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Rückschlagklappe mit Druckmittelantrieb, insbesondere für Großrohr-Flüssigkeitsleitungen
Die Erfindung betrifft eine Rückschlagklappe, insbesondere für Großrohr-Flüssigkeitsleitungen,
mit einer die Leitung exzentrisch durchquerenden Welle und mit einem mit der Welle
verbundenen Differentialkolben, dessen deckelseitige, vordere Kolbenfläche in ständiger
offener Verbindung mit der Leitung steht.
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Rückschlagklappen für Rohrleitungen, die mittels einer von dem Druckmittel
in der Rohrleitung beaufschlagten Kolben-Zylindervorrichtung gesteuert werden, sind
in verschiedenen Ausführungen bekannt. Bei einer bekannten Rückschlagklappe, die
um eine die Rohrleitung exzentrisch durchgreifende Welle verschwenkbar ist und zur
Steuerung der Stellbewegungen einen vom Druck in der Rohrleitung beaufschlagten
Differentialkolben aufweist, steht die stopfbüchsenseitige Kolbenfläche des Differentialkolbens
in Verbindung mit dem in Strömungsrichtung vor der Klappe gelegenen Teil des Gehäuses,
während die deckelseitige Kolbenfläche des Differentialkolbens mit dem hinter der
Klappe gelegenen Teil des Gehäuses verbunden ist. Die erstgenannte Verbindung wird
durch den Kolben kurz vor Erreichen dieser einen Endstellung geschlossen, mit der
Wirkung, daß die Klappe langsam auf ihre Dichtfläche aufsetzt. Ein kleines Rückschlagventil
überbrückt beim Öffnen der Klappe diese Selbstsperrung des Kolbens, so daß die Klappe
nach dem Auftreten eines Strömungsdruckes in der Rohrleitung schnell öffnet. Würde
das Rückschlagventil fehlen, so bestünde die Gefahr einer Kavitation hinter der
kleineren Kolbenfläche.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rückschlagklappe der
eingangs genannten Art zu schaffen, die nicht nur langsam aufsetzt, sondern auch
langsam abhebt, ohne daß hierbei Kavitationsgefahr besteht. Eine solche Klappe wird
vor allem im Zusammenhang mit Flüssigkeitspumpen, z. B. Großpumpen der Wasserversorgung,
benötigt, da solche Pumpen erst nach ihrem vollständigen Anlauf fördern sollen.
Es ist daher erforderlich, daß die selbsttätige Steuerung der Rückschlagklappe dieser
Forderung durch ein verzögertes Öffnen Rechnung trägt.
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Die Erfindung kennzeichnet sich durch die gleichzeitige Anwendung
der an sich bekannten Merkmale, daß a) die Verbindung der vorderen Kolbenfläche
mit der Leitung an dem in Strömungsrichtung vor der Klappe gelegenen Teil des Gehäuses
angeschlossen ist, daß b) die hintere Kolbenfläche in der hinteren Kolbenendstellung
einen nahezu geschlossenen Zylinderraum begrenzt und daß c) zwischen den beiden
Kolbenflächen eine Verbindung besteht, die in der der Offens.tellung der Klappe
entsprechenden vorderen Kolbenendstellung offen ist, in der hinteren Kolbenendstellung
geschlossen ist und kolbenwegabhängig allmählich schließt und öffnet.
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Bei einer solchen Klappe wirkt also der sich vor der geschlossenen
Klappe aufbauende Pumpendruck durch .die exzentrische Lagerung der Klappe öffnend
auf die Klappe, wobei jedoch der Kolben in der Lage ist, diesem Öffnungsmoment ein
starkes Gegenmoment entgegenzusetzen, so daß die Klappe besonders im Anfangsstadium
des Öffnungsvorgangs langsam, dann aber allmählich schnell öffnet. Durch den Druckzustand
vor der größeren Kolbenfläche ist .die Kavitationsgefahr hinter der kleineren Kolbenfläche
vermindert. Außerdem wird durch die Druckbelastung der größeren Kolbenfläche ein
Gegenmoment erzeugt. Das stark verzögerte Abheben der Klappe von ihrem Dichtsitz
ist nur dann sinnvoll, wenn das Gegenmoment nicht plötzlich, sondern allmählich
reduziert wird. Zu diesem Zweck besteht die kolbenwegabhängige allmähliche Öffnung
der Verbindung der beiden KOlberiflächen.
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Vorteilhaft ist ferner, daß auch beim Schließen der Klappe die Verzögerung
der Schließbewegung nicht plötzlich erfolgt. Hierdurch werden Wasserschläge mit
Sicherheit vermieden. Im Schließzustand wird auf die erfindungsgemäße Rückschlagklappe
ein Anpreßdruck ausgeübt, während im Öffnungszustand die Klappe in einer strömungsabhängigen
Schrägstellung gehalten wird, wobei sie auch nach längerer Betriebszeit schaltempfindlich
gegenüber Änderungen der Strömung bleibt.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen,
die nur in Verbindung mit dem Hauptanspruch geltend gemacht werden.
Gemäß
einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rückschlagklappe kann so die Zylinderwand
mit einer Anzahl von Nuten versehen sein, die von der Deckelseite des Zylinders
ausgehen und verschiedene Längen aufweisen. Bei Verwendung eines baulich und betrieblich
besonders einfachen, ringlosen Kolbens, der seiner Art nach undicht ist, ist es
zweckmäßig, die längste der Nuten nur bis zu etwa ein Viertel bis ein Drittel des
Endes des Hubweges der stopfbüchsseitigen Kolbenkanten zu führen. Man kann die kölbenwegabhängige
Verbindung der beiden Kolbenflächen auch durch einen leicht konischen Zylinder erreichen,
muß dann aber in Kauf nehmen, daß der Zylinder keine Führungskräfte mehr auf den
Kolben ausübt.
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In. der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert.
Sie zeigt schematisch in Ansicht, teilweise geschnitten, eine Rückschlagklappe einer
Großrohrleitung mit Differentialkolben.
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In einem mit Anschlußflanschen versehenen Klappenventilgehäuse 1 ist
auf einer Welle 2 eine Rückschlagklappe 3 befestigt. Die Welle durchdringt das Gehäuse
in bekannter Weise exzentrisch, so daß die Klappe wegen der ungleichen Flügellängen
selbsttätig öffnet, wenn gemäß der Strömungsrichtung 4 vor der Klappe ein höherer
Druck als hinter der Klappe besteht. Wie weiter bekannt ist, sitzt auf dem Zapfen
der Welle 2 ein Zahnradsegment 5, das mit einer an einer Kolbenstange 6 angeschlossenen
und durch eine Rolle 7 gegen Abheben gesicherte Zahnstange 8 kämmt. An einem in
der Zeichnung angedeuteten Getriebegehäuse 9 ist in ebenfalls bekannter Weise ein
Zylinder 10 mit Deckelseite 11 und Stopfbüchsseite 12 befestigt. Ein mit Gleitspiel
in den Zylinder eingepaßter ringloser Kolben 13 ist durch einseitigen Anschluß der
Kolbenstange 6 ein Differentialkolben.
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Das Gehäuse 9 steht mit der umgebenden Luft in Verbindung, ist also
drucklos. Die Deckelseite 11 des Zylinders steht durch eine an dem in Strömungsrichtung
4 vor der Klappe 3 gelegenen Teil des Gehäuses 1 angeschlossene Verbindung 14 unter
dem Druck der Leitung vor der Klappe.
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In die Zylinderwand sind der Längsnuten 15, 16, 17 eingefräst. Sie
können gemäß der Zeichnung eng nebeneinander liegen oder über den Umfang gleichmäßig
verteilt sein. Die Nuten beginnen am deckelseitigen Ende des Zylinders und haben
verschiedene Längen. Die längste von ihnen, die Nut 17, endet etwa 1/4 bis 1/s vor
dem stopfbüchsseitigen Ende des Hubes der hinteren Kolbenfläche 13a. Die Nut 16
mittlerer Länge endet etwa auf der Hälfte des Hubes h und die kürzeste Nut 15 etwa
bei 1/a des deckelseitigen Endes des Hubes.
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An die Stelle der Längsnuten können zur Vermeidung mitunter umständlicher
Fräsarbeit überbrückungsröhrchen treten. Diese Röhrchen - z. B. ebenfalls drei -
sind am Zylinderdeckel oder an dem Verbindungsrohr 14 angeschlossen. Ihr anderes
Ende durchdringt den Zylinder von außen nach innen an denjenigen Stellen, an denen
sich sonst die Enden der Längsnuten 15 bis 17 befinden.
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Bei einer Strömung in Pfeilrichtung 4 befindet sich die Klappe in
der strichpunktiert gezeichneten Stelltmg 3'. Der Kolben übt auf die Welle eine
Kraft aus, die versucht, die Klappe zu schließen; denn die vordere und wegen der
hier mit dem Gleitsitz beabsichtigten. Undichtheit des Kolbens auch die hintere
Kolbenfläche 13 a stehen unter dem überdruck der Leitung gegenüber dem Druck der
Umgebungsluft, während die Kolbenstangenfläche in dem Sinne drucklos ist. Infolge
dieser Schließtendenz des Kolbens nimmt die Klappe in der Offenstellung 3' eine
leichte Schräglage ein, und zwar im Gleichgewicht der öffnenden und schließenden
Momente. Die Schräglage wird im Sinne zunehmender Schließung immer größer, je kleiner
die Strömungsgeschwindigkeit 4 ist. Während aber in der Ganzoffenstellung der Klappe
die Undichtheit des Kolbens durch die Wirksamkeit aller drei Nuten 15 bis 17 groß
ist, folgt die Klappe irgendeiner kleinen Änderung der Strömungsgeschwindigkeit
sehr schnell. Die Klappe bleibt durch die hierdurch erzeugten kleinen Atembewegungen
auch dann bei längerem Dauerbetrieb mit nur wenig schwankendem Durchfluß schaltempfindlich.
Das heißt,- sie -- korrodiert nicht in - den Lagerungen .oder setzt .sich. in irgendeiner
anderen Weise, die die Funktion'--der Rückschlagklappe gefährdet, im Dauerbetrieb
fest.
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Bei stärkerer Schrägstellung der Klappe. wirkt der Kolben progressiv
-mit dem -- Kolbenhub stärker dämpfend; denn die Längsrauten kommen nacheins
ander außer Wirkung. Das heißt, die Verbindung zwischen den beiden Kolbenflächen
schließt sich mehr und mehr. Kürz vor dem vollständigen Schließen der Klappe besteht
nur noch die verhältnismäßig kleine Undichtheit am Kolbenumfang. Sie ist bei für
die Verhinderung einer Verklemmung ausreichend großem Gleitspiel klein genug, die
Klappe, die ja schon verhältnismäßig früh vorgebremst wird, ganz langsam auf den
Dichtsitz des Gehäuses aufzusetzen. Die Bremsung der Klappe setzt also nicht plötzlich
sondern allmählich ein, wodurch keinerlei Gefahr mehr für die Entstehung von Wasserschlägen
in der Leitung besteht.
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Beim Öffnen der Klappe durch einen sich entsprechend Pfeilrichtung
4 aufbauenden Druck tritt sofort über die Verbindung 14 und über die vordere Kolbenfläche
13 b ein die selbsttätige Drehbewegung der Klappe bremsendes Moment auf. Dieses
Gegenmoment wird erheblich -verstärkt durch den Sog der hinteren Kolbenfläche 13
a. Dieser Sog wird aber durch das unter großem. überdruck am undichten Kolben vorbeiströmende
Wasser od. dgl. nicht so klein, daß Kavitation auftritt. Erst allmählich, d. h.
mit fortschreitendem Kolbenweg und damit zunehmender Öffnung der Verbindung beider
Kolbenflächen über die Längsschlitze 17 bis 15 wird der Sog kleiner, und die Klappe
geht schließlich schnell in ihre volle Öffnungsstellung über, sofern in der Leitung
eine entsprechend starke Strömung einsetzt.
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Dieser zu Beginn stark verzögerte und sich allmählich beschleunigende
Öffnungsvorgang ist vor allem bei Rückschlagklappen im druckseitigen Anschlußstutzen
von großen Kreiselpumpen wichtig. Die Pumpe kann ohne irgendeinen Steuereingriff
im Leerlauf, d. h. bei der Fördermenge Null anlaufen. Die Verhältnisse im Zylinder
können leicht so bemessen werden, daß .die Förderung der Pumpe allmählich erst dann
einsetzt, sobald sie die Leerlaufdrehzahl erreicht hat.
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Der Kolben kann auch ein mit Kolbenringen versehener Kolben sein.
Dann aber benötigt er eine durchgehende Bohrung als »Undichtheit« im Zustand kurz
vor Erreichen des Endpunktes. Oder ein zusätzliches Röhrchen, das den Zylinder unmittelbar
am
stopfbüchsseitigen Ende durchdringt und zur Deckelseite des Zylinders
führt, bleibt ständig offen. Die Bohrung bzw. das Röhrchen kann eine Einstellschraube
od. dgl. erhalten. In einer solchen Ausführung läßt sich sehr genau eine solche
Undichtheit des Kolbens einstellen, daß .der Sog entweder kurz vor der Kavitationsgrenze
liegt und auf den (Öffnungsvorgang der Klappe besonders stark verzögernd wirkt.
Es kann aber auch bei Anpassung an eine schnell anlaufende Pumpe der Sog durch entsprechende
Minderung der Drosselung der Bohrung bzw. des Röhrchens weniger groß gehalten werden.