Entlastetes Einsitzventil Die vorliegende Erfindung betrifft ein entlastetes Einsitzventil mit einem Hauptventilkörper und einem mit der Ventilspindel starr verbundenen Vorhubven- tilkörper, wobei der Boden des Hauptventilkörpers mit Öffnungen zum Durchtritt von Medium von der Strömungsseite her in eine Mischkammer und umge kehrt versehen ist.
Es sind Einsitzventile mit Entlastung durch Druck ausgleich bekannt, mit einem als Rohrschieber aus gebildeten Hauptverschlusstück und einem in einer Querwand des Hauptverschlussstückes angeordneten Sitz für ein mit der Ventilspindel fest verbundenes Vorhubventilverschlussstück und mit einer am über das Vorhubventil hinausragenden Spindelende fest angebrachten tellerförmigen Schirmwand, die mit dem Hauptverschlussstück einen Ringraum bildet,
welcher Ringraum zum Verhindern des Flatterns des Hauptverschlussstückes während der öffnungsbewe- gung durch Erzeugung eines Kraftschlusses zwischen Hauptverschlussstück und Schirmwand mittels Mediendruck mit dem Abströmraum des Ventils ver bunden ist.
Es gehört ferner zum Stande der Technik, in der Bodenfläche der Schirmwand eines entlasteten Ven tils Bohrungen zum Durchtritt des Mediums vorzuse hen, welche für den Ausgleich von Druckkräften über der Bodenfläche der Schirmwand sorgen.
Da aber bei diesen Ausführungen keine Stelle am Ventilkörper zu finden ist, der für alle Betriebszu stände ein eindeutig tiefster oder höchster Druckwert zugeordnet werden kann, so gestattet diese vorge schlagene Lösung nicht, über den ganzen Regulierbe reich das Rattern des Ventils zuverlässig zu verhin dern.
Es ist ein entlastetes Dampfturbinenventil be kannt, welches zum Druckausgleich eine Längsboh- rung und mindestens eine Querbohrung in der Ven tilspindel aufweist. Derartige Bohrungen bedingen äusserst schwere Ventilspindeln, da diese durch die erwähnten Bohrungen wesentlich geschwächt werden.
Eine weitere bekannte Lösung sieht zum Aus gleich einen speziellen Kolben vor; diese Lösung des Problems ist jedoch sehr kostspielig, so dass ihr der Eingang in die Praxis verwehrt blieb.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaf fung einer sicheren, über den ganzen Regelbereich wirkenden Verbindung zwischen dem Vorhubventil und dem Hauptventil eines entlasteten Einsitzventils.
Die erfinderische Massnahme besteht darin, dass die Öffnungen bezüglich Anordnung im Boden des Ventilkörpers und bezüglich Grösse derart ausgeführt sind, dass im Betrieb in jeder offenen Ventillage min destens annähernd das Produkt aus dem mittleren Druck des Mediums in der Mischkammer und der dem Entlastungsraum zugewandten Fläche des Entla stungskolbens gleich dem über die der Strömung zu gewandten Bodenfläche integrierten Produkt aus ört lichem Druck und zugehörendem Flächenelement der Bodenfläche ist, das Ganze derart, dass im ganzen Bereich des Strömungsbetriebes des Ventils bei stets optimaler Ventilentlastung die beiden Ventilkörper durch den Druck des Betriebsmediums gegeneinander gepresst werden.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegen standes wird anschliessend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch die Längsachse eines entlasteten Einsitzventils; Fig. 2 eine Ansicht von der Strömungsseite her auf den Hauptkegel des Ventils gemäss Fig. 1; Fig. 3 Druckverlaufkurven für verschiedene Ven- tilhübe in Abhängigkeit des Ortes des entlasteten Einsitzventiles gemäss den Fig. 1 und 2, für verschie dene Betriebszustände.
Das Gehäuse 1 eines entlasteten Einsitzventils gemäss den Fig. 1 und 2 trägt einen Ventilaufsatz 3, in welchem eine Ventilspindel 5 geführt ist. Sie ist mit einem Vorhubventilkörper 7 in einem Hauptke gel 9 starr verbunden.
Beim Schliessen des Ventils werden der Hauptkegel 9 und der Vorhubventilkör- per 7 durch die Ventilspindel 5 auf ihre Sitze 11 und 13 gepresst, und schliessen den Durchfluss von einem Zuströmraum 15 zu einem Abströmraum 17. Der Druck des Betriebsmittels im Hohlraum 19 unter stützt die schliessende Ventilkraft.
Beim Öffnen des Ventils wird zuerst der Vorhub- ventilkörper 7 angehoben, bis er an der ringförmigen Fläche 25 eines Entlastungskolbens 33 im, Hauptke gel 9 zum Aufsitzen kommt und nun den Hauptkegel mitnimmt. Dieser wird entlastet, sobald bei beginnen dem Vorhub der Vorhubventilkörper 7 die Verbin dung des Hohlraumes 19 zum Abströmraum 17 frei gibt.
Zum Vorhubventilkörper 7 gehört ein Einsatz 12, welcher im Hauptkegel 9 befestigt, während der Ven tilsitz zum Hauptkegel 9 als Einsatzdüse 10 mit einem Diffusorteil ausgebildet ist. Die Bodenfläche des Hauptkegels 9 ist mit Bohrungen 31 versehen. Die Einsatzdüse 10, in Form einer Lavaldüse, besitzt einen engsten Düsenquerschnitt 35.
Dieses entlastete Einsitzventil funktioniert wie folgt: Bei geöffnetem Vorhubventil 7 wird der Raum 19 des Hauptventils über die Bohrungen 21 mit der Mischkammer 29 verbunden.
Der in dieser Mischkammer 29 herrschende mitt lere Druck p. stellt einen Mittelwert des über die Ventilbodenfläche 14 integrierten Druckes p = F (R) dar; denn die Ausgleichsöffnungen 31 im Ventilbo den 16 sind derart angeordnet und dimensioniert, dass in jedem Betriebszustand die Beziehung
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mit RS als Sitzradius des Ventilkegels 9 mindestens annähernd gültig ist.
Durch Öffnungen oder Bohrungen 31 entsteht eine Ausgleichströmung in die und aus der Misch kammer 29 derart, dass sich in dieser ungefähr über all ein gleicher mittlerer Druck pE einstellt. Die sehr unterschiedlichen Druckfelder auf der Aussenfläche des Bodens 16 werden durch diese Bohrungen 31 über die Kammer 29 miteinander verbunden. Die Bohrungen 31 beeinflussen die Strömung durch das Ventil nicht merklich.
Wie auch während der verschiedenen Regulier- phasen und Betriebsbedingungen die Druckfelder auf dem Boden 16 verlaufen mögen: es wirkt stets eine der Kraft dieser Drücke entsprechende Schliesskraft auf den Entlastungskolben 33, da im Hohlraum 19 ebenfalls der Druckmittelwert pE herrscht.
Genaue Untersuchungen und durchgeführte Mes- sungen an einem entlasteten Einsitzventil gemäss den Fig. 1 und 2 haben gezeigt, dass in einem Einsitzven- til mit einem Diffusoreinsatz gemäss der Einsatzdüse 10 mit günstiger Strömungsführung eine Strömung wie in einer Lavaldüse mit dem dort bekannten Druckverlauf erzeugbar ist.
In Fig. 3 ist der Druck verlauf längs der äusseren Bodenfläche 14 des Hauptkegels 9 über den Radius R und längs der Achse des Diffusoreinsatzes 10 für verschiedene Ventilhübe und Gegendrücke aufgetragen.
In Fig. 3 sind drei mit a-a" a-a, und a-a, be zeichnete, mögliche Druckverläufe bei vollem Hub des Hauptkegels 9 dargestellt.
Im Diagramm bezeich nen: p" = Druck in der Kammer 15 der Zuströmseite paI, _ ss . p" :kritisches Druckverhältnis p";,p,b;:
Werte von Gegendrucken pc Bei ganz geöffneter Lage des Hauptkegels 9 be findet sich der engste Querschnitt im Strömungskanal an der Stelle des engsten Düsenquerschnittes 35, im sog. Diffusorhals. Bei genügend tiefem Gegendruck pG am Austritt der Diffursordüse 10 entsteht an die ser Stelle des Querschnittes 35 eine Strömung, welche Schallgeschwindigkeit aufweist. In ihr herrscht der kritische Druck ss . po.
Wenn der Gegendruck pG unter diesen kritischen Druck p"K fällt, so ändert die Druckverteilung am Hauptkegel 9 des Ventiles nicht, da, ungeachtet der Grösse dieses Gegendruckes p.,,x im engsten Düsen querschnitt 35 Schallgeschwindigkeit herrscht.
Sinkt der Gegendruck pG unter den kritischen Druck p.,i;, so entsteht an irgendeiner Stelle in der Diffusordüse 10, welche strömungsmässig nach dem engsten Düsenquerschnitt 35 liegt, ein Verdichtungs- stoss, wie dies die Kurvenverläufe a1, a2 und a3 bei spielsweise zeigen.
Bei kleineren Ventilhüben liegt dagegen die eng ste Stelle des Strömungskanals zwischen dem Haupt kegel 9 und der Einsatzdüse 10, beispielsweise am Hauptkegel 9 auf dem Radius R1.,.
Auch hier ergeben sich entsprechende Druckver- laufkurven b,<B>h -b" b</B> -b" b-b2, b-b" und<B>b</B> -b" wobei bei kritischem Gegendruck pbli gerade Schall geschwindigkeit an dieser engsten sich mit dem Öff nungshub verschiebenden Stelle herrscht. Bei sehr tiefem Gegendruck pG stellt sich im ganzen Diffusor eine Überschallströmung mit einem, der Linie b ent sprechenden Druckverlauf ein.
Steigt der Gegendruck pG dagegen an, dann wan dert ein Verdichtungsstoss in den Diffusor hinein.
Bei einem Druck PG = pbo gelangt dieser Ver- dichtungsstoss an die engste Stelle des Diffusorhalses. Solange der Gegendruck pe, kleiner ist als dieser kri tische Druck an der engsten Stelle Pb", hat der Ge gendruck pG keinen Einfluss auf die Druckverteilung am Ventilkegelboden des Hauptkegels 9.
Steigt dage gen der Gegendruck pG über den kritischen Wert Pb" dann läuft der Verdichtungsstoss über die Ven tilkontur mit zunehmendem Gegendruck allmählich gegen die engste Stelle bei R1. In diesem Bereich entstehen bei Änderungen des Hubes oder Gegen druckes beträchtliche Änderungen des Druckverlau- fes am Boden des Hauptkegels 9 und damit ergeben sich entsprechende Änderungen der nach oben am Ventil angreifenden Druckkräfte. Insbesondere kann man ohne die <RTI
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Aus diesem Grunde genügt es nicht, wie dies schon versucht wurde, Ausgleichsbohrungen in die Bodenfläche eines entlasteten Ventils zum Durchtritt des Mediums vorzusehen. Wenn diese Bohrungen nicht im erfindungsgemässen Sinne ausgeführt wer den, so lässt sich der der vorliegenden Erfindung zu grundeliegende Zweck nicht erfüllen.
Sofern aber die Bohrungen 31 derart ausgeführt werden, dass mindestens annähernd die Beziehung
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herrscht, so kann bei gleichzeitig optimaler Entla stung des Ventils erreicht werden, dass die Dampf kräfte auf den Hauptkegel 9 in allen Betriebszustän den des Ventils eine eindeutig nach unten gerichtete Kraft ergeben, womit der gewünschte Kraftschluss zwischen der Ventilspindel 5 und dem Hauptkegel 9 in allen Regulierphasen erreicht wird.
Dieser opti male Entlastungszustand, bei welchem angestrebt wird, stets eine positive geringe, möglichst gleichmäs- sige Schliesskraft zu erhalten, stellt sich selbst bei Überschallströmung und Druckstössen ein, sofern beim Ausführen der Bohrungen 31 im vorbeschrie- benen Sinne diesen Phänomenen Rechnung getragen wird.
Im Gegensatz dazu trägt eine bekannte Ausfüh rung eines entlasteten Einsitzventiles z. B. dem Auf treten von Druckstössen nicht Rechnung, welche z. B. in der Ventilbodenmitte auftreten und welchen keine Möglichkeit geboten wird, die diesem Druck- stoss entsprechende Schliesskraft durch Ausgleich zu erzeugen, wie das in jedem Falle die beschriebene Konstruktion sicherstellt. Kräftemessungen an einem derart beschaffenen Ventil haben ergeben, dass der Entlastungsdruck ge- mäss der vorerwähnten Beziehung tatsächlich ange nähert erreicht wird.
Für das bei den Versuchen ver wendete Ventil wurden die Bohrungen 31 auf kon zentrischen Kreisen angeordnet, wobei die Zahl der Bohrungen auf den einzelnen Kreisen dem Durch messer des betreffenden Lochkreises proportional gewählt wurde. Wichtig ist dabei, dass die äussersten Bohrungen möglichst nahe an den Dichtkreis heran kommen.
Anstelle eines entsprechend bearbeiteten Haupt kegels 9 wäre es natürlich auch möglich, einen ent sprechenden Siebboden aus regelmässig perforiertem Blech in einen Ventilkörper einzuschweissen.