DE102019108090B4

DE102019108090B4 - Ventileinrichtung

Info

Publication number: DE102019108090B4
Application number: DE102019108090.8A
Authority: DE
Inventors: Olaf Tebbenhoff; Viktor Schäfer; Andreas Hellmann; Carsten Püttbach
Original assignee: Welland and Tuxhorn AG
Current assignee: Welland and Tuxhorn AG
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2023-08-17
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: DE102019108090A1; WO2020193702A1

Abstract

Ventileinrichtung (1), umfassend- ein sich entlang einer Mittelachse (2) erstreckendes Gehäuse (3),- einen Eintrittsstutzen (4) zur Einleitung eines Fluidstroms (5) in das Gehäuse (3),- einen beweglichen Kolben (6) sowie einen dem Kolben (6) zugeordneter Dichtsitz (7),- ein in dem Gehäuse (3) angeordnetes, rotationssymmetrisches Strömungselement (8) zur Behandlung des Fluidstroms (5), sowie- eine Einspritzeinrichtung (9) zur Einspritzung eines Kühlfluids, wobei mittels des Kolbens (6) in Zusammenwirkung mit dem Dichtsitz (7) der Fluidstrom (5) regulierbar ist,wobei das Strömungselement (8) eine Mehrzahl von Strömungskanälen (10) aufweist, durch die hindurch zumindest ein Teil des Fluidstroms (5) leitbar, im Zuge dessen beschleunigbar und auf diese Weise lokal in Zerstäubungsströme (12) überführbar ist,wobei das Strömungselement (8) derart relativ zu der Einspritzeinrichtung (9) angeordnet ist, dass das Kühlfluid in die Zerstäubungsströme (12) einspritzbar ist,wobei das Strömungselement (8) einen in einen Strömungsbereich des Fluidstroms (5) ragenden, umlaufenden Zuleitabschnitt (13) aufweist, mittels dessen ein Teil des Fluidstroms (5) fangbar und dem Zuleitabschnitt (13) zugeordneten Strömungskanälen (10) zuleitbar ist,wobei eine Innenwandung (14) des Gehäuses (3) einen dem Zuleitabschnitt (13) zugeordneten, sich radial in Richtung der Mittelachse (2) erstreckenden, umlaufenden Ringvorsprung (15) aufweist,dadurch gekennzeichnet, dassmittels des Ringvorsprungs (15) zumindest ein Teil des Fluidstroms (5) in Richtung des Zuleitabschnitts (13) des Strömungselements (8) lenkbar ist.

Description

Einleitung
Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Ventileinrichtung, insbesondere in Form eines Regelventils für Kraftwerke, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Ventileinrichtung umfasst ein Gehäuse, in dem die übrigen Bestandteile der Ventileinrichtung angeordnet sind. Das Gehäuse erstreckt sich entlang einer Mittelachse und ist - abgesehen von Anschlussleitungen und dergleichen - typischerweise zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch bezogen auf die Mittelachse ausgebildet. Die Ventileinrichtung umfasst einen beweglichen Kolben, der dazu geeignet ist, dichtend mit einem zugeordneten Dichtsitz zusammenzuwirken. Insbesondere kann der Kolben zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung überführbar sein, wobei eine Durchströmung der Ventileinrichtung bei Vorliegen des Kolbens in dessen Schließstellung verhindert ist und bei Vorliegen des Kolbens in seiner Offenstellung ein von dem Dichtsitz begrenzter Strömungsquerschnitt freigegeben ist, sodass ein Fluidstrom durch die Ventileinrichtung hindurch leitbar ist. Vorzugsweise ist der Kolben in beliebig vielen Zwischenpositionen relativ zu dem Dichtsitz arretierbar, wodurch ein Betrag des Fluidstroms regelbar ist.
Innerhalb des Gehäuses ist eine Einspritzeinrichtung angeordnet, mittels der ein Kühlfluid in den Fluidstrom einspritzbar ist. Weiterhin umfasst die Ventileinrichtung ein Strömungselement, das eine Mehrzahl von Strömungskanälen umfasst. Das Strömungselement ist vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet und in aller Regel mit seiner Symmetrieachse deckungsgleich zu der Mittelachse des Gehäuses ausgerichtet. Die Strömungskanäle sind vorzugsweise umlaufend verteilt an dem Strömungselement angeordnet. An den Strömungskanälen wird der Fluidstrom lokal eingeschnürt, dabei beschleunigt und durch die Strömungskanäle weitergeleitet. Hierbei wird zumindest ein Teil des Fluidstroms beschleunigt und auf diese Weise in eine der Anzahl der Strömungskanäle entsprechende Anzahl von Zerstäubungsströmen überführt, wobei die Strömungsgeschwindigkeit erhöht wird. Das Strömungselement ist dabei derart relativ zu der Einspritzeinrichtung angeordnet, dass die Einspritzung des Kühlfluids in die Zerstäubungsströme erfolgt. Hierdurch wird eine Zerstäubung des Kühlfluids, das typischerweise von Wasser gebildet ist, erzielt.
Stand der Technik
Ventileinrichtungen der eingangs beschriebenen Art sind im Stand der Technik bereits bekannt. Sie werden insbesondere in Kraftwerken als sog. Bypassventile verwendet, um einen Fluidstrom, der typischerweise von einem unter Druck stehenden, heißen Dampfstrom gebildet ist, an einer Turbine des Kraftwerks vorbeizuführen. Die Einspritzung des Kühlfluids dient dazu, die thermische Energie des Fluidstroms abzubauen, das heißt insbesondere seine Temperatur zu senken. Die Temperatur des Fluidstroms bewegt sich typischerweise in einem Bereich zwischen 400°C und 650°C bei einem Druck von über 50 bar, typischerweise von über 100 bar.
In der Praxis hat sich das Problem ergeben, dass der Fluidstrom mit kleinen Partikeln beladen sein kann. Dies kann beispielsweise infolge von Korrosionsprozessen in Rohrleitungen des Kraftwerks der Fall sein. Infolge der Korrosion lösen sich einzelne Partikel von den Rohrleitungen ab und werden sodann in dem Fluidstrom mit- und schließlich in die Ventileinrichtung eingetragen. In der Ventileinrichtung wirken derartige Partikel hoch abrasiv, sodass die Ventileinrichtungen vergleichsweise schnell zerstört werden.
Daraus ergibt sich, dass zwecks Erhöhung der Standzeit einer jeweiligen Ventileinrichtung im Allgemeinen eine Konstruktion hervorgebracht werden muss, die robuster ist als die bisherigen Ventileinrichtungen. Die Forderung nach einer größeren Robustheit führte zu der Überlegung, die Verwendung relativ zueinander beweglicher Teile zu reduzieren. Bei Ventileinrichtungen des Standes der Technik ist es üblich, eine Regulierung des Fluidstroms mittels einer bestimmten Ausgestaltung des Kolbens zu bewerkstelligen, der in verschiedenen Stellungen relativ zu dem Dichtsitz positionierbar ist. Hierbei wird je nach Stellung des Kolbens bezogen auf den Dichtsitz eine unterschiedliche Querschnittsfläche, die dem Fluidstrom insgesamt zum Passieren des Dichtsitzes zur Verfügung steht, freigegeben. Die Bewegung des Kolbens dient mithin zu Regulierung des Betrages des Fluidstroms durch die Ventileinrichtung. Diese bekannte Lösung hat sich angesichts des hohen abrasiven Verschleißes als ungeeignet erwiesen, da der Kolben, der insbesondere mit einem perforierten Zylinder ausgestattet ist, den abrasiven Beanspruchungen in Versuchen nicht standzuhalten vermochte.
Mit einem Wegfall der beschriebenen Regulierungsmöglichkeit, auf die sodann verzichtet wurde, hatte es sich als problematisch herausgestellt, für unterschiedliche Beträge des Fluidstroms eine zufriedenstellende Zerstäubung des eingespritzten Kühlfluids bereitzustellen. Mittels der Regulierungsmöglichkeit im Stand der Technik konnte Strömungskanälen, die zur Erzeugung entsprechender Zerstäubungsströme verantwortlich sind, gezielt ein Zerstäubungsstromanteil zugewiesen werden, sodass das Problem nicht in derselben Weise auftrat.
Das US Patent 6 715 505 B2 offenbart ein Dampfdruckreduzier- und - konditionierventil mit einer ersten Öffnung zum Einströmen von überhitztem Dampf, einem Körper mit einem zylindrischen Diffusor mit einem Boden, in dem kleine Löcher an der Seite verstreut sind, und einer zweiten Öffnung zum Abgeben von drucklosem Dampf durch den Diffusor und zum Zuführen von Feuchtigkeit von einer oder mehreren Düsen zu dem drucklosen Dampf, wobei ein Vorsprung nach innen in einen Dampfabgabeweg des Körpers zwischen Dampf durch den Diffusor und Zuführung von Feuchtigkeit aus einer oder mehreren Düsen zu dem drucklosen Dampf, wobei ein Vorsprung in einem Dampfaustrittspfad des Körpers zwischen dem Diffusor und dem Feuchtigkeitszuführabschnitt nach innen ragt und so strukturiert ist, dass der aus dem kleinen Loch austretende drucklose Dampf aus dem kleinen Loch austretende Dampf durch diesen Vorsprung in dem Körper konzentriert wird, in das Innere des Vorsprungs geleitet wird, wodurch die Geschwindigkeit des Dampfes erhöht wird, und dann durch Zufuhr von unterkühltem Wasser in den Dampf entspannt wird.
Weiterhin wird auf die Druckschriften US 8 978 706 B2 und WO 97/ 03 313 A1 verwiesen, die jeweils gattungsgemäße Ventileinrichtungen offenbaren.
Aufgabe
Daher ergab sich die Aufgabe, eine robuste Ventileinrichtung bereitzustellen, mittels der für stark unterschiedliche Beträge des Fluidstroms eine zuverlässige Zerstäubung des Kühlfluids möglich ist.
Lösung
Die zugrunde liegende Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer Ventileinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 14.
Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement einen in einen Strömungsbereich des Fluidstroms ragenden, umlaufenden Zuleitabschnitt aufweist, mittels dessen ein Teil des Fluidstroms fangbar und gezielt dem Zuleitabschnitt zugeordneten Strömungskanälen zuleitbar ist. Zudem weist eine Innenwandung des Gehäuses einen dem Zuleitabschnitt zugeordneten, sich radial in Richtung der Mittelachse erstreckenden, umlaufenden Ringvorsprung auf, mittels dessen zumindest ein Teil des Fluidstroms von der Innenwandung des Gehäuses weg in Richtung des Zuleitabschnitts des Strömungselements lenkbar ist.
Mit anderen Worten sieht die Erfindung vor, dass der Fluidstrom gezielt einem Zuleitabschnitt des Strömungselements zugeleitet wird, der über eine Mehrzahl von Strömungskanälen verfügt. Diese Strömungskanäle dienen dazu, den jeweiligen Anteil des Fluidstroms („Zerstäubungsstromanteil“), der dem Zuleitabschnitt zugeleitet wird, zu beschleunigen und in die Zerstäubungsströme zu überführen. Mittels der erfindungsgemäßen Abstimmung der Geometrie des Zuleitabschnitts auf die Ausbildung des Ringvorsprungs der Innenwandung des Gehäuses ist nunmehr die Möglichkeit geschaffen, den Fluidstrom zu einem zuverlässig hohen Anteil den Strömungskanälen des Zuleitabschnitts zuzuleiten, sodass der mittels des Zuleitabschnitts verarbeitete Zerstäubungsstromanteil des Fluidstroms nennenswert beschleunigt wird. Die Abstimmung der Geometrien von Innenwandung des Gehäuses und Zuleitabschnitt des Strömungselements bewirken zudem, dass dem Zuleitabschnitt selbst dann ein ausreichender großer Zerstäubungsstromanteil zugeleitet wird, wenn der Betrag des Fluidstroms insgesamt, der die Ventileinrichtung durchströmt, vergleichsweise gering ist. Somit hat es sich in Versuchen gezeigt, dass der Zerstäubungsstromanteil, der durch die Strömungskanäle des Zuleitabschnitts geleitet wird, unabhängig von dem Betrag des gesamten Fluidstroms oberhalb von 20 % des Fluidstroms gehalten werden kann. Vorteilhafterweise ist der Zerstäubungsstromanteil bei einem verhältnismäßig niedrigen Betrag des Fluidstroms größer als bei einem größeren Betrag des Fluidstroms. Idealerweise ist ein absoluter Massenstrom des Zerstäubungsstromanteils unabhängig von dem Betrag des gesamten Fluidstroms zumindest im Wesentlichen konstant. Hierdurch ist sichergestellt, dass der Fluidstrom mittels der Strömungskanäle des Zuleitabschnitts in jedem Fall ausreichend stark beschleunigt wird und mithin die gewünschte Zerstäubungswirkung für das eingespritzt Kühlfluid bereitstellt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung ist der Ringvorsprung - in Strömungsrichtung des Fluidstroms betrachtet - gekrümmt bzw. „geschwungen“ ausgebildet. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Fluidstrom, der entlang der Innenwandung des Gehäuses zumindest im Wesentlichen parallel zu der Mittelachse des Gehäuses entlangströmt, beim Auftreffen auf den Ringvorsprung nicht schlagartig auf eine unstetig vorstehende Wandung prallt, sondern infolge der stetig geschwungenen Ausführung des Ringvorsprungs aufgenommen und unter Beibehaltung einer zumindest im Wesentlichen gerichteten Strömungscharakteristik dem Zuleitabschnitt zugelenkt wird. Hierbei kann insbesondere die Bildung von Rezirkulationsbereichen und Totwassergebieten reduziert werden. Eine entsprechende Ausgestaltung ergibt sich aus den nachstehend aufgeführten Ausführungsbeispiel.
Grundsätzlich unabhängig von der beschriebenen Ausgestaltung des Ringvorsprungs, gleichwohl in besonders vorteilhafter Weise in Kombination mit selbiger, ist der Zuleitabschnitt des Strömungselements gleichermaßen gekrümmt ausgebildet, wobei der Krümmungsverlauf des Zuleitabschnitts vorzugsweise den Krümmungsverlauf des Ringvorsprungs fortsetzt. Insbesondere kann der Zuleitabschnitt gewissermaßen lokal schalenförmig ausgebildet sein, sodass er den ihm zugelenkten Zerstäubungsstromanteil des Fluidstroms gewissermaßen einfängt. Vorteilhafterweise nimmt die Krümmung im Bereich des Zuleitabschnitts - radial bezogen auf die Mittelachse des Gehäuses betrachtet - von außen nach innen sukzessive zu. Die einzige Möglichkeit für den eingefangenen Zerstäubungsstromanteil, den Zuleitabschnitt in Strömungsrichtung zu verlassen, bieten sodann die Strömungskanäle, durch die hindurch der Fluidstrom gedrückt wird. Hierbei findet wunschgemäß die beschriebene Beschleunigung statt, sodass der Zerstäubungsstromanteil die Strömungskanäle des Strömungselements als eine Mehrzahl von Zerstäubungsströmen verlässt. Die Beschleunigungswirkung der Strömungskanäle kann insbesondere dazu führen, dass eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluidstroms lokal um mehrere 100 m/s beschleunigt wird.
Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung weiter ausgestaltend wirkt das Strömungselement derart mit dem Gehäuse zusammen, dass der Fluidstrom das Strömungselement im Zuge seiner Durchströmung der Ventileinrichtung durchströmen muss. Mit anderen Worten schließt das Strömungselement dicht an das Gehäuse an, sodass für den Fluidstrom keine Möglichkeit besteht, die Ventileinrichtung zu verlassen, ohne das Strömungselement zu durchströmen. Auf diese Weise wird vermieden, dass der Fluidstrom den durch die Strömungskanäle dargestellten Strömungswiderständen „ausweicht“.
Weiterhin ist eine solche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung von Vorteil, bei der der Ringvorsprung des Gehäuses und der Zuleitabschnitt des Strömungselement nicht unmittelbar aneinander anschließen, sondern stattdessen Endkanten derselben beabstandet voneinander angeordnet sind. Auf diese Weise begrenzen die Endkante des Ringvorsprungs und die Endkante des Zuleitabschnitts gemeinsam einen Strömungsspalt, durch den hindurch ein Teil des Fluidstroms („Nebenstromanteil“) an dem Zuleitabschnitt vorbeiströmen kann. Vorteilhafterweise kann sodann der Nebenstromanteil, der nicht dem Zuleitabschnitt zugeleitet wird, durch weitere Strömungskanäle des Strömungselements hindurch strömen. Mittels der genannten Ausführung wird die Möglichkeit geschaffen, den Fluidstrom mittels des Strömungselements temporär in zwei Anteile zu teilen, nämlich einen ersten Anteil, der dem Zuleitabschnitt zugelenkt wird (Zerstäubungsstromanteil), und einem zweiten Anteil, der an dem Zuleitabschnitt vorbeiströmt (Nebenstromanteil).
Aufgrund der erfindungsgemäß strömungslenkenden Ausgestaltung der Innenwandung des Gehäuses in Kombination mit der erfindungsgemäß strömungsfangenden Ausgestaltung des Zuleitabschnitts wird letzterer primär gewissermaßen vorrangig mit dem Fluidstrom beschickt, sodass grundsätzlich - und insbesondere weitestgehend unabhängig von einem Betrag des Fluidstroms - ein ausreichend ausgeprägter Zerstäubungsstromanteil vorliegt, mittels dessen gemäß obiger Erläuterung im Weiteren die gewünschte Zerstäubung des Kühlfluids möglich ist. Die übrigen Strömungskanäle des Strömungselements, die nicht dem Zuleitabschnitt zugeordnet sind, stehen dem Fluidstrom zusätzlich zur Verfügung, um das Strömungselement zu passieren.
Vorteilhafterweise sind Durchmesser der Strömungskanäle des Zuleitabschnitts größer, insbesondere mindestens doppelt so groß, wie Durchmesser der Strömungskanäle, die nicht dem Zuleitabschnitt zugeordnet sind. Letztere können insbesondere derart ausgebildet sein, dass sie als Drosselstufe für den Fluidstrom wirken und auf diese Weise zu einer gewünschten Druck- und Temperaturreduzierung des Fluidstroms beitragen.
Die Strömungskanäle des Strömungselements, die dem Zuleitabschnitt zugeordnet sind, sind vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass sie sich - in Strömungsrichtung des Fluidstroms betrachtet - schräg in Richtung auf die Mittelachse des Gehäuses zu erstrecken. Bei einer solchen Ausgestaltung wirken die Strömungskanäle derart, dass sie den mittels ihrer Wirkung erzeugten Zerstäubungsströmen jeweils zumindest einen - bezogen auf die Mittelachse des Gehäuses - radialen Richtungsanteil aufprägen. Idealerweise sind die Strömungskanäle unter einem Winkel von ca. 45° bezogen auf die Mittelachse ausgerichtet. Die schräge Ausgestaltung der Strömungskanäle des Zuleitabschnitts verhilft dazu, die erzeugten Zerstäubungsströme gezielt „unter“ die Einspritzeinrichtung zu lenken, sodass das mittels der Einspritzeinrichtung eingespritzte Kühlfluid unmittelbar in die Zerstäubungsströme eingespritzt wird. Vorzugsweise ist das Strömungselement derart relativ zu der Einspritzeinrichtung angeordnet, dass die Strömungskanäle des Zuleitabschnitts die Einspritzeinrichtung umlaufend umgeben und infolge ihrer schrägen Ausgestaltung den Fluidstrom umlaufend radial nach innen unter die Einspritzeinrichtung lenken. Eine entsprechende Ausgestaltung ergibt sich aus dem nachstehenden Ausführungsbeispiel.
Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung weiter ausgestaltend umfasst das Strömungselement einen sich - in Strömungsrichtung des Fluidstroms betrachtet - an den Zuleitabschnitt umlaufend anschließenden Kragabschnitt. Der Kragabschnitt kann sich insbesondere an ein radial außen liegendes Ende des Zuleitabschnitts anschließen und sich von dort aus erstrecken. Der Kragabschnitt begrenzt gemeinsam mit der Innenwandung des Gehäuses einen Ringraum, in den Nebenstromanteil des Fluidstroms einströmen kann. Der Kragabschnitt weist eine Vielzahl von Strömungskanälen auf, durch die hindurch der Nebenstromanteil sodann ausgehend von dem Ringraum in Richtung eines Mittelraums des Strömungselements übertreten kann. Eine Zuleitung eines Anteils des Fluidstroms zu dem Ringraum kann insbesondere durch einen vorstehend beschriebenen Strömungsspalt erfolgen, der zwischen einander zugeordneten Endkanten des Ringvorsprungs des Gehäuses und des Zuleitabschnitts des Strömungselements vorliegt.
Vorteilhafterweise ist der Kragabschnitt derart ausgebildet, dass er an seinem dem Zuleitabschnitt abgewandten Ende dicht mit dem Gehäuse zusammenwirkt, das heißt insbesondere dichtend an die Innenwandung des Gehäuses angeschlossen ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der in dem Ringraum befindliche Nebenstromanteil des Fluidstroms den Ringraum ausschließlich durch die Strömungskanäle des Kragabschnitts hindurch verlassen kann. Ein Umströmen des Strömungselements ist mithin unterbunden.
Zwecks gleichmäßiger Beschickung sämtlicher Strömungskanäle des Kragabschnitts kann es zudem vorteilhaft sein, wenn der zwischen dem Gehäuse und dem Kragabschnitt begrenzte Ringraum sich - in Strömungsrichtung des Fluidstroms betrachtet - verjüngt. Diese Verjüngung kann insbesondere dadurch erzielt werden, dass der Kragabschnitt in Form eines Kegelstumpfabschnitts ausgebildet ist, der sich ausgehend von dem Zuleitabschnitt konisch erweitert.
In einer weiterhin vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung ist das Strömungselement stromabwärts der Einspritzeinrichtung angeordnet. Vorzugsweise schließt sich das Strömungselement unmittelbar an ein unteres Ende der Einspritzeinrichtung an. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Zuleitabschnitt des Strömungselements ein - in Strömungsrichtung des Fluidstroms betrachtet - unteres Ende der Einspritzeinrichtung umlaufend umschließt. Dies hat den Vorteil, dass die dem Zuleitabschnitt zugeordneten Strömungskanäle so nah wie möglich an der Einspritzeinrichtung angeordnet sind, sodass die mittels der Strömungskanäle bewirkte Umwandlung des Zerstäubungsstromanteils des Fluidstroms in einzelne Zerstäubungsströme möglichst nah an der Einspritzeinrichtung stattfindet. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Zerstäubungsströme in einem Einspritzbereich, in dem sich das Kühlfluid mit dem Fluidstrom mischt, so groß wie möglich ist. Dementsprechend ist die Zerstäubungswirkung der Zerstäubungsströme in gewünschter Weise so groß wie möglich.
Unabhängig von der Ausgestaltung des Strömungselements kann zudem eine solche Ventileinrichtung besonders vorteilhaft sein, bei der dem Eintrittsstutzen ein insbesondere rotationssymmetrischer Lochzylinder zugeordnet ist, der den Kolben umlaufend umgibt und eine Vielzahl von Strömungskanälen aufweist. Der Lochzylinder dient dazu, die durch den Eintrittsstutzen erfolgte Einströmung des Fluidstroms zu vergleichmäßigen, sodass die Anströmung des Kolbens bzw. des Dichtsitzes möglichst gleichmäßig erfolgt. Im Hinblick auf eine möglichst robuste Ausgestaltung der Ventileinrichtung ist dies vorteilhaft, da eine asymmetrische Anströmung bestimmter Bereiche der Ventileinrichtung vermieden und mithin eine Belastung des Materials der Ventileinrichtung vergleichmäßigt werden.
Zudem kann es besonders von Vorteil sein, wenn die Strömungskanäle der Ventileinrichtung ungeachtet ihrer Zugehörigkeit zu einzelnen Bauteilen derselben angesenkt ausgebildet sind. Hierbei ist ein Durchmesser eines jeweiligen Strömungskanals in einem - in Strömungsrichtung des Fluidstroms betrachtet - vorderen Endbereich trichterförmig erweitert. Diese Ausgestaltung verhilft dazu, innere Mantelflächen der Strömungskanäle zumindest teilweise mit einer Beschichtung zu versehen, die eine Widerstandsfähigkeit des jeweilig betroffenen Bauteils gegen abrasiven Verschleiß erhöht. Insbesondere ist es denkbar, die einzelnen Bauteile der Ventileinrichtung mit einer Chromcarbid-Beschichtung zu versehen.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels, das in den Figuren dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigt:

1: Einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Ventileinrichtung und
2: Ein schematisches Detail eines Strömungselements der Ventileinrichtung gemäß 1.

Ein Ausführungsbeispiel, das in den 1 und 2 dargestellt ist, umfasst eine erfindungsgemäße Ventileinrichtung 1. Diese umfasst ein Gehäuse 3, das zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch bezogen auf eine Mittelachse 2 ausgebildet ist. An das Gehäuse 3 ist ein Eintrittsstutzen 4 angeschlossen, mittels dessen der Ventileinrichtung 1 ein Fluidstrom 5 zuleitbar ist. Der Fluidstrom 5 strömt dabei zunächst in einen Eintrittsraum 34 ein, innerhalb dessen ein axial beweglicher Kolben 6 angeordnet ist. Besagter Kolben 6 dient dazu, einem ihm zugeordneten Dichtsitz 7 dichtend zusammenzuwirken. Der Kolben 6 ist dabei zwischen verschiedenen Stellungen relativ zu dem Dichtsitz 7 bewegbar, wobei je nach Stellung des Kolbens 6 ein Betrag des Fluidstroms 5, der die Ventileinrichtung 1 durchströmt, regulierbar ist. In dem gezeigten Beispiel ist in dem Eintrittsraum 34 ein Lochzylinder 22 angeordnet, der über eine Vielzahl von Strömungskanälen 23 verfügt. Der Lochzylinder 22 umgibt sowohl den Kolben 6 als auch den Dichtsitz 7, sodass ein Passieren des Dichtsitzes 7 nur nach einer Durchströmung der Strömungskanäle 23 des Lochzylinders 22 möglich ist. Der Lochzylinder 22 wirkt dabei gewissermaßen als Drosselstufe, die eine Vergleichmäßigung der Anströmung sowohl des Kolbens 6 als auch des Dichtsitzes 7 erreicht. Nach dem Passieren des Dichtsitzes 7 gelangt der Fluidstrom 5 in einen Mittelraum 35 der Ventileinrichtung 1, wobei dem Mittelraum 35 in dem gezeigten Beispiel eine Drosselstufe 28 zugeordnet ist. Diese umfasst eine Mehrzahl von Strömungskanälen, durch die hindurch der Fluidstrom 5 im Zuge der Durchströmung der Ventileinrichtung 1 strömen muss. Die Strömungskanäle bewirken einen Druckabbau sowie eine Temperatursenkung des Fluidstroms 5. Je nach Vorgabe kann die Ventileinrichtung 1 mit einer Mehrzahl von Drosselstufen 28 ausgestattet sein, um eine jeweils gewünschte Reduktion von Druck und Temperatur des jeweiligen Fluidstroms 5 zu erzielen.
Zwecks Abbaus thermischer Energie des Fluidstroms 5 umfasst die Ventileinrichtung 1 ferner eine Einspritzeinrichtung 9, die mit einem Zuleitkanal 24 zur Zuleitung eines Kühlfluids zusammenwirkt. Der Zuleitkanal 24 schließt an ein Düsengehäuse 25 der Einspritzeinrichtung 9 an, innerhalb dessen eine Einspritzdüse 36 angeordnet ist. Diese ist mittels einer Feder 26 gegen einen Düsensitz 27 gedrückt, sodass die Einspritzdüse 36 gemeinsam mit dem Düsensitz 27 bei Vorliegen in einem im Übrigen kraftfreien Zustand dichtend zusammenwirkt. Zur Auslösung der Einspritzdüse 36 wird die Einspritzeinrichtung 9 mit dem Kühlfluid beschickt. Unter dem Druck des letzteren wird eine Federkraft der Feder 26 überwunden, sodass die Einspritzdüse 36 aus ihren Düsensitz 27 gedrückt wird. Hierdurch wird eine Strömungsverbindung von dem Zuleitkanal 24 zu einem Innenraum des Gehäuses 3 freigegeben, woraufhin das Kühlfluid in den Fluidstrom 5 eingespritzt wird. Aufgrund einer konisch zulaufenden Ausgestaltung des Düsensitzes 27 wird das Kühlfluid kegelförmig eingespritzt, wie sich besonders gut anhand von 2 ergibt.
Damit das Kühlfluid möglichst schnell verdampft und auf diese Weise die gewünschte Abkühlung des Fluidstroms 5 erzielt wird, wird das Kühlfluid zerstäubt. Hierfür wird es in Zerstäubungsströme 12 eingespritzt, der von einem Zerstäubungsstromanteil 33 des Fluidstroms 5 gebildet ist. Um die Zerstäubungsströme 12 zu erzeugen, umfasst die Ventileinrichtung 1 ein Strömungselement 8, das in dem gezeigten Beispiel topfförmig ausgebildet ist. Das Strömungselement 8 umfasst einen oberen Zuleitabschnitt 13 sowie einen unteren Kragabschnitt 19. Der Zuleitabschnitt 13 schließt sich in dem gezeigten Beispiel unmittelbar an ein in Strömungsrichtung des Fluidstroms 5 betrachtet unteres Ende der Einspritzeinrichtung 9 an und erstreckt sich bezogen auf die Mittelachse 2 des Gehäuses 3 in radiale Richtung nach außen. Auf diese Weise ragt der Zuleitabschnitt 13 gewissermaßen in eine Strömung des Fluidstroms 5 hinein. Der Kragabschnitt 19 schließt sich an ein radial äußeres Ende des Zuleitabschnitts 13 an letzteren an und erstreckt sich ausgehend von dem Zuleitabschnitt 13 in konisch erweiternder Weise in Strömungsrichtung des Fluidstroms 5.
Erfindungsgemäß wirkt der Zuleitabschnitt 13 des Strömungselements 8 mit einem an einer Innenwandung 14 des Gehäuses 3 ausgebildeten Ringvorsprung 15 zusammen. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass er radial bezogen auf die Mittelachse 2 nach innen an der Innenwandung 14 vorsteht und auf diese Weise eine Ablenkwirkung auf den Fluidstrom 5 ausübt. Insbesondere wird dem Fluidstrom 5 mittels des Ringvorsprungs 15 ein radial nach innen gerichteter Richtungsanteil aufgeprägt. Der Ringvorsprung 15 ist hierbei in Strömungsrichtung des Fluidstroms 5 betrachtet stetig gekrümmt, das heißt ohne unstetig vorspringenden Vorsprung, ausgebildet. Hierdurch wird erreicht, dass der Fluidstrom 5 über eine Lenkstrecke hinweg von der Innenwandung 14 weggelenkt wird, ohne dass der Fluidstrom 5 auf eine unstetig vorragende Prallfläche trifft und dabei in einen turbulenten Strom umgewandelt wird. Der Zuleitabschnitt 13 des Strömungselements 8 ist in dem gezeigten Beispiel in gleicher Weise gekrümmt ausgebildet, wobei der Zuleitabschnitt 13 die Krümmung des Ringvorsprungs 15 fortsetzt. Dies ergibt sich besonders gut anhand des Details gemäß 2. Ein Krümmungsverlauf gestaltet sich ausgehend von der Innenwandung 14 bis hin zu einem radial innenliegenden Ende des Zuleitabschnitts 13 in stetig zunehmender Weise, wobei der Zuleitabschnitt 13 im Querschnitt betrachtet gewissermaßen schalenförmig ausgebildet ist und den Fluidstrom 5 auf diese Weise einfängt. Der Zuleitabschnitt 13 ist an seinem radial innenliegenden Ende unmittelbar an die Einspritzeinrichtung 9 angeschlossen, wobei ein Vorbeiströmen des Zerstäubungsstromanteils 33 des Fluidstroms 5 an dem Strömungselement 8 zwischen dem Zuleitabschnitt 13 und der Einspritzeinrichtung 9 nicht möglich ist.
Der Zuleitabschnitt 13 wirkt in dem gezeigten Beispiel mit einer Mehrzahl von Strömungskanälen 10 zusammen, die eine Durchströmung des Strömungselements 8 ermöglichen. Die Strömungskanäle 10 bewirken hierbei vorsätzlich eine Verengung eines Strömungsquerschnitts für den Zerstäubungsstromanteil 33 des Fluidstroms 5, sodass im Zuge der Durchströmung der Strömungskanäle 10 der Zerstäubungsstromanteil 33 stark beschleunigt wird. Hierdurch wird mittels der Mehrzahl von Strömungskanälen 10 eine Mehrzahl von Zerstäubungsströmen 12 erzeugt, deren Strömungsgeschwindigkeit gegenüber einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluidstroms 5 diesseits des Strömungselements 8 stark erhöht ist. Die Strömungskanäle 10 sind dabei bezogen auf die Mittelachse 2 des Gehäuses 3 schräg nach innen ausgerichtet, sodass die Zerstäubungsströme 12 einen radialen Richtungsanteil erhalten, der auf die Mittelachse 2 zugerichtet ist. Auf diese Weise werden die Zerstäubungsströme 12 unmittelbar unter die Einspritzeinrichtung 9 geführt. Dies hat zur Folge, dass die Einspritzung des Kühlfluids direkt in die Zerstäubungsströme 12 erfolgt, in denen eine hohe Strömungsgeschwindigkeit vorliegt. Hierdurch wird erreicht, dass das Kühlfluid sehr fein zerstäubt wird, wodurch eine sehr schnelle Verdampfung des Kühlfluids erzielt wird.
Der Ringvorsprung 15 und der Zuleitabschnitt 13 des Strömungselements 8 sind beabstandet voneinander angeordnet, wobei einander zugeordnete Endkanten 16, 17 des Ringvorsprungs 15 bzw. des Zuleitabschnitts 13 gemeinsam einen Strömungsspalt 18 begrenzen. Durch diesen Strömungsspalt 18 hindurch kann ein Anteil des Fluidstroms 5 an dem Zuleitabschnitt 13 vorbeigeführt werden. Dieser Anteil wird hier als Nebenstromanteil 32 bezeichnet. Der Nebenstromanteil 32 strömt in einen Ringraum 20 ein, der von dem Gehäuse 3 und dem Kragabschnitt 19 des Strömungselements 8 begrenzt ist. Der Kragabschnitt 19 ist hier kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei er einen sich in Strömungsrichtung des Fluidstroms 5 betrachtet konisch erweiternden Querschnitt aufweist. An einem dem Zuleitabschnitt 13 abgewandten Ende schließt der Kragabschnitt 19 an einer Kontaktstelle 30 (bzw. einem umlaufenden Kontaktring) dichtend an die Innenwandung 14 des Gehäuses 3 an. Infolgedessen kann der Nebenstromanteil 32 des Fluidstroms 5 ausschließlich durch Strömungskanäle 11 des Strömungselements 8 hindurchströmen, die dem Kragabschnitt 19 zugeordnet sind. Hierbei wird der Nebenstromanteil 32 in radiale Richtung bezogen auf die Mittelachse 2 des Gehäuses 3 einem Mittelraum 21 des Strömungselements 8 zugeleitet.
Das Zusammenspiel von Ringvorsprung 15 und vorragendem Zuleitabschnitt 13 bewirkt, dass der Zerstäubungsstromanteil 33, der mittels des Zuleitabschnitts 13 den Mittelraum 21 zugeleitet wird, relativ unabhängig von einem Betrag des gesamten Fluidstroms 5 in Relation zu dem Nebenstromanteil 32 gleichbleibt. Insbesondere wird erreicht, dass selbst bei einem vergleichsweise geringen Betrag des Fluidstroms 5 die Zerstäubungsströme 12 eine ausreichende Zerstäubungswirkung auf das Kühlfluid ausüben, sodass letzteres fein zerstäubt und infolgedessen schnell verdampft wird. Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung 1 erreicht damit das Ziel, eine feine Zerstäubung des Kühlfluids zu erreichen, ohne dass eine Verstellung des Strömungselements 8 erfolgen muss. Insbesondere kann darauf verzichtet werden, relativ zueinander bewegliche Teile vorzusehen, mittels derer eine Zuweisung von Strömungsanteilen des Fluidstroms zu bestimmten Strömungskanälen erzwungen wird, um unabhängig von einem Betrag des Fluidstroms eine ausreichende Beschleunigung des Fluidstroms inklusive einer dadurch bedingten feinen Zerstäubung Kühlfluids zu erzielen. Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung 1 ist ohne solche relativ zueinander beweglichen Teile deutlich robuster als bekannte Ventileinrichtungen 1, die sich derartiger Mechaniken bedienen.
Um die Robustheit der Ventileinrichtung 1 gegenüber abrasivem Verschleiß weiter zu verbessern, ist die Ventileinrichtung 1 in dem gezeigten Beispiel beschichtet ausgebildet. Insbesondere sind alle Oberflächen, die unmittelbar mit dem Fluidstrom 5 zusammenwirken, mit einer Chromcarbid-Beschichtung ausgestattet. Hierzu sind in besonders vorteilhafter Weise sämtliche Strömungskanäle 10, 11, 23 Ventileinrichtung 1 angesenkt ausgebildet, wobei ein in Strömungsrichtung des Fluidstroms 5 betrachtet vorderer Einströmbereich eines jeweiligen Strömungskanals trichterförmig erweitert ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung der Strömungskanäle 10, 11, 23 hat sich für eine Beschichtung von inneren Mantelflächen der Strömungskanäle 10, 11, 23 mit einer jeweiligen Beschichtung als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Bezugszeichenliste

1: Ventileinrichtung
2: Mittelachse
3: Gehäuse
4: Eintrittsstutzen
5: Fluidstrom
6: Kolben
7: Dichtsitz
8: Strömungselement
9: Einspritzeinrichtung
10: Strömungskanal
11: Strömungskanal
12: Zerstäubungsstrom
13: Zuleitabschnitt
14: Innenwandung
15: Ringvorsprung
16: Endkante
17: Endkante
18: Strömungsspalt
19: Kragabschnitt
20: Ringraum
21: Mittelraum
22: Lochzylinder
23: Strömungskanal
24: Zuleitkanal
25: Düsengehäuse
26: Feder
27: Düsensitz
28: Drosselstufe
29
30: Kontaktstelle
31
32: Nebenstromanteil
33: Zerstäubungsstromanteil
34: Eintrittsraum
35: Mittelraum
36: Einspritzdüse
37: Düsenspitze

Claims

Ventileinrichtung (1), umfassend - ein sich entlang einer Mittelachse (2) erstreckendes Gehäuse (3), - einen Eintrittsstutzen (4) zur Einleitung eines Fluidstroms (5) in das Gehäuse (3), - einen beweglichen Kolben (6) sowie einen dem Kolben (6) zugeordneter Dichtsitz (7), - ein in dem Gehäuse (3) angeordnetes, rotationssymmetrisches Strömungselement (8) zur Behandlung des Fluidstroms (5), sowie - eine Einspritzeinrichtung (9) zur Einspritzung eines Kühlfluids, wobei mittels des Kolbens (6) in Zusammenwirkung mit dem Dichtsitz (7) der Fluidstrom (5) regulierbar ist, wobei das Strömungselement (8) eine Mehrzahl von Strömungskanälen (10) aufweist, durch die hindurch zumindest ein Teil des Fluidstroms (5) leitbar, im Zuge dessen beschleunigbar und auf diese Weise lokal in Zerstäubungsströme (12) überführbar ist, wobei das Strömungselement (8) derart relativ zu der Einspritzeinrichtung (9) angeordnet ist, dass das Kühlfluid in die Zerstäubungsströme (12) einspritzbar ist, wobei das Strömungselement (8) einen in einen Strömungsbereich des Fluidstroms (5) ragenden, umlaufenden Zuleitabschnitt (13) aufweist, mittels dessen ein Teil des Fluidstroms (5) fangbar und dem Zuleitabschnitt (13) zugeordneten Strömungskanälen (10) zuleitbar ist, wobei eine Innenwandung (14) des Gehäuses (3) einen dem Zuleitabschnitt (13) zugeordneten, sich radial in Richtung der Mittelachse (2) erstreckenden, umlaufenden Ringvorsprung (15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Ringvorsprungs (15) zumindest ein Teil des Fluidstroms (5) in Richtung des Zuleitabschnitts (13) des Strömungselements (8) lenkbar ist.
Ventileinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringvorsprung (15) - in Strömungsrichtung des Fluidstroms (5) betrachtet - gekrümmt ausgebildet ist, wobei vorzugsweise der Zuleitabschnitt (13) des Strömungselements (8) einen Krümmungsverlauf des Ringvorsprungs (15) fortsetzend ausgebildet ist.
Ventileinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (8) derart mit dem Gehäuse (3) zusammenwirkt, dass der Fluidstrom (5) im Zuge seiner Durchströmung der Ventileinrichtung (1) das Strömungselement (8) durchströmen muss.
Ventileinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Endkante (16) des Ringvorsprungs (15) und eine ihr zugeordnete Endkante (17) des Zuleitabschnitts (13) beabstandet voneinander angeordnet sind, sodass sie gemeinsam einen Strömungsspalt (18) begrenzen, durch den ein Teil des Fluidstroms (5) an der Innenwandung (14) des Gehäuses (3) entlang an dem Zuleitabschnitt (13) vorbeiströmen kann.
Ventileinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die dem Zuleitabschnitt (13) des Strömungselements (8) zugeordneten Strömungskanäle (10) - in Strömungsrichtung des Fluidstroms (5) betrachtet - sich schräg in Richtung auf die Mittelachse (2) des Gehäuses (3) zu erstrecken.
Ventileinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (8) einen sich - in Strömungsrichtung des Fluidstroms (5) betrachtet - an den Zuleitabschnitt (13) umlaufend anschließenden Kragabschnitt (19) aufweist, der gemeinsam mit der Innenwandung (14) des Gehäuses (3) einen Ringraum (20) begrenzt, wobei der Kragabschnitt (19) eine Vielzahl von Strömungskanälen (11) aufweist, durch die hindurch der Fluidstrom (5) ausgehend von dem Ringraum in einen Mittelraum (21) des Strömungselements (8) übertreten kann.
Ventileinrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (8) an einem dem Zuleitabschnitt (13) abgewandten Ende des Kragabschnitts (19) dicht an die Innenwandung (14) des Gehäuses (3) angeschlossen ist.
Ventileinrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen der Innenwandung (14) des Gehäuses (3) und dem Kragabschnitt (19) des Strömungselements (8) begrenzte Ringraum (20) sich - in Strömungsrichtung des Fluidstroms (5) betrachtet - sukzessive verjüngt, wobei vorzugsweise der Kragabschnitt (19) in Form eines Kegelstumpfabschnitts ausgebildet ist, der sich - in Strömungsrichtung des Fluidstroms betrachtet - ausgehend von dem Zuleitabschnitt (13) konisch erweitert.
Ventileinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Strömungskanäle (10) des Zuleitabschnitts (13) jeweils einen größeren Durchmesser aufweisen als Strömungskanäle (11) des Kragabschnitts (19), wobei vorzugsweise der Durchmesser eines jeweiligen Strömungskanals (10) des Zuleitabschnitts (13) mindestens doppelt so groß ist wie der Durchmesser eines jeweiligen Strömungskanals (11) des Kragabschnitts (19).
Ventileinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (8) stromabwärts der Einspritzeinrichtung (9) angeordnet ist, vorzugsweise sich unmittelbar an ein unteres Ende der Einspritzeinrichtung (9) anschließt.
Ventileinrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuleitabschnitt (13) dem unteren Ende der Einspritzeinrichtung (9), insbesondere einem unteren Ende einer Einspritzdüse (36) der Einspritzeinrichtung (9), zugeordnet ist, sodass eine mittels der Einspritzeinrichtung (9) erfolgende Einspritzung des Kühlfluids unmittelbar in die mittels der Strömungskanäle (10) des Zuleitabschnitts (13) erzeugten Zerstäubungsströme (12) einspritzbar ist.
Ventileinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (10) in einem radial innenliegenden Randbereich des Zuleitabschnitts (13) angeordnet sind.
Ventileinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen dem Eintrittsstutzen (4) zugeordneten, rotationssymmetrischen Lochzylinder (22), der den Kolben (6) umlaufend umgibt und eine Vielzahl von Strömungskanälen (23) aufweist, wobei vorzugsweise der Fluidstrom (5) zur Durchströmung der Ventileinrichtung (1) den Lochzylinder (22) durchströmen muss.
Ventileinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Strömungskanal (10, 11, 23), vorzugsweise sämtliche Strömungskanäle (10, 11, 23), angesenkt ausgebildet sind, vorzugsweise in ihren Einströmbereichen.