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Die Erfindung bezieht sich auf ein Schrägsitzventil, bestehend aus einem Gehäuse mit einer durchgehenden öffnung, in welche ein Becher koaxial eingesetzt ist, der im Bereich des Eintritts des Arbeitsmediums in seinen
Innenraum befestigt ist, wobei zwischen der Aussenfläche des Bechers und der Innenfläche des Gehäuses ein
Strömungskanal für das Arbeitsmedium begrenzt ist, welcher mit dem Innenraum des Bechers über an dessen
Seitenfläche vorgesehene Durchtrittsöffnungen in Verbindung steht, und wobei jede Durchtrittsöffnung von einer an der Aussenfläche des Bechers einseitig eingespannten, elastischen Lamelle abgedeckt ist.
Derartige Ventile werden hauptsächlich in Verdichtern und Verdrängerpumpen, beispielsweise in
Kolbenverdichtern, angewendet.
Bei einem bekannten Schrägsitzventil ist der Becher als Vielflächner ausgebildet, und jede elastische
Lamelle weist eine konstante Breite und Dicke auf. Ferner sind die Durchtrittsöffnungen für das Arbeitsmedium unter einem Winkel zur Längsachse des Bechers angeordnet.
Während der Arbeit des Ventils tritt das Arbeitsmedium in den Innenraum des Bechers ein und strömt, indem es die elastischen Lamellen abdrückt, durch die Durchtrittsöffnungen an seinen Seitenflächen in den
Strömungskanal zwischen Becher und Gehäuse, aus dem es in den Arbeitsraum des Zylinders eines Verdichters oder in eine Rohrleitung gelangt. Die Innenfläche des Gehäuses stellt in jenem Teil, der gegenüber den
Durchtrittsöffnungen des Bechers liegt, ebenfalls einen Vielflächner dar. Wenn das Ventil vollständig geöffnet ist, ist jede elastische Lamelle an die Innenfläche des Gehäuses angedrückt. Diese Innenfläche begrenzt den
Lamellenhub. Beim Strömen des Arbeitsmediums durch das Ventil tritt ein gasdynamischer Widerstand auf, der
Energieverluste im Ventil hervorruft, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Verdichterarbeit vermindert wird.
Der gasdynamische Hauptwiderstand tritt im Querschnitt des Austrittsspaltes zwischen der Lamelle und dem
Ventilsitz auf. Deswegen ist zur Steigerung der Durchsatzfähigkeit des Ventils und der hiedurch bedingten
Verringerung der Energieverluste im Ventil vor allem eine Vergrösserung des Durchgangsquerschnittes des Austrittsspaltes erforderlich, die durch Steigerung der Hubhöhe der Lamellen erreicht wird.
Anderseits ist man aber bestrebt-da man die Bedingungen für eine höchstmögliche Lebensdauer der Lamellen berücksichtigt, die unter hochzyklischen Stossbelastungen arbeiten-die Hubhöhe der Lamellen gering zu halten. Dies begrenzt die Bewegungsgeschwindigkeit der Lamellen und vermindert hiedurch die Spannung in einer Lamelle im Augenblick ihres Stosses gegen den Sitz am Becher und gegen die Innenfläche des Gehäuses, die den Lamellenhub begrenzt.
Die Hubhöhe der Lamellen ist von ihrer Steifigkeit abhängig. Bei einer überaus steifen Lamelle erreicht diese nicht die Innenfläche des Gehäuses, wodurch der Spaltquerschnitt vermindert und der Widerstand des Ventils vergrössert wird. Hiebei tritt die Lamelle in einen Schwingungszustand, der zu ihrem schnellen Bruch führt. Die Steifigkeit und die Durchbiegungskraft der Lamelle sind von der Breite, Dicke und Länge ihres frei beweglichen Teiles abhängig.
Die Lamellendicke wird im Hinblick auf eine ausreichende Festigkeit gewählt. Wenn das Ventil geschlossen ist, so entstehen in dem Teil der Lamelle, der die Durchtrittsöffnungen abdeckt, Biegespannungen, u. zw. infolge der grossen Unterschiede der statischen Drücke hinter und vor dem Ventil, die beiderseits auf die Lamelle wirken. Diese Spannung ist dem Quadrat der Lamellendicke indirekt und dem Quadrat der Breite der Durchtrittsöffnung im Becher direkt proportional. Wenn das Ventil geöffnet ist, entstehen in der Lamelle an ihrer Befestigungsstelle Biegespannungen, die ihrer Dicke proportional sind. Die Steifigkeit der elastischen Lamelle und die Kraft, die zum Abdrücken derselben erforderlich ist, sind der Lamellenbreite und der dritten Potenz der Lamellendicke proportional.
Deswegen besitzt die elastische Lamelle im bekannten Ventil, die auf ihrer ganzen Länge gleiche Breite und gleiche Dicke aufweist, eine hohe Starrheit. Dies führt zur unvollständigen Öffnung des Ventils, was seinerseits zur Verringerung der Durchflussmenge des Arbeitsmediums durch das Ventil und der Wirtschaftlichkeit des Verdichters insgesamt führt, während die entstehende Lamellenvibration eine Verkürzung der Lebensdauer der Lamellen und eine Verminderung der Arbeitszuverlässigkeit des Verdichters verursacht.
Die Steifigkeit der Lamellen kann beispielsweise durch Vergrösserung ihrer Längen vermindert werden, doch ist dies unzweckmässig, da es zu einer erheblichen Vergrösserung des "toten Raums" des Ventils sowie zu einer Herabsetzung der Arbeitsleistung des Verdichters führt. Hier und weiter im Text wird unter dem "toten Raum" jener Teil des Ventilraums verstanden, der mit dem Arbeitsmedium gefüllt ist und mit dem Zylinder des Verdichters in Verbindung steht, wenn das Ventil geschlossen ist.
Im bekannten Ventil wird der Spaltquerschnitt an den Seitenkanten der Lamellen nicht effektiv genug ausgenutzt, weil der Durchtritt zwischen der Innenfläche des Gehäuses und der Aussenfläche des Bechers gering ist und einen grossen Widerstand bedingt, effektiv ist nur der Spaltquerschnitt an der Stirnkante jeder Lamelle.
Dies vermindert die Durchsatzfähigkeit des Ventils und die Wirtschaftlichkeit des Verdichters.
Die erwähnten Nachteile des bekannten Ventils bringen die Notwendigkeit mit sich, die Zahl der Ventile und die Länge derselben und somit die Abmessungen eines ganzen Ventilsatzes zu vergrössern, was zur Vergrösserung des "toten Raumes" im Zylinder und Verringerung der Arbeitsleistung des Verdichters führt, die Herstellung der Ventile und des Verdichters verteuert und die Anwendung des Ventils im Hinblick auf die Umdrehungszahl der Verdichterwelle begrenzt.
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Ausserdem eignet sich das bekannte Ventil nicht zum Betrieb unter hohen Drücken, weil in diesem Fall Lamellen grosser Dicke erforderlich sind, deren grosse Steifigkeit das Ventil nicht mehr effektiv einsetzen lässt.
Das Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der erwähnten Nachteile, d. h. ein Schrägsitzventil zu schaffen, in dem die elastischen Lamellen mit geringer Steifigkeit ausgeführt sind, und welches wirtschaftlich und zuverlässig in einem weiten Bereich der Wellendrehzahlen eines Verdichters sowie in einem weiten Druckbereich, einschliesslich hoher Drücke (beispielsweise bis zu 500 bar), verwendbar ist.
Dieses Ziel wird mit einem Schrägsitzventil der eingangs genannten Bauart erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass jede elastische Lamelle in an sich bekannter Weise eine in Längsrichtung veränderliche Breite aufweist, wobei die grösste Breite im Bereich der Durchtrittsöffnung und die kleinste Breite im übrigen federnden Bereich auftritt, und dass das Verhältnis der grössten zur kleinsten Breite in den Grenzen von 8 bis 1, 1 bemessen ist.
Durch die getroffenen Massnahmen wird eine Verminderung der Lamellensteifigkeit und der Kraft erreicht, die zum vollständigen Abdrücken der Lamelle erforderlich ist, weil die Steifigkeit und die Kraft der Breite des federnden Lamellenbereiches proportional sind. Die auf diese Weise ausgeführten Lamellen gewährleisten ein
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zw.variierenden Drücken.
Das vollständige Öffnen des Ventils gewährleistet einen geringen gasdynamischen Widerstand und somit eine grosse Durchflussmenge des Arbeitsmediums sowie einen guten Wirkungsgrad des Verdichters. Das vollständige Öffnen des Ventils schliesst ferner eine Vibration der Lamellen aus, was deren Lebensdauer sowie die
Betriebssicherheit des Verdichters erhöht.
Bei Änderung der Breite der elastischen Lamellen in Längsrichtung ändert sich ihre Steifigkeit, weswegen ein mit solchen Lamellen versehenes Ventil unter verschiedenen Arbeitsbedingungen in bezug auf den Druck und die Umdrehungszahl der Verdichterwelle verwendet werden kann.
Es ist zweckmässig, wenn jede elastische Lamelle eine in Längsrichtung veränderliche Dicke aufweist, wobei die grösste Dicke im Bereich der Durchtrittsöffnung und die kleinste Dicke im übrigen federnden Bereich vorgesehen und das Verhältnis der grössten zur kleinsten Dicke in den Grenzen von 3 bis 1 bemessen ist.
Die Ausführung der elastischen Lamellen mit in Längsrichtung veränderlicher Dicke vermindert noch mehr ihre Steifigkeit, was den gasdynamischen Widerstand des Ventils vermindert, Vibrationen ausschliesst und hiedurch die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit des Verdichters erhöht.
Die Verminderung der Dicke jeder Lamelle in Richtung zu ihrer Befestigungsstelle führt dazu, dass die Biegespannung an der Befestigungsstelle beim öffnen der Lamelle erheblich abnimmt, weil sie der Lamellendicke proportional ist. Die Biegespannung infolge statischer Drücke in jenem Bereich der elastischen Lamelle, der die Durchtrittsöffnung im Becher abdeckt, wird ebenfalls erheblich vermindert. Die Verminderung der Spannungen in der Lamelle erhöht ihre Lebensdauer und die Betriebssicherheit des Verdichters. Dadurch kann das erfindungsgemässe Ventil bei höheren Umdrehungszahlen der Verdichterwelle und bei viel höheren Drücken (bis zu 500 bar) verwendet werden als das bisher bekannte, bei dem die Lamellen eine konstante Dicke aufweisen.
Es ist allgemein bekannt, dass Steifigkeit und Durchbiegungskraft einer elastischen Lamelle nicht nur mit einer Abnahme der Breite und Dicke der Lamelle, sondern auch mit einer Längenzunahme ihres federnden Bereiches abnehmen. Bei veränderlicher Breite und Dicke der Lamelle nimmt ihre Steifigkeit in ausreichendem Masse ab, so dass die Länge der Lamelle verkürzt werden kann. Deshalb ergibt es sich, dass die Länge der Lamelle sowie die Höhe des Bechers und somit die Höhe des erfindungsgemässen Ventils insgesamt kleiner ist als die eines Ventils, das elastische Lamellen mit in Längsrichtung konstanter Breite und Dicke besitzt. Die Verminderung der Ventilhöhe verringert den "toten Raum" des Ventils, was die Arbeitsleistung des Verdichters erhöht.
Von Vorteil ist weiters, wenn jede elastische Lamelle in ihrem ausserhalb des die Durchtrittsöffnung überdeckenden Bereiches befindlichen federnden Bereich wenigstens eine Ausnehmung aufweist. Hiedurch wird gleichfalls eine Verminderung der Steifigkeit der elastischen Lamelle sowie der Kraft herbeigeführt, die zu ihrem vollständigen Abdrücken erforderlich ist. Das volle Abdrücken bzw. öffnen der Lamelle vermindert den gasdynamischen Widerstand des Ventils und erhöht somit den Wirkungsgrad des Verdichters. Besonders erfolgreich kann eine derartige Lamelle bei grossen Abmessungen der Durchtrittsöffnungen des Bechers verwendet werden.
Schrägsitzventile gemäss der Erfindung haben in einem Zweistufen-Luftverdichter mit einer Arbeitsleistung von m3 Imin bei einem Förderdruck von 9 bar, einer Wellenumdrehungszahl von 750 Umdr/min und einer Durchschnittsgeschwindigkeit des Kolbens von 5 m/sec unter industriellen Bedingungen nach über 15 tausend Stunden noch keine Schäden an ihren Lamellen gezeigt. Der spezifische Leistungsverbrauch eines Verdichters mit erfindungsgemässen Schrägsitzventilen ist um 6, 3% gegenüber jenem von Verdichtern mit bekannten Schrägsitzventilen herabgesetzt.
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1Erfindung ; Fig. 5 eine Befestigungsvariante der Lamellen an der Becheraussenfläche und Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI gemäss Fig. 5.
Das Schrägsitzventil gemäss der Erfindung wird beispielsweise im Zylinderkopf eines Hochleistungs-Kolbenverdichters eingebaut.
Das Schrägsitzventil besitzt ein Gehäuse--1-- (Fig. 1), das einen Teil einer Platte darstellt, in der wenigstens eine durchgehende Öffnung vorgesehen ist. Das Gehäuse --1-- des Ventils kann aber auch als Einzelteil ausgeführt sein, der in eine Öffnung der Platte (nicht dargestellt) eingesetzt wird. Koaxial zur Öffnung
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--2-- angeordnet,Seitenfläche des Bechers --2-- sind Durchtrittsöffnungen --5-- für das Arbeitsmedium vorgesehen, so dass dieses aus dem Innenraum--3--des Bechers--2--in den Strömungskanal --4-- und weiter in einen Arbeitszylinder (nicht dargestellt) des Verdichters gelangen kann. Die Durchtrittsöffnungen --5-- sind unter einem Winkel zur Längsachse des Bechers --2-- angebracht.
Jede Durchtritttsöffnung --5-- besitzt ein Zwischenstück --6-- und ist von einer elastischen Lamelle --7-- abgedeckt, die an der Aussenfläche des Bechers --2-- mit Hilfe eines Ringes --8-- einseitig eingespannt ist. Der Ring-8-ist durch einen schwachen Konus am Becher --2-- mit den Lamellen --7-- befestigt. Das Zwischenstück --6-- dient als Träger für die Lamelle --7-- bei geschlossenem Ventil.
Jede elastische Lamelle --7-- besitzt eine in Längsrichtung veränderliche Dicke, die in Richtung zu ihrer Befestigungsstelle am Becher --2-- abnimmt, u. zw. liegt das Verhältnis der grössten Dicke Si der Lamelle--7--im Bereich der Durchtrittsöffnung --5-zur kleinsten Dicke 82 in ihrem übrigen federnden Bereich--9--in den Grenzen von 3 bis 1.
Ausserdem besitzt jede Lamelle--7--eine in Längsrichtung veränderliche Breite (s. Fig. 2), die in Richtung ihrer Befestigungsstelle am Becher --2-- abnimmt, u.zw. liegt das Verhältnis der grössten Breite bi im Bereich der Durchtrittsöffnung --5-- zur kleinsten Breite b2 im übrigen federnden Bereich--9--in den Grenzen von 8 bis 1, 1.
Jede Lamelle --7-- weist in ihrem federnden Bereich --9-- eine Ausnehmung --10-- auf, durch
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--2-- istDurchtrittsöffnungen --5-- (Fig. 1) ab.
Die Innenfläche des Gehäuses --1-- ist im Bereich des Vielflächners des Bechers --2-- in Form einer abgeschnittenen Pyramide ausgeführt, wobei das Profil jeder Seitenfläche --12-- beispielsweise der
Durchbiegungslinie der Lamelle--7--entspricht. Wenn das Ventil vollständig geöffnet ist, liegt jede elastische Lamelle--7--an einer Seitenfläche --12-- an, die auf diese Weise den Hub der Lamelle--7--begrenzt.
Zur besseren Strömungsführung des Arbeitsmediums ist der Boden des Bechers--2--in Gestalt einer die
Strömung nach aussen lenkenden Leitfläche ausgeführt. Zur Senkung des Ventilwiderstandes sind an der
Innenfläche des Gehäuses --1-- zusätzliche Kanäle --13-- (Fig.3) für das Arbeitsmedium ausgebildet.
Das erfindungsgemässe Ventil arbeitet folgenderweise : Während des Ansaugens gelangt Gas aus der
Ansaugleitung (nicht dargestellt) in den Innenraum --3-- des Bechers --2-- und strömt sodann durch die
Durchtrittsöffnungen --5-- aus, wobei die elastischen Lamellen --7-- abgedrückt werden. Das unter den
Seitenkanten der Lamellen --7-- hervorströmende Arbeitsmedium wird durch die zusätzlichen Kanäle --13-- (Fig. 2) im Gehäuse --1-- abgeführt. Danach gelangt das Arbeitsmedium in den Zylinder (nicht dargestellt). Während der Kompression gelangt das Arbeitsmedium auf ähnliche Weise aus dem Zylinderraum in die Druckleitung.
Wenn das Ventil geschlossen ist, ist der Druck hinter dem Ventil grösser als der Druck vor dem Ventil, und in den die Durchtrittsöffnungen --5-- des Bechers --2-- verdeckenden Bereichen der Lamellen--7-- treten Biegespannungen infolge dieses Unterschieds der statischen Drücke auf. Diese Spannungen sind dem Quadrat der Breite der Durchtrittsöffnungen --5-- proportional und dem Quadrat der Dicke der Lamellen --7-- im Bereich der Durchtrittsöffnungen --5-- indirekt proportional.
Die erforderliche Festigkeit des abdichtenden Bereiches jeder Lamelle--7--wird dadurch gewährleistet, dass die Biegespannungen in ihm durch eine entsprechende Dickendimensionierung in zulässigen Grenzen gehalten werden. Ausserdem tragen auch die stützenden Zwischenstücke --6-- in den Durchtrittsöffnungen --5-- des Bechers --2-- zur Verringerung der Biegespannungen in den Lamellen --7-- bei, da hiedurch die auf Biegung beanspruchte Breite der Lamellen --7-- vermindert ist. Der federnde Bereich --9-- jeder Lamelle --7-- ist dabei vom Druck befreit.
Wenn das Ventil geöffnet ist, entstehen im federnden Bereich --9-- jeder Lamelle --7-Biegespannungen, die der Lamellendicke proportional sind. Da die Steifigkeit und die erforderliche Biegekraft der elastischen Lamellen--7--ihrer Breite und der dritten Potenz ihrer Dicke proportional sind, wird eine vollständige Öffnung des Ventils erreicht. Dabei wird auch die Biegespannung im federnden Bereich-9jeder Lamelle--7--verringert.
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Zur Senkung der Herstellungskosten und Verbesserung der Betriebseigenschaften kann das Schrägsitzventil einen Bauteil--14-- (Fig. 4) aufweisen, der das Gehäuse --1-- und den Bêcher--2--vereinigt. Das Fehlen von Befestigungsteilen des Bechers Gehause-1-gestattet es, beide mit geringerer Höhe auszuführen und den "toten Raum" des Ventils zu verringern, die Becher --2-- näher aneinander zu reihen und den Durchgangsquerschnitt des Ventils zu vergrössern. Die Lamellen--7--werden bei einem solchen Ventil während des Giessens oder Pressens des Bauteils--14--befestigt. Das Entfernen der Lamellen--7-- kann dann mechanisch erfolgen.
Das nachfolgende Befestigen von neuen Lamellen--7--kann infolge des Unterschieds der linearen Ausdehnungskoeffizienten der Metalle des Bauteiles --14-- und der Lamelle-7nach Erwärmung des Ventils während seiner Arbeit im Verdichter durchgeführt werden.
In den beschriebenen Beispielen muss zur Auswechslung der Lamellen --7-- der Becher --2-- aus dem Gehäuse --1-- herausgenommen werden. Es ist jedoch auch eine unstarre Befestigung der Lamellen--7-am Bêcher-2-môglich. Beispielsweise sind die Lamellen --7-- an der Aussenfläche des Bechers-2- mit Hilfe einer Hülse --15-- (Fig. 5) befestigt. Diese ist aus einem elastischen Material ausgeführt und besitzt die Form eines Vielflächners. Die Hülse --15-- ist zwischen der Innenfläche des Gehäuses --1-- und der Aussenfläche des Bechers--2--angeordnet, wobei sie den Bêcher--2--auf seiner ganzen Höhe umfasst.
An der Aussenfläche des Bechers --2-- sind Abflachungen --16-- ausgeführt, auf welche die Lamellen-7gelegt sind. Die Hülse --15-- hält im Gehäuse --1-- durch einen schwachen Konus, so dass sie die Lamellen --7-- an die Abflachungen --16-- drückt. Während der Arbeit des Ventils erwärmt sich die Hülse--15-- und drückt die Lamellen --7-- noch stärker gegen die Abflachungen--16--. Zur bequemeren Montage und Demontage kann die Hülse --15-- einen oder mehrere Schlitze--17-- (Fig. 6) aufweisen. An der Innenfläche der Hülse --15-- sind in Höhe der Durchtritttsöffnungen --5-- (Fig.5) Kanäle --18-- (Fig.6) für das Arbeitsmedium ausgebildet.
Die Innenfläche der Hülse --15-- begrenzt den Hub der Lamellen-7-. Die Ausführung der Hülse --15-- aus einem elastischen Material erhöht die Lebensdauer der Lamellen --7--. Die Kanäle --18-- vermindern den gasdynamischen Widerstand des Ventils und erhöhen den Ventildurchfluss.
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wird die Innenfläche des Gehäuses --1-- (Fig. 1) an jener Stelle, an der das Gehäuse --1-- den Vielflächner des Bechers --2-- umfasst, zweckmässigerweise kegelig ausgeführt. Die festen Teilchen, die zwischen die Lamelle--7--und die Kegelfläche des Gehäuses --1-- gelangen, werden dann im Segmentquerschnitt gesammelt und fallen nach unten.
Wenn die Innenfläche des Gehäuses --1-- dagegen Seitenflächen --12-besitzt und feste Partikel zwischen die Lamellen --7-- und die Seitenflâchen-12-gelangen, so können die Lamellen beim Schlagen gegen die Seitenflâchen--12-gebrochen werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schrägsitzventil, bestehend aus einem Gehäuse mit einer durchgehenden Öffnung, in welche ein Becher koaxial eingesetzt ist, der im Bereich des Eintritts des Arbeitsmediums in seinen Innenraum befestigt ist, wobei zwischen der Aussenfläche des Bechers und der Innenfläche des Gehäuses ein Strömungskanal für das Arbeitsmedium begrenzt ist, welcher mit dem Innenraum des Bechers über an dessen Seitenfläche vorgesehene Durchtrittsöffnungen in Verbindung steht, und wobei jede Durchtrittsöffnung von einer an der Aussenfläche des
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