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Drehschieber für die Hauptrohrleitung von hydraulischen Maschinen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drehschieber für die Hauptrohrleitung von hydraulischen Maschinen, insbesondere von Turbinen. Bei derartigen Drehschiebern ist es bekannt, den zwischen Drehschieber und Maschine liegenden Abschnitt der Hauptrohrleitung vor dem öffnen des Drehschiebers über eine, den Drehschieber umgehende, mittels Füllventil zu öffnende und abschliessbare Umgehungsleitung aufzufüllen.
Die vorliegende Erfindung setzt sich zur Aufgabe, einen derartigen Drehschieber weiter zu verbessern und besteht im wesentlichen darin, dass dem Füllventil in der Umgehungsleitung ein durch die Füllströmung betätigter Injektor vorgebaut ist, dessen Unterdruckraum mit dem unterhalb der an sich ibekannten ventiltellerartigen Ambschluss- platte des Drehschiebers von der Ventilführung derselben umschlossenen Raum in Verbindung steht.
Dadurch wird erreicht, dass der nach Offnen des Füllventils im Injektor erzeugte und unter das Schliessventil des Drehschiebers vermittelte Unterdruck dieses von seinem Ventilsitz abhebt und in abgehobener Lage hält, während nach Schliessen des Füllventils die in der Umgehungsleitung zufolge Wasserstosses entstehende Druckzunahme das Schliessventil des vorher in Schliessstellung gebrachten Drehschiebers auf den Ventilsitz presst.
Selbstverständlich ist die Anwendung der Erfindung sinngemäss auch im Pumpenbetrieb möglich.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Drehschiebers schema- tisch dargestellt. Fig. l zeigt hiebei ein Schema der Gesamtanlage während in Fig. 2 ein Detail dargestellt ist.
In der Zeichnung ist ein Kugelschieber dargestellt, um den Vergleich mit den bekannten Einrichtungen zu erleichtern, welche gleichfalls Kugelschieber verwenden. Die'vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung von Kugelschiebern beschränkt.
In bezug auf seinen Aufbau stellt dieser Kugelschieber eine den üblichen Ausführungen in grossen Zügen ähnlich konstruierte Ventilvorrichtung dar, deren bekannte Hauptteile das in die Hauptleitung 1-2 eingebaute kugelförmige Ventilgehäuse 3, die in dieses in diametraler Richtung hineinragende und in demselben in dichtender Weise gelagerte Antriebswelle 4, der am Ende der letzteren befestigte Ventilträger 5, der mit dem Ventilträger in der Verlängerungsrichtung der Antriebswelle starr verbundene und gleichfalls im Ventilgehäuse gelagerte hohle Drehzapfen 6 und schliesslich die in der Ventilführung 7 des Ventilträgers geführte ventiltellerartige Abschlussplatte 8 sind.
Der Ventilsitz 9 der Ab- schlussplatte Ist an der inneren Seite des Kugelgehäuseringes um die Mündung des hier angeschlossenen Hauptrohrabschnittes 2 ausgebildet : der von der Abschlussplatte 18 und dem Ventilträger 5 mittels der Ventilführung 7 umschlossene Raumteil steht über den Kanal 10 mit dem Hohlraum des Drehzapfens 6 in Verbindung, um mit Hilfe des in diesem Hohlraum aufrecht gehaltenen Wasserdruckes die Abschlussplatte 8 auf den Ventilsitz 9 zu pressen bzw. vom letzteren abheben zu können. Der Ventilträger 5 kann eine im Inneren des Kugelgehäuses 3 in konzentrischer Lage gehaltene Kugel, zweckmässiger aber ein zy- Hndrisches Hülsenstück sein, von welchem in Fig.
1, in der Sperrlage des Ventils 8, nur der kreisförmige Hülsenquerschnitt ersichtlich ist. Der freie innere Durchmesser der Hülse soll angenähert dem. inneren Durchmesser der Rohrleitung 1-2 die Länge derselben hingegen angenähert dem Abstand der Ein-und Austrittsöffnungen des Kugelgehäuses gleich gewählt werden, wodurch erreicht wird, dass der Kugelschieber, in seinem geöffneten Zustand in bezug auf die dargestellte Lage nach einer Verdrehung um 900, mit den Endöffnungen der Hülse 5 genau vor cie öffnun- gen des (Kugelgehäuses einschwenken und somit der Durchströmung des Wassers einen vollkommen freien Weg öffnen kann.
Diese rechtwinklige Verdrehung des Schlussventils bzw. des Ventilträgers wird mittels der Antriebswelle 4, beispielweise durch Betätigung der im wesentlichen nachstehend beschriebenen, von einem Servomo-,
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tor angetriebenen Antriebsvorrichtung hervorge- bracht.
Die Erfindung unterscheidet sich nun von den bekannten Vorrichtungen grundsätzlich dadurch, wie und in welchen ! ! Masse der : im Rohrabschnitt
1 zur Verfügung stehende Wasserdruck unterhalb der Abschlussplatte wirksam gemacht wird. In den bekannten Vorrichtungen sind zu diesem Zweck zwei besondere, durch das Steuerorgan des Servomotors in entsprechenden Zeitpunkten betätigte Ventile vorgesehen, von welchen das sogenannte Füllventil in eine, den zwischen dem Kugelgehäuse und dem Ventilträger freigelassenen Raum mit dem Rohrabschnitt 2 verbindende Leitungsröhre, das sogenannte Entlastungsventil hingegen in eine, den unterhalb der Abschlussplatte 8 befindlichen Raum über den hohlen Drehzapfen mit demselben Rohrschnitt 2 verbindende weitere Leitungsröhre eingebaut ist.
In diesem Falle gelangt die Abschlussplatte 8, in ihrer vor dem öffnen des Kugelschiebers noch geschlossenen Stellung, einerseits über die Leitungsröhre des bereits geöffneten Füllventil von der Seite des Rohrabschnittes 1, anderseits über die Leitungsröhre des gleichfalls geöffneten Entlastungs- ventils und über den hohlen Drehzapfen von der Gegenseite, d. h. von beiden Seiten unter Was- serdruck. Zufolge der Gleichheit. dieser Wasserdrücke wird aber nur die auf die Abschlussplatte wirkende Belastung ausgeglichen, es bleibt jedoch
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platte vom Ventilsitz 9 in bestimmter Weise abheben könnte.
Es ist daher anzunehmen, dass das
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die unbestimmte zurückschiebendedes durch die. allmählich zunehmende Kugelschie- beröffnung hin durchströmen den Wassers sich gel- tend machen kann) nur bei zwischen Abschluss- platte und Ventilsitz entstehender Reibung statt- finden kann. Es schliesst aber auch der Kugel- schieber nicht einwandfrei, da die in die Schliess- stellung aus dem erwähnten Grunde (wegen vor- angehender Zurückschiebung) gegebenenfalls mit
Spalt einschwenkende Abschlussplatte 8 während der Nachsickerung nur verhältnismässig langsam, mit unsicherer Dichtungswirkung auf den Ventil-
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ten der Schliessorgane könnte nur, dann vermieden werden,
wenn das Entlastungsventil in eine den Rohrabschnitt J ? mit dem Hohlraum des Drehzapfens verbindende Röhre eingebaut wäre, da demzufolge der im Rohrabschnitt 1 beständig wirkende Druck nach öffnen des Entlastungsven- tils unmittelbar, ohne Drosselung unter die Abschlussplatte 8 gelangen könnte. In diesem Falle würde aber beim öffnen des Kugelschiebers der auf die von Rohrabschnitt 2 abgekehrte Seite der Abschlussplatte ausgeübte Wasserdruck überwiegen und das öffnen unter Reibung und Verschleiss noch mehr erschweren.
Alle diese Nachteile und Unsicherheiten der
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Füllventils 11 verschliessbare Umgehungsleitung
12, 13 vor das Füllventil ein Injektor eingebaut wird, dessen die Injektordüse 14 umgebender Un- terdruckraum 15 über die Bohrung des Drehzap- fens 6 und den Kanal 10 mit dem unterhalb der Abschlussplatte 3 liegenden, also geschlossenen Raumteil des Kugelschiebers in Verbindung steht.
Demzufolge wird der Unterdruck des Injektors, welchen die in der Umgehungsleitung 12, 13 zwecks Auffüllung des Rohrabschnittes 2 sofort nach Öffnen des Füllventils, jedoch noch in geschlossener Stellung des Kugelschiebers, hervorgebrachte Wasserströmung im Raumteil 15 erzeugt und von hier längs des freien Anschlusses 6, 10 unter die Abchlussplatte 8 vermittelt, die letztere gegen den Mittelpunkt des Kugelschiebers herabziehen und somit zwischen Abschlussplatte und Ventilsitz noch in unveränderter Stellung des Ven- tilträgers 5 einen ringförmigen Spalt öffnen. Hiedurch wird bei Beschleunigung der Auffüllung des
Rohrabschnittes 2 die hierauffolgende öffnende
Verdrehung des Kugelschiebers um 900 ungehin- dert ermöglicht.
Da zum Schliessen des Füllventils 11 auch nach vollständigem öffnen des Kugel- schiebers keine Notwendigkeit vorliegt, kann die
Strömung der die Turbine antreibenden Wassermenge ausserhalb des unmittelbaren Strömungswe- ges 1, 5, 2 In der. Form eines parallel abgezweigten Strömungsabschnittes, auch in der Umge- hungsleitung 12, 13 weiter aufrecht gehalten werden, so dass die Abschlussplatte 8 infolge des durch. den Injektor 14,15 hervorgerufenen Unterdruckes, auch weiterhin in herabgezogener Lage bleibt.
Hieraus folgt, dass die Abschlussplatte wegen ihrer unveränderten relativen Lage auch die zum Schliessen erforderliche Zuruckschwenkung ungehindert ausführen kann, sogar gegenüber dem Ventilsitz vorläufig noch einen Spalt freilässt, dessen Breite der herabgezogenen Lage der Abschluss- platte enfpricht. Das vollständige Schliessen des Kugelschiebers wird durch Schliessen des Füllen- tils 11 herbeigeführt, in welchem Zeitpunkt die plötzliche Abstellung der Bewegung der in da Umgehungsleitung j ! 2, j ! 3 bisher in Strömung gehaltenen Wassermenge im Leitungsabschnitt 12 einen Wasserstoss verursacht.
Dieser Wasserstoss erzeugt im Unterdruckraum 15 des Injektors eine über den Anschluss 6, 10 unter die Abschlussplatte 8 übertragene Druckzunahme, welche die Abschluss platte schliesslich kräftig auf den Ventilsitz 9 presst. Das Verharren der Abschlussplatte durch Überdruck in der so erhaltenen Sperrlage wird durch den im Rohrabschnitt 1 herrschenden und über den Weg 13, 15, 14, 6, 10 auf die Abschlussplatte lastenden vollen Wasserdruck gesichert, da an der äusseren Seite der Abschlussplatte (d. h. im Rohrabschnitt 2) wegen des Abfliessen der Wassers praktisch jeder Gegendruck aufhört.
Es ist klar, dass die Betätigung des Injektors das vollkommen ungehinderte und reibungsfreie Off-
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nen der Abschlussplatte und das gleichfalls ungehinderte, unter Überdruck erfolgende genaue Schliessen derselben auf Kosten einer geringen baulichen Ergänzung, d. h. auf Kosten der Anwendung der in die für das Füllventil ohnehin erforderliche Umgehungsleitung 12, 13 eingebauten Injektordüse 14 ermöglicht. Hiebei tritt der wesentliche bauliche Gewinn auf, dass in erster Linie das obenerwähnte Entlastungsventil der bekannten Vorrichtungen und das von der Steuer- vorrichtung des Servomotors'betätigte Antriebsorgan desselben samt den das Treibmittel (Druck- öl) zu-und abführenden zugehörigen Röhrensy- stemen erspart werden können.
Ein sehr wesentlicher weiterer Vorteil der neuen Vorrichtung be- steht darin, dass es nicht nötig ist, die Schliessflächen der Abschlussplatte und des Ventilsitzes als Kugelringflächen auszubilden, welche im Falle der erwünschten Schliessgenauigkeit nur mit verhältnismässig schwieriger und kostspieliger Bearbeitung hergestellt werden können.
Es können nämlich wegen der in hinreichendem Masse und in bestimmter Weise ermöglichten Zuruckziehbarkeit der Abschlussplatte 8 diese Schliessflächen auch konisch oder mit gestufter Profillinie, im allgemeinen mit vom Kreisbogen gemäss gewissen Zweckmässigkeitsrucksichten abweichenden Profil-
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dung der Schliessflächen bietet auch noch den zusätzlichen Vorteil, dass der Kugelschieber in seinem geschlossenen Zustand gleichzeitig auch blokkiert ist, da die derartig geformten Schliessflächen der Abschlussplatte 8 aus dem Ventilsitz, im Gegensatz zu Kugelringflächen, erst nur dann herausgedreht werden können, wenn die Abschluss- platte bereits zurückgezogen wurde,
was einer bi- cherung des drehbaren Teiles des Kugelschiebers gegen unbeabsichtigte Verdrehung gleichkommt.
Hiedurch hört aber der ausschliessliche Kugelschie- I bercharakter des Erfindungsgegenstandes auf, da man natürlich auch in bezug auf das Ventilgehäu- 'e 3 nicht ohne Abweichungsmöglichkeit an die
Kugelform gebunden ist. Unter dem Erfindungs- gegenstand soll deshalb nicht unbedingt ein aus- gesprochener Kugelschieber, sondern in Überein- stimmung mit der eingangs gegebenen Definition ein kugelschieberartig arbeitender Drehschieber verstanden werden.
Die Betätigungsvorrichtung des Drehschiebers gemäss der Erfindung ist den Betätigungsvorrichtungen der bekannten Kugelschieber nur in gro-
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der linken Seite des Drehschiebers ersichtliche Ausführungsbeispiel der Betätigungsvorrichtung ist wie bei den bekannten Ausführungen mit einem Servomotor und mit einem Steuerventil E versehen, welches in den in Fig. 1 und 2 dargestellten, zum öffnen bzw. zum Schliessen des Drehschiebers gehörigen, sowie in andern nicht dar- gestellten Einstellungen die Zu-und Abfuhr des flüssigenTreibmittels (zweckmässigDrucköls) steuert.
Von diesem Steuerventil und vom Servomotor A (Al, As) abgesehen, weist die Betätigungsvorrichtung gemäss Fig. 1 als weitere Hauptteile den das Füllventil 11 mit Hilfe der Stange 38 öffnenden und schliessenden Hilfsservomotor B, das, hydraulische Riegelorgan C und das mechanische Riegelorgan D auf.
Der Servomotor A besitzt zum Schliessen und öffnen des Drehschiebers je einen besonderen Motorzylinder Al bzw. At, deren Kol'ben 18, bzw. 19 mit einer als Zahnstange ausgebildeten gemeinsamen Kolbenstange 17 starr verbunden sind. Von dieser Zahnstange erfolgt die Drehung der Antriebswelle 4, einerlei, ob, der Hubrichtung 45 oder 46 entsprechend, das öffnen bzw. das Schlie- ssen des Drehschiebers auszuführen ist, mit Hilfe des entsprechend geschwenkten Zahnsegmenten 16.
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Atsie auch auf denselben Wegen, wozu diese Zylinder mittels der Kolben 43, 44 des Steuerventils E wahlweise auf die Druckröhre 25 bzw. (gege- benenfalls durch Vermittlung des Rohrenabschnit- tes 27) auf die Auslassrohre 26 geschaltet werden.
Das öffnen des Drehschiebers wird durch Offnen des Füllventils 11 bzw. dadurch in Gang gesetzt, dass der Kolben 37. des Hilfsservomotors B infolge des auf ihn in der in Fig. 1 ersichtLichen Einstellung des Steuerventils E über die Röhren 23, 24 entgegen der Druckfeder 36 ausgeübten Oldruckes, gemäss der Zeichnung nach links verschaben wird. Die hierauffolgende Auffüllung des Rohrabschnittes 2 über die Umgehungsleitung 12 mit unter Volldruck stehendem Wasser bewirkt, dass der Wasserdruck, welcher sich aus diesem Rohrabschnitt 2 über die Verbindungsröhre 41 nunmehr auch unter den Kolben 39 des hydraulischen regelorgans C fortpflanzen kann, den Kol- ben.
J9 samt dem auf'der Kolbenstange des letzteren sitzenden Riegelschieber 42 entgegen der die Kolbengegenseite belastenden Feder 40 gemäss der Zeichnung nach links zurückschiebt.'Demzufolge lässt der die Strömung zwischen den Röhren 21, 22 bis dahin absperrende Regelschieber 42, durch
Aneinanderschalten dieser Röhren, Drucköl in den
Druckraum des öffnenden Zylinders des Ser- vomotors ein. Unter dem Druck des Drucköles verschiebt sich das Kolbenpaar 18, 19 in der öff- nungsrichtung 45. Die Antriebswelle 4 wird 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 Umgehungsleitung 12 sofort nach öffnen des Füllventlls 11 auftretende Wasserströmung den Injektor 14, 15 in Betrieb gesetzt hat, worauf der durch den letzteren erzeugte Unterdruck die Abschlussplatte 8 vom Ventilsitz 9 noch vor der Linksverschiebung des Riegelschiebers 42 zurückzieht.
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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 Richtigkeit der Betätigung verbürgt. Aus derselben Absicht gelangen die Kolben des Hilfsservomotors B und des hydraulischen Riegelorgans C in ihren linksseitigen Endstellungen (und hiemit auch das Füllventil 11 und der R..
i, egelschieber 42 in ihren geöffneten Stellungen) dadurch in blokkierten Zustand, dass die Hubnase 28 der sich in der öffnungsrichtung 45 verschiebenden verzahnten Kolbenstange 17, die an der Hubnas, e mit Arm 29 angehaltene Riegelstange 31 des mechanischen Riegelorganes D in der Richtung 45 so lange verschieben lässt, bis die an der Riegelstange 31 aufgekeilten Riegelfinger 32, 34 in die Riegelansätze 33, 35 der Kolben 37 bzw. 39 eingreifen.
Beim Schliessen soll das Steuerventil E in die in flg. 2 ersichtliche Stellung gebracht werden, worauf der über den eingestellten Strömungsweg 25, 20 auf den Kolben 18 des schliessenden Servomotorzylinders Al wirkende Öldruck den Drehschieber während des in der Richtung 46 ausge- führten Kolbenhubes auch diesmal ungehindert verdrehen kann, bis die Schliessstellung erreicht wird, da der Injektor die Abschlussplatte 8 noch in zurückgezogener Lage hält.
Gleichzeitig kann das Öl aus dem öffnenden Zylinder A2 frei ausfliessen, da die Riegelung des Riegelschiebers 42 nur am Ende des Kolbenhubes, also erst dann ausgelöst wir. d, wenn die Hubnase 28 der Kolbenstange 17 die auf die Riegelstange 31 gekeilten Rjiegelfinger 32, 34 aus den in den Riegelansätzen 33, 35 vorgesehenen Riege1sitzen heraushebt. Hierauf wird unter dem Druck der Feder 36 zuerst das Füllventil geschlossen und das im Zylinder des ihilfsservomotors B befindliche 01 kann hie-
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indessen Wirkung die Abschlussplatte einwandfrei geschlossen wird.
Von hier angefangen wird der Wasserdruck im Rohrabschnitt 2 während Entleerung desselben dermassen abnehmen, dass das Wasser unter dem Gegendruck der Feder 40 auch aus dem Zylinder des hydraulischen Riegelorgans C ausfliessen kann, da die mechanische Riegelung desselben bei 34, 35 bereits ausgelöst ist, wobei zugleich auch der Riegelschieber 42 in seine frühere Schliessstellung zurückkehrt, in welcher bis zur entsprechenden nächsten Einstellung des Steuerventils keine Möglichkeit mehr gegeben ist, den öffnenden Servomotorzylinder unabsichtlich unter Druck zu stellen.
Wie aus dieser Erörterung der Wirkungsweise hervorgeht, verrichtet das beschriebene Ausführungsbeispiel der Betätigungsvorrichtung alle seine Funktionen mit Ausnahme der Betätigung des Steuerventils vollkommen automatisch und derart, dass dasselbe gegen Betätigungsfehler mit mehrfacher Blockierung gesichert ist. Ferner sind
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Hinsicht verlässlicher erweist. Eine sehr beachtenswerte derartige Vereinfachung konnte z.
B. durch die Anwendung des mechanischen Riegelorganes D erzielt werden, dessen Funktionen in den bekannten Betätigungsvorrichtungen durch eine hauptsächlich hydraulisch betätigte (ölgesteuerte) Hilfseinrichtung, von andern Umständen abgesehen, nur auf Kosten der Anwendung eines wegen der zusätzlichen ölsteuerung erforderlichen weiteren Steuerventiles und des zugehörigen Rohrsystem erfüllt werden können. Trotz diesen Vorteilen Ist es aber möglich, In der Betätigungsvorrichtung die mechansiche Riegelung auf Wunsch auch durch eine Riegelung von anderer (z. B. hydraulischer) Natur zu ersetzen, soweit diese letztere den sich aus der Anwendung des Injektors ergebenden funktionalen Eigentümlichkeiten entsprechend ausgearbeitet ist.
Hauptsächlich zwecks Fernsteuerung kann schliesslich das Steuerventil auf mittelbare mechanische, pneumatische oder
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draulischen Vorsteuerung versehen werden.
In Zusammenhang mit der Betätigungsvorrichtung sei noch erwähnt, dass in Irgend einer Öllei- tung des Servomotors A, Al, A2, zweckmässig in der Röhre 23, z. B. an der Stelle 47, eine konstan-
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gen des Drehschiebers hauptsächlich während des Schliessens zu verlangsamen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Orehschieber für die Hauptrohrleitung von hydraulischen Maschinen, insbesondere Turbinen, bei welchem der zwischen Drehschieber und Maschine liegende Abschnitt der Hauptrohrleitung vor dem öffnen des Drehschiebers über eine, den letzteren umgehende, mittels Füllventil zu öffnende und. abschliessbare Umgehungsleitung aufge- füllt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Füllventil rill) in der Umgehungsleitung (12) ein durch die Füllströmung betätigter Injektor ('j ! vorgebaut ist, dessen Unterdruckraum (15) mit dem unterhalb der an sich bekannten ventiltellerartigen Abschlussplatte (8) des Drehschiebers von der Führung derselben umschlossenen Raum (7) in Verbindung steht.