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Geräuscharme Druckminderungs- und Auslaufventile für Flüssigkeiten
Die Erfindung betrifft Druckminderungs- und Auslaufventile für tropfbare Flüssigkeiten,
deren gemeinsames Merkmal der relativ hohe Druckunterschied ist, unter denen sie
in der Regel arbeiten müssen.
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In Abb.1 ist, losgelöst von den durch das Gehäuse auf erlegten Grenzen
und den aadurch bedingten SeXundärströmungen, die Strömungsform der aus dem Ringspalt
zwischen Ventilteller a und dem Ventilsitz b austretenden Flüssigkeit dargestellt.
Diese Strömungsform ist von der Art der Flüssigkeit unabhängig un daher nicht auf
Wasser beschränkt. Die daraus nachstehend abgeleiteten Schlussfolgerungen und Erfindungsansprüche
sind daher nicht nur bei Auslaufventilen für Wasserleitungen, sondern ebenso bei
allen Druckminderungsventilen für tropfbare Flüssigkeiten aller Art anwendbar. Beim
Austritt des scheibenförmigen Ringstrahles aus der Drosselstelle wird dieser durch
turbulente Mischung mit der von oben und unten zuströmenden Flüssigkeit in zunehmendem
Masse abgebaut. In den turbulenten Wirbelkernen entstehen zunächst mit Dampf gefüllte
Hohlrsume- Kavitation - welche durch den seitlich unbegrenzten Zustrom von Flüssigkeit
aufgefüllt werden. Die dabei auftretenden Geräusche bleioen gering und stören wegen
ihrer niedrigen frequenzen das menschliche Ohr nur wenig.
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Ganz anders werden die Strömungszustände, wenn der Tosraum c aus
praktischen und wirtschaftlichen Gründen beschränkt werden muss.
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Die maximalen Abmessungen der zur Zeit bekannten Reduzierventile und
Auslaufhähne sind in Abb.1 gestrichelt eingezeichnet.
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Bei einer derart drastischen Beschränkung des Tosraumes wird die Sekundärströmung
derart unterbunden, das die nit Dampf gefüllten Wirbelhohlräume nicht mit Flüssigkeit
aufgefüllt werden können und an denviel zu nahen Wänden zusammenstürzen. Dabei entstehen
harte unelastische Stösse, die von Ohr als sehr störenae hochfrequente Zischgeräusche
empfunden werden. Zwar lässt sich die Hohlraumbildung in bekannter Weise durch Erhöhung
des Druckes im Tosraum mittels eines nachgeschalteten Strömungswiderstandes teilweise
unterdrücken. Dies wird aber mit einer unwirtschaftlichen Verminderung der Ventilkapazität
erkauft.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ohne den Tosraum unwirtschaftlich
gross zu machen alle praktisch möglichen geometrischen Beziehungen und Formgebungen
von Tosraum und Ventilsitz auszuschöpfen, um ein Höchstmass von Geräuschverminderung
zu erreichen.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, den Durchmesser DT
des Tosraumes c mindestens so gross zu machen, dass die gesamte Kernenergie des
scheibenförmigen Ringstrahles noch vor dem Auftreffen auf die Gehäusewand durch
Vermischung mit der zuströmenden Flüssigkeit bei gleichzeitiger Auffüllung der Hohlräume
vollständig abgebaut wird. Die radiale Entfernung dieses Ortes von der Entstehungsstelle
des Ringstrahles ist nach der turbulenten Mischungstheorie, die experimentell gut
verankert ist, der anfänglichen Strahldicke proportional. Bei einer bestimmten Teilöffnungstellung
h des Ventil es beginnt sich der Ringstrahl vom Ventilsitz abzulösen, weil dann
der Durchflussquerschnitt #D2h den Querschnitt des Zuleitungsrohres vom Durchmesser
D1
überschreitet. Es ist die Vemtilöffnung bei der ist wesentlichen schon die Höchstdurchflussmenge
erreicht wird, welche sich bei weiterer Öffnung nicht mehr ändert, da die Strahldicke
# konstant bleibt. In Abb.1 sind die Strömungsformen sowohl bei diesem kritischen
als auch bei voll-em Ventilhub hm dargestellt. Aus dem oben Gesagten geht hervor,
dass Qer kritische Mindesttosraum-Durchmesser bei Anwenwendunz des turbulenten Mischungsmechanismus
durch die Durchmesser des Zuleitungsrohres D1 und des Ventiltellers D2 bestimmt
ist. Erfindungsgemäss wird der Tosraum so gross gemacht, dass nachfolgende Bedingung
über seine gesamte axiale Erstreckung erfüllt ist:
Die Beachtung dieser Bedingung liefert Tosraumdurchmesser, die einen vollständigen
Abbau der Strömungsenrgie des Rincstrahles bis zur Berührung mit der Gehäusewand
geräuscharm ermöglichen. Dies setzt voraus, dass er zur Auffüllung der Hohlräume
notwendige seitliche Zustrom von Flüssigkeit nirgends merklich gehindert wird. Die
obige Relation-ist also zwar eine notwendige aber noch nicht hinreichende Bedingung
um die Unterdrückung der Geräusche voll wirksam zu machen. Bei der üblichen Ausbildes
Ventiloberteiles, welches den Ventilteller tragt, wird die seitliche Zuströmung
bei den erfindungsgemässen Tosraumabmessungen kaum behindert. Fast kein oder nur
ungenügender Raum ist bisher auf der Ventilsitzseite fü,r den ungehinderten Zustrom
von Auffüllflüssigkeit vorgesehen worden. Erfindungsgemäss genügt ein zusätzlicher
Tosraum unterhalb er Austrittskante des Zulaufrohres von der Mindesthöhe H # 0,5
D1
Der Erfindungsgedanke ist somit-durch die gleichzeitige Erfüllung
der zwei obigen Beziehungen formuliert. Es sind im wesentlichen untere Grenzen,
die nicht unterschritten werden dürfen, soll das Ventil geräuscharm sein.
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Die bisherigen Betrachtungen beziehen sich auf erfindungsgemasse
Massnahmen zur Geräuschverminderung für Ventilstellungen vom Beginn der Strahlablösung
bis zur grössten Durchflussöffnung hm. Es ist dies der Bereich in welchem das Ventil
die Höchstinenge durchlässt. Im folgenden werden die Strömungsverhältnisse bei Ventilöffnungen
beschrieben, die kleiner sind als die maximal mögliche Ringstrahldicke S . Bei solchen
Ventilöffnungen ist also der Ringstrahl selbst noch nicht vom Ventilsitz abgelöst.
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Die Durchflussmengen liegen dann unterhalb des Höchstwertes.
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Zwar wird allgemein die Grundforderung erfüllt eine Abrundung des
inneren Randes des Einlaufrohres - r4 in Abb.3 - vorzusehen.
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Dadurch soll eine örtliche Ablösung und Wiederanlegung der Strömung
an der Innenkante bei kleinen und mittleren Ventilöffnungen verhindert werden. Die-bisher
üblichen Abrundungsradien übersteigen aber kaum ein Achtel des Durchmessers des
Einlaufrohres. Mit solch schwachen Abrundungen lassen sich aber bei den hohen Geschwindigkeiten
örtliche Ablösungen und Wiederanlegung durch Hohlraumbildung nicht vermeiden. Die
Folge davon sind Geräuschspitzen, die bei Ventilen bekannter Bauart den Geräuschpegel
bei der Höchstdurchflussmenge beachtlich überschreiten. Um den soeben beschriebenen
unerxünschten Strömungsmechanismus zu verhindern, wird erfindungsgemäss der Abrundungsradius
r4 so gross gemacht, wie die geometrischen Abmessungen des Zulaufrohres unter Vors
ehung einer endlichen ebenen Dichtungsfläche zulassen. In Abb.3 entsprechen die
Raaienverhsltnisse r2/r1 und r3/r1 etwa denen der handelsüblichen Ventile. Unter
diesen Bedingungen kann ein
Mindestradius r4 von drei Achtel des
Rohradius r1 ausgeführt werden. Mit wachsendem Krümmungsradius lasst sich die Dichtungsflache
entsprechend verkleinern ohne dass eine bleibende Verformung der Dichtungsscheibe
d befürchtet werden muss. Wenn man berücksichtigt, dass das heute erhältliche Dichtungsmaterial
einen hohen Widerstand gegen bleibende Verformungen aufweist, und in die Ventiloberteile
eingebaute Verschleissbremsen die Dichtungspressungen wirksam und zuverlässig begrenzen,
dann kann man den Aussendurchmesser des Einlaufrohres D3 gleich dem Durchmesser
D2 der Dichtungsscheibe machen. Man erhalt auf diese Weise den grösstmöglichen Krümmungsradius
r4 = r2 ~ r1 Der Erfindungsbereich lässt sich somit durch die Beziehung r2 - r1
# r4 # 3/8 r1 Da die Strömungsgeschwindigkeit vom Rohreinlauf bis zur Austrittskante
stetig zunimmt, und die absoluten Drücke entsprechend fallen, ist die Gefahr der
örtlichen Hohlsogbildung nahe der Austrittskante grösser und macht dort eine Vergrösserung
des Krümmungsradius über r4 = r2 - r1 wünschenswert. Der Idealfall wäre eine Parabelkontur,
bei welcher der Krümmungsradius mit dem Abstand von der inneren Rohrwand stetig
zunimmt.
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Im Hinblick auf eine ebene Dichtungsfläche ist es erfindungsgemäss
vorteilhafter den Ventilsitz mit zwei Bögen von verschiedenen Radien zu begrenzen,
wie dies an dem vergrösserten Ausschnitt der Abb.3 demonstriert ist.
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Wie eingangs bereits ausführt, lassen sich die Erfindungsgedanken
nicht nur bei Auslaufventilen sondern auch bei Drucki:iinderungsventilen analog
verwirklichen. Ein erfindungsgemässes Druckminderungsventil ist in Abb.4 dargestellt.