DE1107038B - Antriebsvorrichtung fuer stopfbuechslose Absperr- oder Regeleinrichtungen, insbesondere fuer hohe Druecke - Google Patents

Description

• Antriebsvorrichtung für stopfbüchslose Absperr- oder Regeleinrichtungen, insbesondere für hohe Drücke In Anlagen der chemischen Technik, die unter hohem Druck betrieben werden, und in Anlagen zur Energieerzeugung verwendet man häufig Absperr- und Regeleinrichtungen, die wegen der hohen Schließ- und Verstellkräfte nicht von Hand, sondern entweder mittelbar durch den Druck eines systemfremden oder unmittelbar durch den Druck des zu fördernden Mediums in Schließ- und Öffnungsrichtung bewegt werden. Wegen der in Stopfbüchsen auftretenden großen Reibungskräfte, für deren Überwindung zusätzliche Kräfte aufzubringen sind, und wegen der erforderlichen Wartung der Kontrolle der Stopfbüchspackungen werden für Hochdruckanlagen bereits Absperr- und Regeleinrichtungen verwendet, bei denen die Antriebsteile im vom jeweiligen Medium erfüllten Druckraum vor und hinter dem Schließquerschnitt angeordnet sind. Es führen dann nur Leitungen durch die drucktragende Wandung eines Gehäuses, und Stopfbüchsen sind nicht erforderlich. Darüber hinaus wird in Anlagen der chemischen Industrie jenen druckmittelgesteuerten Vorrichtungen den Vorzug gegeben, bei denen nicht ein systemfremdes, sondern das abzusperrende oder im Durchsatz zu regelnde Druckmedium auch denAntriebskolben des Verschlußstücksbeaufschlagt.
• Es sind bereits Antriebsvorrichtungen für Absperr-und Regeleinrichtungen bekannt, bei denen die Mantelfläche eines von einem Druckmittel beaufschlagten Antriebskolbens und die zugehörige Zylinderfläche mit labyrinthartigen Drosselstellen versehen ist. Sofern derartige Labyrinthe so beschaffen sind, daß jeweils die Stege des einen Elements in die Nuten des anderen Elements eintreten, ist nur ein sehr begrenzter Hub möglich. In vielen Fällen reicht dieser kleine Hub zum Öffnen und Schließen eines Absperr- oder Regelventils nicht aus. Für große Hübe ist zur Drosselung des Druckmediums ein Labyrinthsystem erforderlich, dessen Nuten und Stege im Kolben und Zylinder nahezu reibungslos aneinander vorbeigeführt werden können.
• Für eine sehr weiche kontinuierliche Bewegung eines mit weitem Hub nahezu reibungslos geführten Antriebskolbens genügt es ferner nicht, lediglich den verhältnismäßig kurzen Kolbenmantel und die zugehörige Zylinderfläche mit Drosselstellen zu besetzen. Es ist insbesondere nicht möglich, die Zahl der Nuten und Stege, die an Kolben und Zylinder die Drosselstellen bilden, beliebig zu vergrößern.
• Nach der Erfindung ist daher zunächst vorgesehen, die Flächen der Kolbenstange und bzw. oder der das Verschlußstück tragenden Stange sowie die dazugehörigen Führungen zusätzlich mit Drosselstellen zu versehen und zur Dämpfung der Bewegung des vom Druckmittel beaufschlagten Kolbens mit heranzuziehen. Dennoch können durch die Beschleunigung und Verzögerung der Masse des Verschlußstücks in der Endphase seiner Schließ- und Öffnungsbewegung Schwingungen oder Schläge auftreten, die bei unter hohen Drücken stehenden Systemen und Räumen unbedingt vermieden werden müssen. Zu einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gehören daher ferner Mittel, die in Abhängigkeit von der Lage des vom Druckmittel beaufschlagten Kolbens die Zahl der insgesamt wirksamen Drosselstellen zu verkleinern bzw. zu vergrößern gestatten.
• Nach der Erfindung ist demzufolge vorgesehen, daß eine Vielzahl von ringförmigen, als Labyrinth wirkenden Nuten sowohl in die Mantelfläche des Kolbens und in die zugehörige Zylinderfläche als auch in die Mantelfläche der Kolbenstange bzw. der das Verschlußstück tragenden Stange und in die zugehörigen Führungen eingearbeitet ist und daß die Kolbenstange bzw. die das Verschlußstück tragende Stange einen oder mehrere Kanäle besitzt, die durch Überbrückung von mehr oder weniger Nuten eine vom Kolbenhub abhängige Drosselung des Druckmediums bewirken. In einer solchen Antriebsvorrichtung treten nur geringe Reibungskräfte auf, da der Antriebskolben und seine zusätzlichen Führungselemente allseitig gleichmäßig an einem vielfach aufgelösten Druckpolster in zwischen den Drosselstellen liegenden kleinen Entspannungsräumen abgestützt sind. Der Verschleiß der Reibungsflächen ist entsprechend gering. Die Änderung der Drosselwirkung mit dem Kolbenhub begünstigt eine weiche Bewegung insbesondere in den Grenzlagen des Kolbens, so daß Schwingungen und Schläge im Drucksystem vermieden werden.
• An Hand der Abbildungen sei die Erfindung näher beschrieben Die Abb.1 zeigt ein Ventil für eine Flüssigkeits-, Gas- oder Dampfleitung im Schnitt, in dessen Gehäuse 1 das Verschlußstück 2 einen unmittelbar hinter dem Eintrittsstutzen 3 liegenden Sitz absperrt. Das Verschlußstück 2 ist über die Stange 4 mit dem Antriebskolben 5 verbunden. Der Antriebskolben 5 gleitet in einem Zylinder 6, der nur an der vom Verschlußstück 2 abgewandten Seite geschlossen ist. Der Zylinder 6 ist gegenüber dem Gehäuse 1 durch mehrere radiale Rippen 1a fest abgestützt. Eine Verlängerung 4a der Kolbenstange 4 gibt dem Antriebskolben 5 im Boden des Zylinders 6 eine zusätzliche Führung. Die wirksame Fläche des Antriebskolbens 5 und des Zylinders 6 ist größer als die wirksame Querschnittsfläche des Verschlußstücks 2, j so daß das beim Öffnen eines Hilfsventils? aus dem Stutzen3 in den Zylinderraum 11 unterhalb des Kolbens eintretende Druckmittel den Antriebskolben 5 aufwärts bewegt und damit das Verschlußstück 2 auf den Sitz preßt. Die dem Druckraum zugewandte Fläche des Antriebskolbens 5 ist j zwar ebenfalls vom Druck des Mediums belastet; diese Wirkrichtung des Druckes wird jedoch teilweise wieder durch die entgegengesetzt gerichtete Druckbelastung der rückwärtigen Kreisringfläche des Verschlußstücks 2 aufgehoben. Die Öffnungs- und Schließbewegung ist also auch bei einseitiger Beaufschlagung des Antriebskolbens 5 und bei einseitig offenem Zylinder 6 gewährleistet. Das Öffnen und Schließen erfolgt ausschließlich durch Betätigen des Hilfsventils 7 in der Leitung 8, die den vom Druckmittel erfüllten Raum 3 vor dem Sitz mit dem , Zi linderraum 11 verbindet.
• V Um die Kolbenbewegung weich zu steuern und die Reibung an den Gleitflächen ohne Einbuße an Dichtwirkung gering zu halten, sind nach der Erfindung sowohl in die Mantelfläche des Antriebskolbens 5 und in die Flächen des Zylinders 6 als auch in die Kolbenstange 4a und in die zugehörige Führung im Zylinderboden ringförmige Nuten 10 eingearbeitet, die insgesamt ein labyrinthartiges System von Drosselstellen mit kleinen zwischengeschalteten Entspannungsräumen bilden. Die Verteilung der Drosselstellen auf die Gleitflächen ist in Abb. 2 näher dargestellt. Das Drosselsystem besteht aus ausgerundeten oder eckigen Rillen, wobei für die Rillen 10a in den Gleitflächen des Zylinders 6 vorzugsweise eine andere Teilung gewählt wird als für die Rillen 10b im Antriebskolben 5 und für die Kolbenstange 4a. Die Teilung der Rillen 10 a und 10 b muß in jedem Fall so gewählt werden, daß die sichere Geradeführung der Gleitflächen des Antriebskolbens 5 gewährleistet bleibt. Ein in die Kolbenstange 4a eingearbeiteter Kanal 9 überbrückt bei der Kolbenbewegung eine mehr oder weniger große Zahl von Rillen 10 zwischen der Kolbenstange 4a und der zugehörigen Führung im Boden des Zylinders 6, so daß eine stufenweise Entspannung der Druckdifferenz zwischen dem Druckraum 11 und dem Gehäuseraum über die Drosselstellen je nach der Kolbenstellung auf längerem oder kürzerem Weg erfolgt. Die Aufgabe des vom Druckmittel beaufschlagten Antriebskolbens 5 wird somit durch die in die Kolbenstange 4a bzw. die Stange 4 eingearbeiteten Kanäle 9 bzw. 9 a unterstützt. Die Kolbenstange 4a und die Stange 4 bilden Hilfssteuerkolben, die mit ihren Kanälen 9 bzw. 9 a je nach der Lage des Verschlußstücks mehr oder weniger Rillen 10 in den Führungen 6 a und 6 b überbrücken.
• Das Zustandekommen der weichen Steuerung der Bewegung des Antriebskolbens 5 ergibt sich aus der bekannten Durchflußgleichung für Labyrinthe: Darin ist Gh = Durchflußmenge in kgrh, D", = mittlerer Durchmesser der Labyrinthfläche in cm, P1 = Druck vor dem Labyrinth in ata, P2 = Druck hinter dem Labyrinth in ata, vi = spezifisches Volumen des Mediums vor dem Labyrinth in m3/kg, s = Spaltweite in cm, z = Anzahl der Labyrinthe. Die Gleichung sagt mit Bezug auf die Abb.2 aus, daß bei gleichen Druckverhältnissen vor und hinter dem Labyrinth die Durchflußmenge nur abhängig ist von der Zahl der aus je einer Drosselstelle und einem kleinen nachgeordneten Entspannungsraum bestehenden Labyrinthe sowie von deren Durchmesser und Spaltbreite. Man wählt die Zahl der Labyrinthe so, daß die abfließende entspannte Druckmittelmenge sich mit jeder Veränderung der Stellung des Antriebskolbens und der Kolbenstange ebenfalls ändert, wobei sich der Druck im Raum 11 mehr oder weniger schnell auf- oder abbaut. In Verbindung mit der Zahl der Labyrinthe wählt man ferner deren Durchmesser und Spaltbreite so, daß für die Steuerung mit dem systemeigenen Medium die gewünschte Charakteristik der Steuerbewegung erhalten wird.
• Am Kanal 9 kann man durch die Bemessung der OOuerschnitte seiner einzelnen Kanalabschnitte die Charakteristik der Steuerung ebenfalls in geringem Umfang beeinflussen. Wenn die im wesentlichen senkrecht zur Kolbenstange 4 gebohrten Eintrittsöffnungen des Kanals 9 im Querschnitt kleiner bemessen sind als der Öffnungsquerschnitt eines Labyrinths, wirkt auch der Kanal 9 als Drosselstelle und bildet zwischen den teilweise überbrückten Labyrinthrillen 10 a, 10 b eine Entspannungsstufe.
• An Stelle von einzelnen ringförmigen Rillen oder Nuten 10 kann auch ein System von wendelförmig steigenden Nuten vorgesehen werden, wobei die Steigung der Nuten des Antriebskolbens und die des Zylinders unterschiedlich bemessen oder gegenläufig ist. Dieses Labyrinthsystem läßt sich ebenfalls so ausbilden, daß zwischen den Drosselspalten viele kleine Entspannungsräume entstehen. Zweckmäßig werden derartige wendelförmige Nuten in gleichmäßigen Abständen unterbrochen und zur Erhöhung der Labyrinthwirkung mit kurzen seitlichen, d. h. etwa in Richtung der Mittellinien des Kolbens verlaufenden Verzweigungen versehen.
• Die Abb.3 zeigt im Schnitt eine auf bisher handbetätigte Hochdruckventile aufsetzbare Antriebsvorrichtung nach der Erfindung mit einem beidseitig beaufschlagbaren Antriebskolben 5 in der Schließlage des nicht dargestellten Verschlußstücks. Zur Betätigung dient wieder das in der zu öffnenden und zu schließenden Leitung od. dgl. strömende Medium. Der auf ein Ventil-oder Schiebergehäuse 1 aufgesetzte Zylinder 6, in dem sich der Antriebskolben 5 bewegt, ist in die Hilfszylinder 6 a und 6 b verlängert, die der Stange 4 und der Kolbenstange 4a Führung geben. Die Hilfszylinder 6a und 6 b und die darin geführten Kolbenstangenabschnitte 4, 4a besitzen ebenfalls eine Vielzahl von Drosselstellen 10a, 10b zur Entspannung einer Druckdifferenz unter weitgehender Verminderung der Reibungskräfte zwischen den aufeinandergleitenden Teilen.
• In den Stirnflächen des Zylinders 6 sind die Druckmittelzuführungen 12 und 13 angeordnet. An dem unteren Hilfszylinder 6 a und dem oberen Hilfszylinder 6 b sind etwa in der Mitte des Entspannungsweges Abgänge 14 und 15 für das in dem Drosselsystem entspannte Medium vorgesehen. Das Drosselsystem besteht wie in Abb. 2 aus einer Vielzahl von Labyrinthrillen 10a und 10 b im Zylinder 6 und in den Hilfszylindern 6 a, 6 b bzw. in der Gleitfläche des Antriebskolbens 5 und den Stangen 4, 4a. Während der untere Hilfszylinder 6a beiderseits des Abganges 14 etwa eine gleiche Anzahl von Rillen 10a besitzt, ist der obere geschlossene Hilfszylinder 6 b nur unterhalb des Abganges 15 mit Rillen versehen, die zusammen mit den Rillen der Kolbenstange 4a zwischen den engen Drosselstellen kleine Entspannungsräume bilden. Oberhalb des Abganges 15 ist eine keilförmige Entspannungsnut 16 vorgesehen, die sich zur Stirnfläche des geschlossenen Hilfszylinders 6 b hin verjüngt.
• Die Aufgabe des vom Druckmittel beaufschlagten Antriebskolbens 5 wird durch die in die Kolbenstange 4a bzw. die Stange 4 eingearbeiteten Kanäle 9 bzw. 9 a unterstützt. Die Stangen 4 und 4a bilden Hilfsantriebskolben, die mit ihren Kanälen 9 bzw. 9a je nach der Lage des nicht dargestellten Verschlußstücks mehr oder weniger Rillen 10 in den Hilfszylindern 6a und 6b überbrücken.
• Die an die Druckmitteleinlässe 12 und 13 heranführenden Leitungen sind so ausgelegt, daß bei Beginn einer Steuerbewegung die einströmende Druckmittelmenge größer ist als die durch die Drosselstellen 10 und die Steuerkanäle 9 und 9a in entspanntem Zustand entweichende Menge. In den Druckräumen 11 bzw. 11' tritt dabei eine gewisse Druckerhöhung ein. Durch Einstellen, d. h. durch mehr oder weniger weites Schließen oder Öffnen der Hilfsventile 7 und 7' kann der Antriebskolben 5 in jede beliebige Stellung gebracht und festgehalten werden. Zum Öffnen des Ventils oder Schiebers wird das Hilfsventil 7' in der Druckmittelleitung 13 gedrosselt bzw. geschlossen und zu gleicher Zeit das Hilfsventil 7 der Druckmittelleitung 12 teilweise bzw. ganz geöffnet. In den beim Schließen größer werdenden Druckraum 11 strömt in diesem Fall kein Druckmittel oder nur eine geringe Druckmittelmenge ein, während durch Druckerhöhung im Raum 11' der Antriebskolben 5 aufwärts bewegt wird. Bei dieser Aufwärtsbewegung wird das im Druckraum 11 befindliche Druckmittel nicht weiter verdichtet, sondern es entweicht unter gleichzeitiger Entspannung durch die Drosselstellen 10 a, 10 b und den Kanal 9 a und wird schließlich durch die Leitung 15 abgeführt. Diese Entspannung geschieht jedoch nicht augenblicklich, sondern benötigt eine längere oder kürzere Zeitspanne, die im umgekehrten Verhältnis zur Druckerhöhung im gegenüberliegenden Druckraum 11' bzw. zur Verschiebung der Ausgangsöffnung des Kanals 9a steht. Der für die Entspannung benötigte kurze Zeitabschnitt entspricht ferner der Überbrückung von mehr oder weniger Drosselstellen 10 a, 10 b im Hilfszylinder 6 b. Eine zusätzliche und feinwirkende Regelung der Entspannung kann noch durch die Einstellung eines oder zweier Ventile 17, 17a vorgenommen werden. Die mit der Entspannungsleitung 15 verbundene Entspannungsnut 16, die sich nach oben verjüngt und durch diese Verjüngung zur Endlage hin das Druckmittel immer langsamer entweichen läßt, bewirkt ferner, daß beim Öffnen des Schiebers oder Ventils eine Verdichtung oder bei einsetzendem Schließvorgang eine Unterdruckbildung im oberen abgeschlossenen Teil des Hilfszylinders 6 b vermieden wird.

Claims (2)

1. PATENTANSPRUCHE: 1. Antriebsvorrichtung für durch einen Flüssigkeits-, Dampf- oder Gasdruck gesteuerte stopfbüchslose Absperr- oder Regeleinrichtungen, insbesondere für hohe Drücke, bestehend aus einem in einem Zylinder geführten Antriebskolben für das Verschlußstück, wobei die annähernd reibungslos übereinandergeführten Flächen des Antriebskolbens und des Zylinders labyrinthartige Drosselstellen besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von ringförmigen als Labyrinth wirkenden Nuten (10a, 10 b) sowohl in die Mantelfläche des Antriebskolbens (5) und in die zugehörige Zylinderfläche (6) als auch in die Mantelfläche der Kolbenstange (4a) bzw. der das Verschlußstück (2) tragenden Stange (4) und in die zugehörigen Führungen (6a, 6b) eingearbeitet ist und daß die Kolbenstange (4a) bzw. die das Verschlußstück (2) tragende Stange (4) einen oder mehrere Kanäle (9, 9 a) besitzt, die durch Überbrückung von mehr oder weniger Nuten (10a, 10b) eine vom Kolbenhub abhängige Drosselung des Druckmediums bewirken.
2. 2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Nuten (10b) im Antriebskolben (5) bzw. der Kolbenstange (4a) und der Stange (4) eine andere Teilung besitzen als die Nuten (10 a) im Zylinder (6) bzw. in den Führungen (6 a, 6 b). In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 800482, 931555, 941039; deutsche Auslegeschriften Nr. 1020 841, 1029 208, 1045755; Patentschrift Nr.7652 des Amtes für Erfindungs-und Patentwesen in der sowjetischen Besatzungszone Deutschlands; österreichische Patentschrift Nr. 192 704; schweizerische Patentschriften Nr. 86 616, 201066, 235 097, 264 074; französische Patentschrift Nr. 1126 367; USA.-Patentschriften Nr.1752439, 1919 233, 2341394, 2489623.