Nadelventil, insbesondere Regeldüse für Freistrahlturbinen Die Erfindung betrifft ein Nadelventil, insbeson dere Regeldüse für Freistrahlturbinen, mit einer ko axial zum Ventilgehäuse angeordneten Führungs hülse, in der eine hohle Regulier- bzw. Abschluss- nadel axial verschiebbar gelagert ist, und mit einem in der hohlen Nadel ausgebildeten hydraulischen Re gelservomotor sowie mit einem hydraulischen Aus gleichservomotor und einer mechanischen Einrich tung zum Ausgleich der vom Wasserdruck her im Öffnungssinn auf die hohle Nadel wirkenden Kräfte.
Bei solchen Nadelventilen wechselt bekanntlich die zum Steuern der Ventilnadel aufzuwendende Kraft, die entweder mechanisch oder hydraulisch auf die Nadel übertragen wird, in Abhängigkeit von der jeweiligen Nadelstellung. Beim öffnen der Nadel ist diese Kraft zunächst nahe der Schliesstellung am kleinsten, wird dann umso grösser, je weiter die Na del zurückgezogen, also geöffnet wird. Denn mit zu nehmender Öffnung gelangt jeweils eine immer grös- sere Fläche des Nadelkopfes in den Wirkungsbereich der durch die Nadel gesteuerten Betriebsflüssigkeit.
Zum Ausgleich derartiger Kräfte wurden schon Federn eingebaut, deren Verwendung aber nur in be schränktem Masse möglich ist, denn bei grossen zu steuernden Strahlquerschnitten und insbesondere bei der Steuerung unter hohem Druck stehender Flüssig keiten wachsen die auf die Nadel wirkenden hydrau lischen Kräfte derartig an, dass solche Ausgleichs federn untragbare Ausmasse erhalten müssten. Ins besondere wäre die Unterbringung derartig grosser Federn in der hierfür hohl ausgebildeten Ventilnadel sehr schwierig.
Man hat deshalb schon versucht, den Ausgleich statt durch Druckfedern auf hydraulischem Wege durchzuführen, und zwar mittels eines besonderen hydraulischen Servomotors, der auf der aus dem Ventilgehäuse herausgeführten Ventilnadel angeord- net wurde. Diese Lösung ist jedoch nur bei Nadel ventilen, die als Regeldüsen für Freistrahlturbinen Verwendung finden, bzw. bei Nadelventilen mit ge krümmtem Ventilgehäuse, anwendbar und erfordert ausserdem eine relativ grosse Baulänge.
Ausserdem wurde auch schon vorgeschlagen, eine Verminderung der auf die Ventilnadel im öff nenden Sinne wirkenden hydraulischen Kräfte da durch zu erzielen, dass die Ventilnadel hinter dem Nadelkopf so weit wie möglich verjüngt wurde. Da bei ist es auch bekannt, die Verjüngungen am Nadel kopf innerhalb der Führungshülse am äusseren Um fang der Hohlnadel anzuordnen. Dies hat jedoch zur Folge, dass bei einer ausreichenden Verjüngung die ausserdem meistens verwendete und in der hohlen Ventilnadel angeordnete Ausgleichsfeder nur einen geringen Windungsdurchmesser erhalten kann und daher relativ lang ausgeführt werden muss.
Bei dieser Ausführung ist auch der für die Steue rung der Nadel vorgesehene hydraulische Regelservo- motor in dem zur Führung der Nadel dienenden Na benkörper untergebracht. Da mit Rücksicht auf den kleinen Durchmesser dieses nabenförmigen Gehäuses nur für kleine Kolbenflächen Platz vorhanden ist, wurde zur Erhöhung der von dem Servomotor aus zuübenden Steuerkräfte eine Doppelanordnung von zwei hintereinanderliegenden Servomotoren gewählt.
Die Erfindung gibt nun eine neue Lösung an, die sich bei einer Regulierdüse für Freistrahlturbinen be sonders gut eignet.
Gemäss der Erfindung ist auch der hydraulische Ausgleichservomotor innerhalb des hohlen Nadel schaftes ausgebildet.
Bei einer beispielsweisen Ausführungsform ist der hydraulische Ausgleichservomotor aus einem durch den hohlen Nadelschaft gebildeten Zylinder und einem in den Zylinder angeordneten, mit der feststehenden Führungshülse verbundenen Kolben gebildet, wobei der Zylinderraum an einen wenig stens angenähert konstanten Druck (etwa den Be triebswasserdruck) angeschlossen ist.
Bei einer Ausführungsform sind der Ausgleich servomotor und der Regelservomotor in der Weise räumlich in Achsrichtung gesehen hintereinander an geordnet, dass der mit der Führungsbüchse verbun dene feststehende Kolben auf der einen Seite den Zylinderraum des Ausgleichservomotors und auf der anderen Seite den Zylinderraum des Regelservo- motors abschliesst. Der Kolben ist dabei mittels einer durch den Nadelhohlraum hindurchgeführten Stange an der rückwärtigen Abschlusskappe der Nadelfüh- rungshülse befestigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des er- findungsgemässen Nadelventils wird zur Unterbrin gung des vorzugsweise von einem Regler gesteuerten Regelservomotors und etwa auch zur Unterbringung der zweckmässig als eine konzentrisch zur Kolben stange angeordnete Feder ausgebildeten mecha nischen Entlastungseinrichtung im Nadelhohlraum der als Zylinder des Ausgleichservomotors dienende,
entgegen der Strömungsrichtung gesehen vordere Teil des Nadelhohlraums durch einen Zwischenboden be- grenzt, durch welchen die Kolbenstange hindurchge führt wird und welcher zusammen mit dem freien Nadelende sowie mit dem durch eine Kappe abge schlossenen hinteren Ende der Nadelführungshülse den Regelservomotor bildet.
Für Nadelventile, bei denen infolge der beson deren Ausbildung der Ventilnadel und je nach der Grösse des Ausgleichservomotors und des weiteren je nach der Charakteristik der mechanischen Ent lastungseinrichtung sehr grosse Schliesskräfte erfor derlich sind, wird zur Erzeugung dieser grossen Kräfte der Regelservomotor doppeltwirkend ausge bildet.
Zu diesem Zweck bildet der Zwischenboden zusammen mit der hinteren Kolbenfläche des Aus gleichservomotors und der die beiden Kolbenflächen umschliessenden Nadelwand einen zweiten Regel Servomotorteil, der zweckmässigerweise ebenfalls vom Drucköl des Reglers beaufschlagt wird.
Eine weitere günstige Ausbildung des Nadelven tils wird durch die Anordnung des hydraulischen Ausgleichservomotors, entgegen der Strömungsrich tung gesehen, im hinteren Teil des hohlen Nadel schaftes und des Regelservomotors im vorderen Na delraum erzielt.
Hierdurch wird unter anderem der Vorteil er reicht, dass eine besondere AbdichtungdesFührungs- spaltes zwischen dem Nadelschaft und der Führungs- hülse wegfällt. Der Arbeitsraum des Ausgleichservo- motors ist bei dieser Ausführung mit dem Betriebs wasser verbunden und steht unter Betriebswasser druck.
Somit verbindet der Führungsspalt zwischen dem Nadelschaft und der Führungshülse zwei die gleiche Flüssigkeit und den gleichen Druck enthal tende Räume, nämlich den Arbeitsraum des Aus gleichservomotors mit dem eigentlichen Strömungs- raum im Ventilgehäuse. Eine Abnützung der Nadel führung bringt daher keine nachteiligen Wirkungen mit sich.
Da bei dieser Ausführung das hintere Ende des Nadelschaftes den unter Betriebswasserdruck stehen den Arbeitsraum des Ausgleichservomotors bildet, ist es nicht mehr unbedingt notwendig, das hintere Ende der Führungshülse durch eine mit Durchtrittsöffnun- gen versehene Kappe abzuschliessen. Das Hülsen ende kann in diesem Fall, soweit das strömungstech nisch zulässig ist, offen gelassen und die Kolben stange des Ausgleichservomotors an irgendeinem Tragteil der Führungshülse befestigt sein.
Beiliegende Zeichnung stellt drei Ausführungs beispiele des Erfindungsgegenstandes dar. Es zeigen im Längsschnitt Fig. 1 ein Beispiel mit einem im Ventilhohlraum angeordneten Ausgleichservomotor, einer Entla stungseinrichtung sowie dem vom Regler gesteuerten Öldruckservomotor ;
Fig. 2 ein Nadelventil, das im wesentlichen der Ausführung nach Fig. 1 entspricht, bei der jedoch der vom Regler beeinflusste Druck-Servomotor dop peltwirkend ausgebildet ist, und Fig. 3 ein Nadelventil, bei dem der Regelservo- motor, entgegen der Strömungsrichtung gesehen, vorn und der Ausgleichservomotor hinten angeordnet sind.
In Fig. 1 ist mit 1 die Abschluss- und Regulier nadel für die Zulaufleitung einer Freistrahlturbine bezeichnet, durch die der Austrittsquerschnitt 2 des geradlinig ausgebildeten Ventilgehäuses 3 gesteuert werden soll. Die Reguliernadel 1 ist zusammen mit ihrem Schaft 4 in einer koaxial zum Ventilgehäuse 3 beispielsweise mittels Streben 25 befestigten Füh rungshülse 5 axial verschiebbar gelagert. Die ko axial zum Ventilgehäuse angeordnete Führungshülse 5 ist an ihrem rückwärtigen Ende durch eine Kappe 50 flüssigkeitsdicht abgeschlossen.
Die Reguliernadel 1 und ihr Schaft 4 sind hohl ausgebildet, und zwar bildet ein Teil ihres Hohl raumes, nämlich der Teilraum 6, zusammen mit einem Kolben 60, einen Druck-Servomotor-Aus- gleich-Servomotor A, welcher also im hohlen Nadel schaft angeordnet ist. Hierbei ist der Kolben 60 mit tels einer Stange 7 an der Hülsenkappe 50 befestigt, also feststehend, während der Servomotorzylinder als ein Teil der Ventilnadel (1, 4) axial hin- und her gleiten kann.
Das durch das Gehäuse strömende Be triebswasser wird durch Öffnungen 8 der Führungs- hülse 5 sowie durch Öffnungen 9 des Nadelschaftes 4 in den Nadelhohlraum 6, d. h. in den Zylinder des Ausgleichservomotors A geführt. Das Druckwasser kann anstelle dessen aber auch durch eine Bohrung 22 der Kolbenstange 7 und des Kolbens 60 zuge- führt werden.
Sofern eine Zuführung der Druckflüs sigkeit an dieser Stelle jedoch vermieden werden soll, wenn etwa das Wasser stark sandhaltig ist, kann das Betriebsdruckwasser für diesen Servomotor an einer anderen geeigneten Stelle der Rohrleitung ab- gezweigt und durch eine besondere Leitung 10 so wie Öffnungen 11 in den Nadelhohlraum 6 einge leitet werden.
Der Nadelschaft 4 weist einen Zwischenboden 15 auf, der flüssigkeitsdicht auf der Kolbenstange 7 ge lagert ist. Dieser mit der Nadel axial bewegliche Zwi schenboden bildet zusammen mit dem rechten Teil des Nadelschaftes 4 den Kolben des vom Regler ge steuerten Regel-Servomotor B, dessen feststehender Zylinder durch die Führungshülse 5 und ihre Kappe 50 gebildet wird. Durch die Leitung 16 sei dieser also auch in der Nadel angeordnete Regel-Servo- motor B an einem nicht gezeigten Steuerregler an geschlossen. In dem vom Regler gesteuerten Servo motor B ist auch eine Entlastungsfeder 12 mit Feder tellern 13 und 14 konzentrisch zur Kolbenstange 7 angeordnet.
Die axialen Bewegungen dieser Feder teller werden, wie später noch näher erläutert ist, durch Anschläge 70 bzw. 170 auf der Kolbenstange begrenzt. Sofern vom Druckraum 6 des Ausgleich servomotors A Druckwasser bei der Lauffläche des Kolbens 60 hindurchtritt, ist zum Abführen des Sik- kerwassers eine Ableitung 18 vorgesehen.
In der Ableitung 18 ist auch noch eine Drossel 23 vorge sehen, welche die Aufgabe hat, die bei etwaigem zu schnellen Schliessen bzw. Öffnen der Nadel bei spielsweise infolge Federbruch der Ausgleichsfeder 12, in den Zylinderraum 210 vom Zwischenboden angesaugte bzw. herausgedrückte Flüssigkeit zu dros seln, so dass dadurch die Bewegungen der Ventil nadel gedämpft werden. In der Führungshülse 5 sind Dichtungen 26 für die Nadelführung vorgesehen.
Für die Rückführung der durch die Ventilnadel ausgeführten Bewegungen ist in an sich bekannter Weise ein Rückführhebel 19 vorgesehen, der bei spielsweise mittels Federkraft ständig am Stirnflansch 20 des Nadelschaftes anliegt und so dessen Stellung abtastet und auf den Regler überträgt. Der Stirn flansch 20 ist mit Bohrungen 17 versehen, die mit Bohrungen 14a im Federteller 14 in Verbindung ste hen und durch die das aus der Leitung 16 dem Re gelservomotor B zugeführte Drucköl in den Zylin derraum desselben gelangt.
Das in Fig. 1 dargestellte Nadelventil arbeitet folgendermassen: Die vom Betriebswasser beauf- schlagte Fläche des Kolbens 60 des Ausgleichservo- motors A ist so bemessen, dass in der in Fig. 1 dar gestellten Schliesstellung der innen auf die Nadel auf Schliessen wirkende Wasserdruck des Ausgleich servomotors etwas kleiner ist,
als der auf die äussere Fläche F des Nadelkopfes auf Öffnen wirkende Was serdruck zusammen mit der in dieser Stellung auf Öffnen wirkenden Kraft der in dieser Lage gespann ten Ausgleichsfeder 12. Der vordere Federteller 13 liegt dabei am Bund 70 der Kolbenstange 7 und der hintere Federteller 14 stüzt sich gegen den mit dem Nadelschaft 4 verbundenen Flansch 20 ab.
Von der Schliesstellung der Ventilnadel 1 an verbleibt somit eine im Öffnungssinn auf sie wirkende, beliebig klein wählbare Kraft übrig, welcher die durch den Druck des über die Leitung 16 zugeführten Druckmittels auf den Nadelschaft 4 mit Zwischenboden 15 im Sinne eines Schliessens auf die Ventilnadel 1 ausge übte, beispielsweise mittels eines steuerbaren Ventils in der Druckmittelzufuhrleistung 16, veränderbare Kraft des Regelservomotors B entgegenwirkt. Die Kraft des Regelservomotors B wird dabei so gewählt, dass die Ventilnadel 1 im Gleichgewicht gehalten ist bzw. dass auf sie eine Schliesskraft wirkt.
Zum Bewegen der Ventilnadel 1 aus der darge stellten Schliesstellung in eine gewünschte öffnungs- stellung wird der Öldruck im Regelservomotor B so weit vermindert, bis die auf die Ventilnadel im Öff nungssinne wirkende, vom Druck des Betriebswas sers auf die äussere Fläche F des Nadelkopfes her rührende Kraft und die in Öffnungsrichtung wir kende Kraft der Feder 12 die Kraft des Ausgleich servomotors A überwinden und die Ventilnadel in die gewünschte Stellung bewegen.
Durch diese öff- nungsbewegungen der Nadel wird der unter der Druckwirkung der Ausgleichsfeder 12 stehende und so nachfolgende Federteller 14 nach rechts gegen den Bund 170 der Kolbenstange 7 bewegt. Beim An schlag des Federtellers 14 am Bund<B>170</B> ist die Aus gleichsfeder 12 nahezu entspannt und hinsichtlich ihrer Öffnungstendenz nunmehr wirkungslos.
In die ser Anschlagsstellung des Federtellers 14 ist auch der Zwischenboden 15 gerade am anderen Federteller 13 zum Anschlag gekommen. -Die vom Betriebswasser beaufschlagte äussere Fläche F des Nadelkopfes ist jetzt so gross, dass der Ausgleichservomotor A allein nicht mehr zum Ausgleich genügt. Wenn die Ventil nadel noch weiter geöffnet wird, dann wird der Fe derteller 13 vom Zwischenboden 15 mitgenommen, die Ausgfeichsfeder 12 also in zunehmendem Masse zusammengedrückt.
Durch die zunehmend zusam mengedrückte Feder 12 erhält die Ventilnadel zu sätzlich zu der vom Ausgleichsstellmotor A ausge übten Schliesskraft eine weitere in Richtung Schhes- sen wirkende Kraft, welche umso mehr anwächst, je mehr die Feder unter der Wirkung des Wasserdruk- kes, der auf die äussere Nadelkopffläche einwirkt, zusammengedrückt wird. Dies bedeutet gleichsam eine Entlastung des Regel-Servomotors B, der daher entsprechend kleiner bemessen werden kann.
Die Ausgleichsfeder 12 wirkt also im ersten Teil des öff- nungshubes der Nadel auf Öffnen und im zweiten Teil des Öffnungshubes auf Schliessen.
Soll die Nadel. wieder geschlossen werden, dann erhält der Regelservomotor B durch die Leitung 16 Drucköl und die Nadel wird wieder in Schliessrich- tung gedrückt. Dabei wirkt zunächst die Ausgleichs feder 12 bis zum Anschlag des Federtellers 13 am Bund 70 der Kolbenstange 7 als zusätzliches Schliess- organ. Wird danach die Nadel weiter geschlossen, dann wird der Federteller 14 durch den Stirnflansch 20 des Nadelschaftes 4 mitgenommen, die Feder wie der zusammengedrückt un so eine Öffnungskraft erzeugt.
Die Ausführung nach Fig. 2 entspricht im we sentlichen der Ausführung nach Fig. 1. Es sind hier für die gleichen Teile des Nadelventils die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet worden. Der Unterschied der Ausführung besteht gegenüber Fig.1 darin, dass der Regelservomotor B doppeltwirkend ausgebildet ist.
Es bilden hier die beiden einander gegenüberliegenden Flächen des Kolbens 60 und des Zwischenbodens 15 zusammen mit dem von ihnen vorne und hinten umschlossenen Nadelhohlraum 210 einen zweiten Servomotorteil, der durch die Leitung 21 mit einem Druckmittel vorzugsweise mit Drucköl versorgt wird. Um das Hindurchtreten von Sicker wasser entlang derGleitflächen desKolbens 60 in den Hohlraum 210 zu verhindern, ist der Kolben 60 mit einer Nut 40 am Umfang versehen, wobei das sich in der Nut 40 ansammelnde Sickerwasser durch die Bohrungen 18, 18a, 18b abgezogen wird.
Für die Rückführung der durch die Ventilnadel ausgeführten Bewegungen ist hier die an sich be kannte, aus einem Konus und einer Verstellstange bestehende Rückführung 19' vorgesehen.
Gemäss der in Fig. 3 dargestellten Ausführung kann durch die hohle Regulier- und Abschlussnadel 1 der Austrittsquerschnitt 2 des Ventilgehäuses 3 ge steuert werden. Die Nadel 1 ist zusammen mit ihrem Schaft 4 in einer koaxial zum Ventilgehäuse 3, bei spielsweise mittels Streben befestigten Führungshülse 5 axial verschiebbar gelagert. Am rückwärtigen Ende der Führungshülse ist eine Kappe 50 angeordnet, die Durchtrittsöffnungen 28 für den Zutritt des Betriebs wassers zum Arbeitsraum 60 des Ausgleichservo- motors A aufweist.
Der vordere Hohlraum 15 der Ventilnadel 1 bil det den Arbeitsraum des Regelservomotors B, dessen Kolben 150 feststeht. Er ist mit seiner durch den übrigen Nadelhohlraum hindurchgeführten Kolben stange 7 an der Abschlusskappe 50 befestigt. Der Regelservomotor B ist hier doppeltwirkend ausge bildet. Das Betriebsöl wird von aussen her mittels der durch die Strebe 25 und durch die Kolbenstange 7 gebohrten Leitung 26, 27 den beiden Arbeitsräu men 15, 15' zugeführt.
Der hintere Arbeitsraum 15' des Regelservomotors ist durch einen am rückwär tigen Ende des Nadelschaftes befestigten, auf der Kolbenstange 7 gelagerten Deckel 600 abgeschlos sen. Dieser Deckel ist rückwärtig hülsenartig ver längert. Er ist an seinem Umfang in der Führungs hülse 5 und an seiner Innenfläche auf der Kolben stange 7 geführt.
Der Deckel 600 bildet den Kolben des durch die Öffnungen 28 mit dem Betriebswasser verbundenen Ausgleichservomotors A. Die durch den Durchmes ser des Arbeitsraums (Führungshülse) des Ausgleich servomotors A und den Durchmesser des diesen Ar beitsraum durchdringenden Kappenbundes 7a be stimmte wirksame Kolbenringfläche 600a ist so ge wählt,
dass der Ausgleichservomotor bei halber öff- nungsstellung der Ventilnadel der auf die äussere Nadelkopffläche f wirkenden hydraulischen Öffnungs- kraft ungefähr das Gleichgewicht hält. In dem Raum zwischen dem Deckel 600 und dem Kolben 150 ist als mechanische Entlastungsvorrichtung eine Feder 12 mit Federtellern 13, 14 untergebracht. Für den Federteller 13 bildet der Ansatz 70 an der Kolben stange und für den Federteller 14 die Büchse 700 den Endanschlag.
Für die Ableitung der in dem Raum 29 etwa aus dem Druckraum 15' des Regelservomotors B oder aus dem Druckraum 60 des Ausgleichservomotors A übertretenden Sickerflüssigkeit ist eine Leitung 180 angeordnet.
Zur Rückführung der durch die Ventilnadel ausgeführten Bewegungen ist in an sich bekannter Weise ein Rückführhebel 19 vorgesehen, der bei spielsweise mit seinem zylindrischen Ende in eine Ringnut 190 des Deckels 600 eingreift und so des sen Stellung abtastet und weitermeldet.
Das hier dargestellte Nadelventil arbeitet folgen- dermassen Zum Öffnen der Ventilnadel 1 wird durch die Leitung 26 die Steuerflüssigkeit dem hinteren Ar beitsraum 15' des Regelservomotors B zugeführt und dabei der vordere Arbeitsraum 15 des Regelservo- motors durch die Leitung 27 entleert. Die Druck kraft der Ausgleichsfeder 12, deren einer Federtel ler 13 am Ansatz 70 der Kolbenstange 7 anliegt und deren anderer Federteller 14 gegen den Deckel 600 drückt, erzeugt von der Schliesstellung der Nadel an bis etwa zur halben Öffnungsstellung eine zusätz liche Öffnungskraft.
Ist beim Öffnen der Ventilnadel der Federteller 14 am Anschlag 700 der Kolben stange aufgetroffen, dann ist die Feder 12 nahezu entspannt. In dieser Anschlagstellung des Federtel lers 14 ist auch der an der Nadel befestigte Zwi schenring 30 am anderen Federteller 13 aufgetroffen. Die vom Betriebswasser in dieser Stellung auf die vordere Fläche des Nadelkopfes ausgeübte Kraft ist dabei so gross, dass die Schliesskraft des Ausgleich servomotors zum Ausgleich allein genügt. Beim wei teren Öffnen der Ventilnadel über diese Mittelstel lung hinaus wird dann der Federteller 13 mitgenom men, die Ausgleichsfeder 12 also in zunehmendem Masse zusammengedrückt.
Dadurch erhält die Ven tilnadel zu der konstanten Schliesskraft des Aus gleichservomotors A von der Feder 12 her eine zu sätzliche, und zwar mit dem Öffnen der Nadel zu nehmende Schliesskraft, die der zunehmenden öff- nungskraft des immer mehr dem Betriebsdruckwas- ser ausgesetzten Nadelkopfes ausgleichend entgegen wirkt. Soll die Nadel wieder geschlossen werden, dann erhält der Arbeitsraum 15 des Regelservomotors B durch die Leitung 27 Drucköl, und die Nadel wird wieder in die Schliessrichtung bewegt. Dabei wirkt zunächst die Ausgleichsfeder 12 bis zum Anschlag des Federtellers 13 am Bund 70 der Kolbenstange als zusätzliches Schliessorgan.
Wird danach die Na del weiter geschlossen, dann wird der Federteller 14