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Mehrstufiges Drosselventil mit einer Drosselkanäle aufweisenden Ventilspindel
Die Erfindung betrifft ein mehrstufiges Drosselventil zur Entspannung von unter
sehr hohem Druck stehenden Medien, insbesondere Flüssigkeiten, mit einer Ventilspindel,
die in zylindrischen Führungsteilen des Gehäuses geführt ist und die eingearbeitete
Drosselkanäle veränderlichen Querschnitts aufweist, wobei rotationssymmetrische
Entspannungskammern zwischen den Führungen und hinter der letzten Führung im Gehäuse
vorgesehen sind und wobei die Erstreckung der Drosselkanäle in der Spindel in Schließlage
mit der der zugehörigen Entspannungskammer im wesentlichen zusammenfällt.
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Dieses bekannte mehrstufige Einsitz-Regelventil mit Verschlußstück,
bei dem mehrere Regelstufen über die gesamte Spindelhöhe sowie Entspannungskammern
im Gehäuse angeordnet sind und bei dem das Verschlußstück vor der ersten Regelstrecke
vorgesehen ist, hat eine zylindrische Spindel, die auf dem gesamten Regelweg in
den zwischen den Entspannungskammern - befindlichen Verbindungsteilen kolbenartig
geführt ist und in axialer Richtung verlaufende Drosselkanäle aufweist. Die freien
Strömungsquerschnitte der Drosselkanäle wachsen mit dem Hub und damit in der Strömungsrichtung,
so daß sie sich wie Venturi-Rohre verhalten. Bei der Annahme, daß der Druck nur
zu 75% wiederaufgebaut wird, findet in jeder Stufe eine viermal so große Druckabsenkung
im Bereich des engsten Querschnitts statt, wie der Druckabfall der ganzen Stufe
ausmacht. In jeder Stufe wird also ein erhebliches Druckminimum durchlaufen, was
zur Folge hat, daß zumindest in der letzten Stufe Kavitation auftritt. Durch die
zwangläufig auftretende Druckabsenkung wird die Strömungsgeschwindigkeit an der
engsten Stelle doppelt so groß wie ohne Druckaufbau. Der axiale Verlauf der Drosselkanäle
hat zur Folge, daß unabhängig vom Hub immer die gleichen Flächenstücke der Führungen
von der Strömung beansprucht werden. Die Einzelstrahlen treffen in den Entspannungskammern
immer auf die gleichen Wandteile, wo sich Staupunkte ausbilden. Bei der Entspannung
von vollentsalztem Wasser höherer Temperatur führt das zur Bildung von Lokalelementen
mit entsprechendem Korrosionsverschleiß. Die gefürchtete Korrosionserosion tritt
besonders dann auf, wenn durch starke Grenzschichtunterschiede sich örtlich erheblich
unterschiedliche Lösungskonzentrationen einstellen und wenn insbesondere sehr niedrige
Drücke an einzelnen Wandteilen auftreten; denn Konzentrationen und Drücke treten
mit ihren Logarithmen in den Gleichungen der Spannungspotentiale auf, so daß bei
Annäherung an Null die Elektrodenspannung gegen Unendlich strebt. Bei mehrstufigen
Drosselventilen (Kaskadenventilen) zur Abführung der Mindestmenge von Höchstdruckspeisepumpen
in den Speisewasserbehälter traten tatsächlich bei vollentsalztem Speisewasser erhebliche
Zerstörungen nur in der letzten Entspannungsstufe auf.
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Es ist ein Einsitz-Regelventil mit großem Kolben als Kegel bekannt,
wobei der Kolben teilweise auch mit sich kreuzenden Drosselnuten versehen ist und
dadurch die gedrosselte Strömung zickzackförmig verläuft. Der Impulsvektor wird
an den Kreuzungsstellen vernichtet. Da dies aber nicht in einer Entspannungskammer
geschieht, tritt bekanntlich sehr großer Verschleiß auf, der sogar zum Teil größer
als bei einem normalen Einsitz-Regelventil mit Nadelkegel ist.
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Bekannt sind auch Kondensatableiter mit mehreren Entspannungsstufen,
die entweder in Platten eingearbeitet sind oder durch Spindeln mit Regelwülsten
gebildet werden. Letztere sind so gestaltet, daß bei einer Axialverschiebung der
Spindel die ringförmigen Drosselquerschnitte mit dem gleichen Faktor verändert werden
und die engsten Querschnitte der einzelnen Stufen für gleiche Dampfgeschwindigkeiten
bemessen sind. Diese Einrichtungen sind demnach lediglich zur Dampfwasserabseheid'ung
geeignet, nicht
aber zur Druckabsenkung und Absperrung von z. B.
Speisewasser.
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Bekannt ist auch ein mehrstufiges Ventil, das in den Drosselöffnungen
mittels je vier Rippen gut geführt ist und vor dem Ventilsitz einen zylindrischen
Fortsatz hat, der in Nähe der Schließlage auf die Strömung so stark drosselnd wirkt,
daß die Sitzflächen weitgehend entlastet sind. Der Impuls wird hinter jeder Entspannungsstelle
in einer Entspannungskammer vernichtet, aber die Gehäusewände werden senkrecht getroffen,
so daß diese Ventilanordnung zur Entspannung größerer Drücke nicht in Betracht kommen
kann.
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Bei einem weiteren bekannten Ventil sind der zylindrische Drosselkegel
und die entsprechende Drosselwand im Gehäuse durch eingeschnittenes Feingewinde
aufgerauht. Die Strömung wird dabei nicht durch die Gewindegänge geführt, sondern
geht durch einen dafür belassenen Ringspalt in axialer Richtung. Das Gewinde der
Gehäusewand ist so weit durchgeschnitten, daß es in der Lage ist, den hinter dem
Ventilkegel axial abströmenden Ringstrahl abzubremsen.
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Bei einem anderen bekannten Ventil ist die Sitzfläche abgestuft, so
daß in Nähe der Schließlage ein Kaskad'ensystem mit Impulsvernichtung vorliegt,
ohne daß jedoch die Strömung in Drehung versetzt würde. Außerdem ist ein Ventil
bekannt, das aus einer Vielzahl hintereinanderliegender Blenden besteht, deren Bohrungen
eine Kegelfläche bilden, in die der Ventilkegel paßt. Bei Betätigung des Ventils
gibt der Kegel an den Blenden ringförmige Öffnungen frei, die annähernd gleich groß
sind. Die Entspannung erfolgt also durch die plötzlichen Erweiterungen hinter den
einzelnen Blenden. Dabei wird aber immer der dem Strahfimpuls entsprechende Anteil
des Druckes wieder zurückgewonnen, so daß ähnliche Verhältnisse wie bei Venturi-Kanälen
vorliegen.
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Die bisher bekannten Ventil sind zur Entspannung höherer Drücke nicht
geeignet, insbesondere wenn es sich um die Entspannung vollentsalzten Speisewassers
handelt. Aufgabe der Erfindung ist es daher, die bekannten Ventile hinsichtlich
Entspannungsweise und Medienführung zu verbessern. Erfindungsgemäß geschieht das
dadurch, da.ß die Drosselkanäle in sich nicht kreuzenden Windungen verlaufen. Dabei
kann sich der Windungssinn der Drosselkanäle in jeder folgenden Drosselstufe ändern.
Hierdurch wird durch geeignete Strömungsführung bei jeder Entspannung in den einzelnen
Stufen der Impulsvektor vernichtet. Darüber hinaus wird die Strömung so geleitet,
daß die mit der Flüssigkeit in Berührung kommenden Wände überall nur tangential
angeströmt werden. Des weiteren wird in den Entspannungskammern eine Wirbelströmung
aufrechterhalten, um überall möglichst gleiche Grenzschichtausbildung zu haben.
Schließlich werden in den Drosselkanälen einsaitig Rippen vorgesehen, die durch
Erzeugung einer starken Sekundärströmung für einen über eine größere Kanallänge
erstreckten Druckabbau sorgen.
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In bezug auf den. weiteren Aufbau der Erfindung ist es bekannt, bei
mehrstufigen Drosseleinrichtungen zumindest in einer Entspannungskammer Düsen mit
einer Verbindungsleitung anzuordnen, um z. B. ein zweites Medium dem in der Leitung
geführten Medium beizumischen. Die Beimischung in der bekannten Weise kann bei der
Erfindung wegen des in der Entspannungskammer herrschenden Wirbels besonders vorteilhaft
erfolgen. Weiterhin ist es an sich bekannt, an einer Spindel eines mehrstufigen
Drosselventils einen Kolben vorzusehen, der einerseits vom durchströmenden Medium
und andererseits von dem in einer der Entspannungsstufen herrschenden Druck beaufschlagt
wird. Diese bekannte Anordnung läßt sich zweckmäßig auch bei der Erfindung anwenden.
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An Hand der Zeichnungen wird der Gegenstand der Erfindung erklärt.
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Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch das Drosselventil. Die Ventilspindel
l ist in Schließlage und ruht mit der Sitzfläche 2 auf dem Gegensitz 3 am oberen
Ende der Panzerung 4 im Gehäuse 5. Die Ventilspindel 1 ist durch die Stopfbuchse
6 nach außen geführt und kann von dort mittels des Hebels 7 betätigt werden. Unten
ist die Ventilspindel 1 in beispielsweise vier zylindrischen Führungen 8 mit nur
ganz geringem unvermeidlichem Spiel geführt. Zwischen den Führungen 8 sind die rotationssymmetrischen
Entspannungskammern 9. Die Ventilspindel 1 ist im Bereich der Entspannungskammern
9 und im Austrittsraum 10 mit gewundenen Drosselkanälen versehen, die in Schließlage
am oberen Ende jeder Entspannungskammer 9 beginnen und der gewünschten Regelcharakteristik
durch hubabhängigen Querschnitts-und Steigungsverlauf angepaßt sind. Die Drosselkanäle
11 enden in Schließlage jeweils am unteren Ende der Entspannungskammer 9. Die Drosselkanäle
11 im Bereich des Austrittsraumes 10 sind so ausgebildet, als wären sie in einer
Entspannungskammer 9. Der Windungssinn der Drosselkanäle 11 wechselt mit jeder Stufe.
Das im Stutzen 12 eintretende Medium gelangt in die Kammer 13. Sobald mittels Hebel
? die Ventilspindel l etwas angehoben wird, fließt ein durch die Passung an den
Führungen 8 bestimmter Medienstrom in Richtung Austrittsstutzen 14. In an sich bekannter
Weise werden dadurch die Sitzfläche 2 und der Gegensitz 3 geschont. Bei weiterem
öffnen gelangen die Anfänge der Drosselkanäle 11 aus dem Bereich der Führungen 8,
so daß der eigentliche Durchfluß beginnt. Wegen der Windung der Drosselkanäle 11
ist die Entspannung eine ganz andere als bei geraden Kanälen;- denn es baut sich
ein Zentrifugalfeld auf, das durch die Strömungsgeschwindigkeit und die Kanalkrümmung
bestimmt ist. Im Bereich der Führungen 8 sind die Drosselkanäle abgedeckt, was hohe
Geschwindigkeiten ergibt. Es kann nun immer nur ein Strömungszustand vorliegen,
der dem Gesamtenergieniveau des Mediums entspricht. An den Anfängen der Drosselkanäle
11 herrscht bei kleinen Querschnitten eine hohe Geschwindigkeit, die aber ein starkes
Zentrifugalfeld aufbaut, so daß der dafür erforderliche Betrag örtlich die für die
Geschwindigkeitsentwicklung zu Verfügung stehende Energie reduziert, was zwangläufig
zu verminderten Strömungsgeschwindigkeiten führt. Die im Bereich der Führungen 8
vorliegende Erweiterung der Drosselkanäle 11 wirkt sich nicht wie bei geraden Kanälen
druckaufbauend aus, sondern zu einem Energieabbau entsprechend der Verringerung
des Zentrifugalfeldes, das dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit proportional
ist. Die Erweiterung der Drosselkanäle 11 wirkt sich überraschenderweise wegen der
Kanalkrümmung so aus, daß der Druckabbau nicht mehr allein an der engsten Stelle;
sondern im ganzen abgedeckten Bereich vor sich geht. Dadurch werden aber die örtlichen
Energiekonzentrationen der bekannten Ventile vermieden und dementsprechend
auch
der darauf zurückzuführende Strahlverschleiß. Während also bei geraden Drosselkanälen
wegen des Venturi-Effektes im engsten Querschnitt sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten
mit örtlich außergewöhnlich starker Energiekonzentration auftreten, bewirken die
relativ eng gewundenen Drosselkanäle 11 genau das Gegenteil, so daß hier ein überraschender
und vorteilhafter Effekt erzielt wird.
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Neuere Untersuchungen an Diffusoren haben gezeigt, daß bei gekrümmten
Diffusoren ein sehr schlechter Wirkungsgrad erhalten wird, wenn bei elliptischem
Querschnitt die längere Ellipsenachse in der Krümmungsebene liegt. Deshalb werden
erfindungsgemäß schmale und tiefe Drosselkanäle 11 vorgesehen; denn je schlechter
der Diffusorwirkungsgrad ist, um so kleiner ist der unerwünschte Druckaufbau, der
die Ursache überhöhter Strömungsgeschwindigkeiten bei den bekannten Ventilen ist.
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Von den Drosselkanälen 11 gelangt das strömende Mittel tangential
in die Entspannungskammer 9, wo sich ein Wirbel aufbaut, der durch die Strömung
unterhalten wird. Dadurch wird die Strömungsenergie durch Reibung gleichmäßig an
die Wände der Entspannungskammer 9 abgegeben. Die Grenzschichtverhältnisse sind
überall gleich, so daß kein elektrisches Potential mit korrosiver Wirkung auftreten
kann. Insbesondere bilden sich keine Staupunkte aus. Bei Strahlverschleiß hat man
es, abgesehen vom Korrosionserosionsverschleiß, mit Prallverschleiß und Reibverschleiß
zu tun. Bei senkrechtem Anstrahlen ist der Prallverschleiß ausschlaggebend, bei
tangentialem Anströmen der Reibverschleiß. Leider gibt es keinen Werkstoff, der
sowohl prall- als auch reibverschleißfest ist; denn ein sohlcher müßte sehr zäh
und dehnbar und gleichzeitig äußerst hart sein. Erfindungsgemäß wird deshalb dafür
gesorgt, daß der Werkstoff überall nur auf Reibverschleiß beansprucht wird und dafür
ein hartes Material eingesetzt werden kann. Die gewundenen Drosselkanäle 11 mit
den rotationssymmetrischen Entspannungskammern 9 bringen den Vorteil, daß alle Wände
nur auf Reibverschleiß beansprucht werden und deshalb aus dem gleichen harten Werkstoff
bestehen können. Das aber ergibt den weiteren Vorteil, daß keine elektrochemischen
Potentiale durch unterschiedliche Werkstoffe auftreten, was sonst zu Korrosionserosion
führen könnte.
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Aus der Entspannungskammer 9 gelangt das strömende Mittel in die Drosselkanäle
11 der nächsten Drosselstufe. Wegen des nun gewechselten Windungssinnes bleibt der
gesamte Strahlimpuls der vorhergehenden Entspannung in der Entspannungskammer 9
zurück, weil der Impuls ein Vektor ist. Da die Windungsrichtung in jeder Stufe wechselt,
wird überall der Strahlimpuls zurückgehalten. Jede Drosselstufe verarbeitet so ihr
Teilgefälle ohne Druckrückgewinn. Dies gewährleistet niedrigste Strömungsgeschwindigkeiten
mit damit verbundenem günstigem Verschleißverhalten.
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Die letzte Drosselstufe hat als Entspannungsraum den Austrittsraum
10 im Austrittsstutzen 14, an den die Rohrleitung angeschlossen werden kann. Da
das Mittel mit Drall abfließt, befinden sich eventuelle Kavitationsblasen in der
Kernströmung und können auf ihrem weiteren Weg darin zerfallen.
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Wenn an den Austrittsstutzen 14 ein scharfer Krümmer angeschlossen
werden soll, ist es notwendig, darin einen. Wirbelzerstörer vorzusehen, damit die
untere Krümmerwand durch die Wirbelströmung nicht zerstört wird.
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Fig. 2 zeigt in Abwicklung die Anordnung der Drosselkanäle 11 mit
geringer Steigung am Beginn und stärkerer Steigung am Ende. Durch die geringere
Steigung am Beginn bleiben die Drosselkanäle 11 durch die Führungen 8 über einen
weiteren Weg abgedeckt, so daß gerade in Nähe der Schließlage eine gute Regelempfindlichkeit
erzielt wird.
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Fig. 3 zeigt im Querschnitt eine besondere Ausführungsform der Drosselkanäle
11. Durch seitliche Rippen 15 wird die Strömung einseitig behindert. Die Rippen
15 verhindern in ihrem Bereich den Aufbau eines Zentrifugalfeldes. In dem rippenfreien
Teil des Drosselkanals 31 besteht aber bei Durchfluß das der Strömungsgeschwindigkeit
und dem Windungsradius entsprechende Zentrifugalfeld, so daß sich eine starke Sekundärströmung
ausbilden muß. Im freien Teil des Drosselkanals Il bewegt sich das Medium entsprechend
Pfeil 16 radial nach außen, während es im verrippten Teil gemäß Pfeil 17 nach innen
strömt. Die Verhältnisse sind vergleichbar mit denen bei einer Seitenkanalpumpe,
jedoch mit dem Unterschied, daß die dem Laufrad entsprechenden Rippen 15 hier stillstehen,
dafür aber die Strömung durch das vorhandene Druckgefälle vorliegt. Durch die mittels
Rippen 15 erzwungenen Sekundärströmungen wird die Drosselwirkung der Drosselkanäle
11 auf ein Mehrfaches gesteigert und über die ganze abgedeckte Länge der Drosselkanäle
11 verteilt.
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Wegen des in den Entspannungskammern 9 vorliegenden Wirbels ist das
Drosselventil geeignet, zwei oder mehr verschiedene Mittel intensiv zu vermischen.
Wird beispielsweise das erfindungsgemäße Drosselventil nach Fig. 1 zur Entspannung
von Hochdruck-Heißdampf eingesetzt, so kann man durch Leitung 18, Ringraum 19 und
Düsen 20 in die Entspannungskammer 9 vollentsalztes Speisewasser oder Kondensat
einspritzen, um den Dampf zu kühlen. Zweckmäßig wird das Wasser in die erste Stufe
eingespritzt, weil man so mit der Speisepumpe und mit vollem Druck arbeiten kann.
Da das zerspritzte Wasser anschließend noch durch die weiteren Stufen gerissen wird,
findet eine vollständige Verdampfung statt. Die Düsen 20 werden zweckmäßig annähernd
tangential angeordnet.
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Es ist selbstverständlich, daß das erfindungsgemäße Drosselventil
auch hydraulisch betätigt werden kann, insbesondere mit dem Arbeitsmittel selbst.
Dabei kann ein hochdruckseitig angeordneter Kolben über ein Steuerventil mit Leitung
18 verbunden werden, so daß er einerseits ständig mit dem vollen Druck und andererseits
mit dem durch das Steuerventil modifizierten Druck der ersten Entspannungsstufe
beaufschlagt ist. Auf diese Weise schützt das mehrstufige System auch das Steuerventil,
das dann nur noch bei ganz geschlossenem Drosselventil mit dem vollen Druck belastet
ist, bei geöffnetem Drosselventil jedoch nur mit der Druckdifferenz der ersten Drosselstufe.
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Es ist nicht unbedingt notwendig, daß die Drosselkanäle 11 der einzelnen
Drosselstufen gleich sind, auch können die Durchmesser der einzelnen Führungen 8
unterschiedlich sein. Des weiteren ist es möglich, in einzelnen Fällen auf die Sitzfläche
2 und den Gegensitz 3 zu verzichten. Schließlich ist es für die Erfindung bedeutungslos,
ob die Sitzfläche 2 und der
Gegensitz 3 vor der ersten Drosselstufe,
zwischen zwei Drosselstufen oder hinter der letzten Drosselstufe liegen.