene i midt-en er forenet til en bøyle 32 som omslutter stopperen 20. Fjæren bør i montert stilling ha en viss forspenning slik at den forsterker det stengende (tettende) vridningsmoment som med små åpningsvinkler og i stengt stilling utøves av selve spjeldet in-klusive dets motvekt 22.

Den hovedsakelige virkning og nytte av fjæren 27 oppnås dog ved strøm gjennom ventilen fordi fjærmomentet liksom de bevegelige delenes gravitasjonsmoment er vesentlig større og sammen med det sistnevnte formår å balansere det dynamiske moment ved en gitt strdmningshastighet for delvis å bevirke at stengningsbevegelsen begynner tidligere og delvis at den fortsatte tilbakegang skjer raskere enn uten fjærkraften når stromningshastigheten og dermed det dynamiske moment faller. Fjærkraften virker altså positivt på stengningsfunksjonen som om gravitasjonsmomentet var oket, men savner den store massens negative virkning både fra styrkesyns-punkt og treghetsmomentssynspunkt.

Som det best fremgår av fig. 3 omfatter fjærarrangementet et element 33 rom strekker seg konsentrisk med fjærpartene 29, 30, hvilket element består av et ror 34 som er noe kortere enn avstanden mellom orene 15 og noe mindre enn fjærpartenes inner diameter, en i rorets midte anbragt trykkfjær 35 og styrepinner 36 innsatt på begge sider av fjæren i roret 34, idet styrepinnenes ender danner tapper som passer konsentrisk i hull 37 i lagrene.

Når tilbakeslagsventilen skal utstyres med en torsjonsfjær 27 tilfores i denne det styrende element 33, hvoretter man forkorter dette ved å trykke inn den ene av styrepinnene 36 i roret 34, spenner fjærpakken i uttagningen 26 slik at fjærboylen 32 anbringes omkring stoppklakken 20 og styreelementets to pinner sentreres med hullene 37, samt lar styreelementet ekspandere, hvorved torsjonsfjæren festes i den riktige stillingen på spjeldet.

Som det fremgår av det foregående omfatter tilbakeslagsventilen ifølge oppfinnelsen såvel en utførelse, hvor motvekten er kombi-nert med en torsjonsfjær for å tilveiebringe ønsket tilskuddskraft, som en utførelse hvor hverken torsjonsfjæren eller den her-for beregnede plass omkring dreiningsakselen forekommer.

Claims (2)

1. Anordning ved tilbakeslagsventil av det slag som har et ventilhus med rett gjennomløp og med sirkulært ventilsete anordnet langs et plan som krysser gjennomløpets symmetri-lin je, og hvor setet er anordnet fremoverhellende mot den normale gjennomstrømningsretning samt et spjeld som er drei-bart opphengt i ventilhuset i to motstående lager som er anordnet på en aksellinje som befinner seg i avstand fra symmetrilinjen og parallelt med setets plan nedstrøms for dette i forhold til ventilens normale gjennomstrømningsret-ning, og hvilket spjeld er anordnet til å dreies >fra sin stengte stilling, i hvilket det ligger an mot setet, mot sin åpne stilling under påvirkning av mediets strømning i den normale gjennomstrømningsretning, men som går tilbake til sin stengte stilling når strømningen opphører, hvilket spjeld sett i tverrsnitt vinkelrett på aksellinjen har en hovedsakelig bueformet veggprofil, idet spjeldet har en fortykkelse som danner en motvekt på nedstrømssiden for å lette tilbake-gangen, karakterisert ved at fortykkelsen (22) hovedsakelig er konsentrert til dets sentrale del og tilsvarende kort treghetsradie og begrenset masse.

2. Anordning ifolge krav 1, karakterisert ved at fortykkelsen (22) har så begrenset utstrekning bakover (ved 23) at den i stengt stilling faller innenfor det rom som dannes av ventilhusets gjennomlopskanal (3).