Kugelschieberartiger Drehschieber für die Hauptrohrleitung von hydraulischen Maschinen Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein kugelschieberartiger Drehschieber für die Hauptrohr leitung von hydraulischen Maschinen, hauptsächlich Turbinen.
Der erfindungsgemässe Drehschieber ist dadurch gekennzeichnet, dass in der den Drehschieber um gehenden, zur Auffüllung des zwischen Drehschieber und Maschine liegenden Rohrabschnittes dienenden Rohrleitung vor dem Füllventil ein mit dem Wasser strom dieser Umgehungsleitung betätigter Injektor eingebaut ist, dessen Unterdruckraum mit dem zwi schen dem Ventilteller und dem Ventilträger des Drehschiebers von der Führung des Ventiltellers umschlossenen Raumteil in Verbindung steht.
Die Zeichnung stellt eine beispielsweise Ausfüh rungsform des erfindungsgemässen Gegenstandes dar. Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des Drehschiebers.
Fig. 2 ist eine Einzelheit der Fig. 1 in grösserem Massstab.
In den bekannten Schliessvorrichtungen sind aus drücklich Kugelschieber vorgesehen; das auf Fig. 1 der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel ist, hauptsächlich zwecks Erleichterung des Vergleiches mit den bekannten Vorrichtungen, gleichfalls ein Kugelschieber, obwohl die Erfindung auch nur kugel- schieberartige Ausführungen umfasst.
In bezug auf seinen Aufbau stellt dieser Kugel schieber eine den bekannten Ausführungen in grossen Zügen ähnlich konstruierte Schliessvorrichtung dar, deren Hauptteile das in die Hauptleitung 1-2 ein gebaute kugelförmige Gehäuse 3, die in dieses in diametraler Richtung hineinragende und in demsel ben in dichtender Weise gelagerte Antriebswelle 4, der am Ende der letzteren befestigte Ventilträger 5, der mit dem Ventilträger in der Verlängerungsrich tung der Antriebswelle fest zusammengebaute und gleichfalls im Ventilgehäuse gelagerte, hohle Dreh zapfen 6, und schliesslich der in der Ventilfüh rung 7 des Ventilträgers geführte Ventilteller 8 sind.
Der Ventilsitz 9 des Ventiltellers ist an der innern Seite des Kugelgehäuses, um die Mündung des hier angeschlossenen Hauptrohrabschnittes 2 ausgebildet; der zwischen dem Ventilteller 8 und dem Ventilträger 5 mittels der Ventilführung 7 umschlossene Raumteil steht über den Kanal 10 mit dem Hohlraum des Drehzapfens 6 in Verbin dung, um mit Hilfe des in diesem Hohlraum auf recht gehaltenen Wasserdruckes den Ventilteller 8 auf den Ventilsitz 9 pressen bzw. vom letzteren ab heben zu können.
Der Ventilträger 5 kann eine im Innern des Kugelgehäuses 3 in konzentrischer Lage gehaltene Kugel, zweckmässiger aber ein zylindrisches Hülsenstück sein, von welchem auf Fig. 1 in der Sperrlage des Ventiltellers 8 nur der kreisförmige Hülsenquerschnitt ersichtlich ist;
der freie innere Durchmesser der Hülse soll angenähert dem innern Durchmesser der Rohrleitung 1-2, die Länge der selben hingegen angenähert gleich dem Abstand der Ein- und Austrittsöffnungen des Kugelgehäuses gewählt werden, wodurch erreicht wird, dass der Kugelschieber, in seinem geöffneten Zustand in bezug auf die dargestellte Lage nach einer Ver drehung um 90 , mit den Endöffnungen der Hülse 5 genau vor die Öffnungen des Kugelgehäuses ein schwenken und somit der Durchströmung des Was sers einen vollkommen freien Weg öffnen kann.
Diese rechtwinklige Verdrehung des Ventilträgers wird ver mittels der Antriebswelle 4 beispielsweise durch Betätigung der in den Hauptzügen nachstehend be schriebenen, von einem Servomotor angetriebenen Antriebsvorrichtung hervorgebracht.
Die Erfindung unterscheidet sich von den be kannten Vorrichtungen grundsätzlich dadurch, wie und in welchem Masse der im Rohrabschnitt 1 zur Verfügung stehende Wasserdruck unter dem Ventil teller wirksam gemacht wird. In den bekannten Vorrichtungen sind zu diesem Zweck zwei besondere, durch das Steuerorgan des Servomotors in entspre chenden Zeitpunkten betätigte Ventile vorgesehen, von welchen das sogenannte Füllventil in eine den zwischen dem Kugelgehäuse und dem Ventilträger freigelassenen Raum mit dem Rohrabschnitt 2 ver bindende Rohrleitung, das sogenannte Entlastungs ventil hingegen in eine den unterhalb des Ventil tellers 8 befindlichen Raum über den hohlen Dreh zapfen mit demselben Rohrabschnitt 2 verbindende weitere Rohrleitung eingebaut ist.
In diesem Aus führungsfalle gelangt der Ventilteller 8 in seiner vor dem Öffnen des Kugelschiebers noch geschlos senen Stellung einerseits über die Leitung des be reits geöffneten Füllventils von der Seite des Rohr abschnittes 1, anderseits über die Leitung des gleich falls geöffneten Entlastungsventils und über den hohlen Drehzapfen von der Gegenseite, das heisst von beiden Seiten unter Wasserdruck;
zufolge der Gleichheit dieser Wasserdrücke wird aber in der Tat nur die auf den Ventilteller wirkende Bela stung ausgeglichen, es bleibt jedoch kein Druck überschuss übrig, welcher den Ventilteller vom Ven tilsitz 9 in bestimmter Weise abheben könnte, so dass anzunehmen ist, dass das Öffnen des Kugel schiebers, wenigstens zu Beginn (bis die unbestimmte zurückschiebende Wirkung des durch die allmäh lich zunehmende Kugelschieberöffnung hindurch strömenden Wassers sich geltend machen kann) nur bei zwischen Ventil und Ventilsitz entstehender Rei bung stattfinden kann.
Es ist aber auch das Schliessen des Kugelschiebers nicht einwandfrei, da der in die Schliessstellung aus dem jetzt erwähnten Grunde (wegen vorangehender Zurückschiebung) ge gebenenfalls mit Spalt einschwenkende Ventilteller 8 während Nachsickerung nur verhältnismässig langsam (im Masse der im Führungsspalt zwischen Ventilteller und Ventilführung 7 durch Drosselung verzögerten Fortpflanzung des Wasserdruckes in das Innere der Ventilführung), mit unsicherer Dichtungswirkung auf den Ventilsitz aufgepresst wird.
Dieses nach teilige Verhalten der Schliessorgane könnte nur dann vermieden werden, wenn das Entlastungsventil in eine den Rohrabschnitt 1 mit dem Hohlraum des Drehzapfens verbindende Rohrleitung eingebaut wäre, da demzufolge der im Rohrabschnitt 1 be ständig wirkende Druck nach Öffnen des Entlastungs ventils unmittelbar, ohne Drosselung unter den Ventilteller 8 gelangen könnte; in diesem Falle würde aber beim Öffnen des Kugelschiebers der auf die vom Rohrabschnitt 2 abgekehrte Seite des Ven tiltellers ausgeübte Wasserdruck überwiegen und das Öffnen unter Reibung und Verschleiss noch mehr erschweren.
Alle diese Nachteile und Unsicherheiten der Betätigung können gemäss der Erfindung, beispiels- halber in der auf Fig. 1 dargestellten Anordnung, einheitlich dadurch beseitigt werden, dass in die mit tels des Füllventils 11 verschliessbare Umgehungs leitung 12-13 vor das Füllventil ein Injektor einge baut wird, dessen die Injektordüse 14 umgebender Unterdruckraum 15 über die Bohrung des Dreh zapfens 6 und den Kanal 10 mit dem unter dem Ventilteller 8 umschlossenen Raumteil des Kugel schiebers in Verbindung steht.
Demzufolge wird der Unterdruck des Injektors, welchen die in der Um gehungsleitung 12-13 zwecks Auffüllung des Rohr abschnittes 2 sofort nach Öffnen des Füllventils, jedoch noch in geschlossener Stellung des Kugel schiebers hervorgebrachte Wasserströmung im Raum teil 15 erzeugt und von hier längs des geöffneten An schlusses 6-10 unter dem Ventilteller 8 vermittelt, den letzteren gegen den Mittelpunkt des Kugel schiebers herabziehen und somit zwischen Ventil teller und Ventilsitz noch in unveränderter Stel lung des Ventilträgers 5 einen ringförmigen Spalt öffnen, wodurch bei Beschleunigung der Auffüllung des Rohrabschnittes 2 die hierauf folgende,
öff nende Verdrehung der Schliessvorrichtung um 90 ungehindert ermöglicht wird. Da zum Schliessen des Füllventils 11 auch nach vollständigem Öffnen des Kugelschiebers keine Notwendigkeit vorliegt, kann die Strömung der die Turbine antreibenden Wassermenge ausserhalb des unmittelbaren Strö mungsweges 1-5-2, in der Form eines parallel abgezweigten Strömungsabschnittes, auch in der Um gehungsleitung 12-13 weiter aufrechtgehalten wer den, so dass der Ventilteller 8, unter dem durch den Injektor 14-15 hervorgerufenen Unterdruck, auch weiterhin in herabgezogener Lage bleibt.
Hier aus folgt, dass der Ventilteller, wegen seiner unver änderten relativen Lage, auch die zum Schliessen erforderliche Zurückschwenkung ungehindert aus führen kann, sogar gegenüber dem Ventilsitz vor läufig noch einen Spalt eingestellt hält, dessen Breite seiner herabgezogenen Lage entspricht. Das voll ständige Schliessen des Kugelschiebers wird durch Schliessen des Füllventils 11 herbeigeführt, in wel chem Zeitpunkte die plötzliche Abstellung der Bewe gung der in der Umgehungsleitung 12-13 bisher in Strömung gehaltenen Wassermenge in der Lei tung 12 einen Wasserstoss verursacht. Dieser Wasser stoss erzeugt im Unterdruckraum 15 des Injektors eine über den Anschluss 6-10 unter dem Ventil teller 8 vermittelte Druckzunahme, welche den Ventil teller schliesslich kräftig auf den Ventilsitz 9 presst.
Das Verharren des Ventiltellers unter Überdruck in der so erhaltenen Sperrlage wird durch den im Rohrabschnitt 1 herrschenden und über den Weg 13-14-l5-6-10 auf den Ventilteller lastenden vollen Wasserdruck gesichert, da an der äussern Seite des Ventiltellers (das heisst im Rohrabschnitt 2) wegen des Abfliessens des Wasserinhaltes in praktischem Sinne jeder Gegendruck aufhört.
Es ist zu ersehen, dass die Betätigung des Injek- tors das vollkommen ungehinderte und reibungs- freie Öffnen des Ventiltellers 8 und das gleichfalls ungehinderte, unter Überdruck erfolgende genaue Schliessen desselben auf Kosten einer geringen bau lichen Ergänzung, das heisst auf Kosten der An wendung der in die für das Füllventil 11 ohnehin erforderliche Umgehungsleitung 12-13 eingebauten Injektordüse 14 mit dem wesentlichen baulichen Gewinn ermöglicht, dass in erster Reihe das oben erwähnte Entlastungsventil der bekannten Vorrich tungen und das von der Steuervorrichtung des Servo motors betätigte Antriebsorgan desselben samt den das Treibmittel (Drucköl)
zu- und abführenden zu gehörigen Leitungssystem erspart werden können. Ein sehr wesentlicher weiterer Vorteil der neuen Vorrichtung besteht darin, dass es nicht nötig ist, die Schliessflächen des Ventiltellers und des Ventil sitzes als Kugelringflächen auszubilden, welche im Falle der erwünschten Schliessgenauigkeit nur mit verhältnismässig schwieriger nud kostspieliger Bear beitung hergestellt werden können, da wegen der in hinreichendem Masse und in bestimmter Weise er möglichten Zurückziehbarkeit des Ventiltellers 8 diese Schliessflächen auch konisch oder mit gestufter Profillinie,
im allgemeinen mit vom Kreisbogen ge mäss gewissen Zweckmässigkeitsrücksichten abwei chenden Profillinien ausgebildet werden können. Eine derartige Ausbildung der Schliessflächen bietet auch noch den zusätzlichen Vorteil, dass die Schliess vorrichtung in ihrem geschlossenen Zustand gleich zeitig auch blockiert ist, da so geformte Schliess- flächen des Ventiltellers 8 aus dem Ventilsitz, im Gegensatz zu Kugelringflächen, erst nur dann her ausgedreht werden können, wenn der Ventilteller bereits zurückgezogen wurde, was einer Sicherung des drehbaren Teils der Schliessvorrichtung gegen unbeabsichtigte Verdrehung gleichkommt.
Hierdurch hört aber der ausschliessliche Kugelschiebercharakter des Erfindungsgegenstandes um so mehr auf, da man natürlich auch in bezug auf das Ventilgehäuse 3 nicht ohne Abweichungsmöglichkeit an die Kugel form gebunden ist. Unter dem Erfindungsgegenstand soll deshalb nicht unbedingt ein ausgesprochener Kugelschieber, sondern in Übereinstimmung mit der eingangs gegebenen Definition ein kugelschieber- artiger Drehschieber verstanden werden.
Die Antriebsvorrichtung des Drehschiebers ist den Antriebsvorrichtungen der bekannten Kugel schieber nur in grossen Zügen ähnlich, da die An wendung des Injektors selbstverständlich auch auf die Ausführung des Antriebs und auf die hierzu er forderlichen Bauteile zurückwirkt.
Das auf Fig. 1 auf der linken Seite des Drehschiebers ersichtliche Ausführungsbeispiel der Antriebsvorrichtung ist, wie bei den bekannten Ausführungen mit einem Servo motor und mit einem Steuerschieber E versehen, welcher in den auf Fig. 1 und 2 dargestellten, zum Öffnen bzw. zum Schliessen des Drehschiebers ge hörigen sowie in andern, nicht dargestellten Ein stellungen die Zu- und Abfuhr des flüssigen Treib mittels (zweckmässig Drucköls) steuert.
Von diesem Steuerschieber und vom Servomotor<I>A</I> (A1, <I>A2)</I> ab gesehen, mögen an der Antriebsvorrichtung gemäss Fig. 1 als weitere Hauptteile der das Füllventil 11 mit Hilfe der Stange 3 8 öffnende und schliessende Hilfsservomotor B, das hydraulische Verriegelungs- organ C und das mechanische Verriegelungsorgan D unterschieden werden.
Der Servomotor A besitzt für das Schliessen und Öffnen des Drehschiebers je einen besonderen Arbeitszylinder A1 bzw. A2, deren Kolben 18 bzw. 19 mit einer als Zahnstange ausgebildeten gemein samen Kolbenstange 17 starr verbunden sind; durch diese Zahnstange erfolgt die Drehung der Antriebs welle 4, einerlei, ob der Hubrichtung 45 oder 46 entsprechend das Öffnen bzw: das Schliessen des Drehschiebers auszuführen ist, mit Hilfe des alter nierend geschwenkten Zahnsegmentes 16.
Das Treib mittel gelangt in die Zylinder A1, A2 über die Lei tungen 20 bzw. 21-22-23 und verlässt sie auch auf denselben Wegen, wozu diese Zylinder mittels der Kolben 43, 44 des Steuerventils E wahlweise auf die Druckleitung 25 bzw. (gegebenenfalls durch Vermittlung des Leitungsabschnittes 27) auf die Auslassleitung 26 geschaltet werden.
Das Öffnen des Drehschiebers wird durch Öffnen des Füllventils 11 dadurch in Gang gesetzt, dass der Kolben 37 des Hilfsservomotors B, infolge des auf denselben in der auf Fig. 1 ersichtlichen Einstellung des Steuerventils E über die Leitungen 23-24 ent gegen der Druckfeder 36 ausgeübten Öldruckes, gemäss der Zeichnung nach links verschoben wird.
Die hierauf folgende Auffüllung des Rohrabschnittes 2 über die Umgehungsleitung 12 mit unter Voll druck stehendem Wasser bewirkt, dass der Wasser druck, welcher sich aus diesem Rohrabschnitt 2 über die Verbindungsleitung 41 nunmehr auch unter den Kolben 39 des hydraulischen Verriegelungs- organs C fortpflanzen kann, den Kolben 39 samt dem auf der Kolbenstange des letzteren sitzenden Kolbenschieber 42 entgegen der die Kolbengegen seite belastenden Feder 40 gemäss der Zeichnung nach links zurückschiebt.
Demzufolge lässt der die Strömung zwischen den Leitungen 21-22 bis jetzt absperrende Kolbenschieber 42, durch Verbinden dieser Leitungen in den Druckraum des öffnenden Zylinders A2 des Servomotors Drucköl gelangen, unter dessen Druck das Kolbenpaar 18-19 sich in der Öffnungsrichtung 45 verschiebt und die An triebswelle 4 mittels des Zahnsegmentes 16 in die geöffnete Stellung des Drehschiebers verdreht.
In diesem Zeitpunkte der Betätigung ist nämlich die jetzt erwähnte Verdrehung der Antriebswelle bereits ungehindert möglich, da die in der Umgehungslei tung 12 sofort nach Öffnen des Füllventils 11 auf tretende Wasserströmung den Injektor 14-15 in Betrieb gesetzt hat, worauf der durch den letzteren erzeugte Unterdruck den Ventilteller 8 vom Ventil sitz 9 noch vor der Linksverschiebung des Kolben schiebers 42 zurückzieht. Aus dieser Wirkungsweise ist zu schliessen, dass der öffnende Servomotorzylinder A2 nur dann unter Druck gesetzt werden kann, wenn der Rohrabschnitt 2 bereits unter Wasserdruck steht, was die Richtig keit der Betätigung verbürgt.
Aus demselben Grunde gelangen die Kolben des Hilfsservomotors B und des hydraulischen Verriegelungsorgans C in ihren linksseitigen Endstellungen - und hiermit auch das Füllventil 11 und der Kolbenschieber 42 in ihren geöffneten Stellungen - dadurch in blockierten Zu stand, dass die Hubnase 28 der sich in der öffnungs- richtung 45 verschiebenden verzahnten Kolbenstange 17 die an der Hubnase mit dem Arm 29 gehaltene Riegelstange 31 des mechanischen Verriegelungs- organs D in der Richtung 45 so lange verschieben lässt, bis die an der Riegelstange 31 aufgekeilten Riegelfinger 32,
34 in die Riegelsitze 33, 35 der Kolben 37 bzw. 39 eingreifen.
Beim Schliessen soll der Steuerschieber E in die auf Fig. 2 ersichtliche Stellung gebracht werden, worauf der über den eingestellten Strömungsweg 25-20 auf den Kolben 18 des schliessenden Servo- motorzylinders A 1 wirkende Öldruck den Dreh schieber während des in der Richtung 45 ausge führten Kolbenhubes auch diesmal ungehindert ver drehen kann, bis die Schliessstellung erreicht wird, da der Injektor den Ventilteller 8 noch in zurück gezogener Lage hält.
Gleichzeitig kann das Öl aus dem öffnenden Zylinder A2 frei ausfliessen, da die Verriegelung des Kolbenschiebers 42 nur am Ende des Kolbenhubes und erst dann ausgelöst wird, wenn die Hubnase 28 der Kolbenstange 17 die auf die Riegelstange 31 gekeilten Riegelfinger 32, 34 aus den Riegelsitzen 33, 35 heraushebt. Hierauffolgend wird unter dem Druck der Feder 36 zuerst das Füll ventil l l geschlossen - das im Zylinder des Hilfs- servomotors B befindliche Öl kann hierbei auf dem geöffneten Strömungsweg 24-23-26 frei abfliessen - und in der Umgehungsleitung ein starker Wasser stoss hervorgebracht, unter dessen Wirkung der Ventilteller 8 einwandfrei geschlossen wird.
Nun wird der Wasserdruck im Rohrabschnitt 2 während der Entleerung desselben dermassen abnehmen, dass das Wasser unter dem Gegendruck der Feder 40 auch aus dem Zylinder des hydraulischen Verriege- lungsorgans C ausfliessen kann, da die mechanische Verriegelung desselben bei 34-35 bereits ausgelöst ist, wobei gleichzeitig auch der Kolbenschieber 42 in seine frühere Schliessstellung zurückkehrt, in wel cher bis zur entsprechenden nächsten Einstellung des Steuerschiebers keine Möglichkeit mehr gegeben ist, den öffnenden Servomotorzylinder unabsichtlich unter Druck zu stellen.
Wie aus dieser Erörterung der Wirkungsweise hervorgeht, verrichtet die beschriebene Antriebsvor richtung alle ihre Funktionen mit Ausnahme der Betätigung des Steuerschiebers vollkommen auto matisch und derart, dass sie gegen Betätigungsfehler mit mehrseitiger Blockierung gesichert ist und ihre erwähnten Funktionen sowohl untereinander wie in bezug auf die Leistung des Injektors richtig ab gestimmt sind, wobei sie sich gegenüber früheren Anordnungen auch infolge wesentlicher baulicher Vereinfachungen vorteilhafter und deshalb auch in funktioneller Hinsicht verlässlicher erweist.
Eine sehr beachtenswerte derartige Vereinfachung konnte zum Beispiel durch die Anwendung des mechanischen Verriegelungsorgans D erzielt werden, dessen Funk tionen in den bekannten Antriebsvorrichtungen durch eine hauptsächlich hydraulisch betätigte (ölgesteuerte) Hilfseinrichtung, von andern Umständen abgesehen, nur auf Kosten der Anwendung eines wegen der zusätzlichen Ölsteuerung erforderlichen weiteren Steuerorgans und des zugehörigen Rohrsystems er füllt werden können.
Trotz diesen handgreiflichen Vorteilen ist es aber möglich, in der Antriebsvorrich tung die mechanische Verriegelung auf Wunsch auch durch eine Verriegelung von anderer (zum Beispiel hydraulischer) Natur zu ersetzen, soweit diese letz tere den sich aus der Anwendung des Injektors ergebenden funktionellen Eigentümlichkeiten ent sprechend ausgearbeitet ist. Hauptsächlich zwecks Fernsteuerung kann schliesslich der Steuerschieber auf mittelbare mechanische, pneumatische oder elek tromagnetische Betätigung eingerichtet bzw. für son stige mittelbare Betätigung mit einer hydraulischen Vörsteuerung versehen werden.
Im Zusammenhang mit der Antriebsvorrichtung mag noch erwähnt werden, dass in irgendeiner Öl leitung des Servomotors A1 A2, zweckmässig in der Leitung 23, in dieser letzteren zum Beispiel an der Stelle 47, eine konstante oder einstellbare Quer schnittsverengUng vorgesehen werden kann, deren Mass vor Inbetriebsetzung im Versuchswege zu er mitteln ist; diese Verengung bezweckt eine etwaige zu schnelle Verdrehung des Drehschiebers haupt sächlich während des Schliessens zu verlangsamen.
Die Anwendung des beschriebenen Drehschie bers ist auch im Pumpenbetrieb möglich.