DE2554445A1 - Regelventil - Google Patents

Description

Priorität: 3. Dezember 1974, Italien, Nr. 30124-A/74

Die Erfindung betrifft ein Regelventil.

Der Druckabfall eines Fluids durch, ein Regelventil rührt von den Wirbeln her, welche in dem Ventil entstehen.

Je höher die Geschwindigkeit ist, mit welcher das Fluid in dem Ventilkörper und durch die durch die Sitzdichtung gebildete Drosselstelle strömt, um so stärker ist der Druckabfall welcher sich ergibt. In entsprechender Weise ist damit auch der Druckabfall zwischen dem stromaufwärtigen Abschnxtt des Ventils und dem stromabwärtigen Abschnitt des Ventils um so größer, je höher die Geschwindigkeit des Fluids im Ventil ist.

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ORIGINAL INSPECTED

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Eine hohe Geschwindigkeit des Fluids kann zu ernsthaften Störungen Anlaß geben, beispielsweise zu Geräuschen, Erosion und Vibrationen, die in manchen Fällen erträglich sind und in anderen Fällen dazu führen, die Vorrichtung außer Betrieb zu setzen, während in bestimmten anderen Fällen eine Verunreinigung erzeugt wird, die oberhalb von bestimmten Grenzen nicht geduldet werden kann.

Diese Nachteile können vermieden werden, wenn erfindungsgemäße Ventile verwendet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 bis 6 verschiedene Arten von Ventilen, wobei bekannte Ausführungsformen den erfindungsgemäßen Ventilen gegenübergestellt sind.

In den Fig. 1 bis 6 sind einige Typen von Ventilen veranschaulicht, wie sie bisher verwendet werden: dies sind hängende Trimm-Ventile (Fig. 1, 2 und 3)> Ventile mit einer Dichteinrichtung und einem Sitz mit mehreren Stufen (Fig. 4), mit einem Kolbendichtelement und einer Labyrinthdichtung (Fig. 5), mit? einem Kolbendichtelement und einem mehrstufigen Sitz, wie er durch Scheiben mit versetzten Bohrungen erreicht wird (Fig. 6)-

Der Verwendung solcher Ventile sind jedoch die folgenden Grenzen gesetzt: hängende Trimm-Ventile (Fig. 1, 2 und 3)i wie sie von verschiedenen Herstellern auf den Markt gebracht werden, haben folgende Nachteile:

sie bestehen gewöhnlich aus einem einzigen zylindrischen Käfig bzw. Gehäuse, in welchem eine Reihe von Bohrungen angebracht sind, welche, während des Hubes eines kolbenförmigen Dichtelementes freigegeben werden.

Der Widerstand für die Fluidströmung ist größer als derjenige eines Ventils, welches ein parabolisches Dichtelement hat, ist jedoch ungeeignet, wenn hohe Druckabfälle auftreten.

Ventile mit einem Dichtelement und einem Sitz, bei welchem abgestufte Druckabfälle auftreten (Fig. 4), von Masoneulan, haben folgende Nachteile:

das Regelelement hat verschiedene Teile, welche den dynamischen Wirkungen des Fluids ausgesetzt sind, welche schädliche Vibrationen hervorrufen.

Ventile mit einem Kolben als Abdichteinrichtung und Labyrinthsitzen (Fig. 5)j von der Firma Control Components, haben folgende Nachteile:

das Labyrinth wird von sich gegenseitig überlappenden ebenen Scheiben gebildet und die Regelung erfolgt in dem Sinne stufenweise, daß die Zunahme des Durchflusses für jeden Teil des Kolbenhubes erreicht wird, welcher der Dicke einer Scheibe

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entspricht. Um eine allmähliche und kontinuierliche Zunahme des Durchflusses zu erreichen, sollten die Scheiben eine sehr geringe Dicke haben, so daß auch die Höhe des Labyrinths begrenzt ist, wobei dann eine erhebliche Gefahr besteht, daß dieses durch Verunreinigungen verstopft wird, die in dem durchströmenden Fluid stets vorhanden sind.

Ventile mit einem Kolben als Abdichtelement und einem Sitz, welcher viele Stufen aufweist, die mit Hilfe von Scheiben gebildet sind, welche sich gegenseitig überlappende Löcher haben (Fig. 6) von der Firma Parcol, haben folgende Nachteile: auch in diesem Ventil haben die Scheiben eine begrenzte Dicke und der Strömungsweg für das Fluid wird sowohl in der vertikalen als auch in der horizontalen Richtung erschwert, und zwar durch nicht-perforierte Scheiben.

Der für das Fluid verfügbare Weg bietet einen geringen hydraulischen Widerstand, und die Verstopfungsgefahr ist dieselbe wie bei dem Ventil gemäß Fig. 5·

Aufgabe der Erfindung ist es, eine (einstellbare) Einrichtung zu schaffen, welche derart ausgebildet ist, daß damit die Geschwindigkeit des Fluids steuerbar bzw. regelbar ist, ohne daß die oben beschriebenen Nachteile der herkömmlichen Ventile auftreten. Zur Lösung dieser Aufgabe werden konzentrische Käfige verwendet, indem die Idee angewandt wird, einen Druckabfall durch die Reibung des Fluids an festen Wänden und das

gegenseitige Aufeinandertreffen von Fluidbändern zu erzeugen. Gemäß Pig. 11 weist eine bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes als Dichtelement einen Kolben auf, der in einem System von Käfigen gleitbar angeordnet ist, welche durch eine Vielzahl von konzentrischen Zylindern gebildet werden. Diese Zylinder haben Bohrungen, welche durch die innere Umfangswand entlang dem Umfang hindurchgeführt sind, und zwar in Ebenen, die parallel und senkrecht zu der Achse des Dichtelementes angeordnet sind. Solche Bohrungen haben einen Durchmesser, der von dem ersten inneren Zylinder bis zu dem letzten äußeren

Zylinder zunimmt» wobei die Bohrungen mit Nuten oder Kanälen in Verbindung stehen, die auf dem äußeren Umfang desselben Zylinders entlang dem Umfang angeordnet sind, und zwar in denselben Ebenen wie die Bohrungen, und welche während des Kolbenhubes allmählich und kontinuierlich freigegeben werden.

Die Anordnung jedes Zylinders in bezug auf den nächsten Zylinder ist derart gewählt, daß Labyrinthwege erzeugt werden, von denen jeder in einer einzelnen Ebene liegt, durch welche sich das Fluid ausbreiten kann, wobei auf diese Weise der größere Teil seiner kinetischen Energie verbraucht wird. In den Fig. 7 und 8 sind in jeweils einem Querschnitt zwei Regelventile dargestellt, mit welchen die Geschwindigkeit eines Fluids einstellbar ist, und zwar mit Hilfe von Käfigen, die durch konzentrische Zylinder der oben beschriebenen Art gebildet werden, wobei ein Käfig einen geraden Weg und der andere einen winkligen Weg aufweist, während die Fig. 9 und 10 einen Vertikalschnitt

bzw. einen Horizontalschnitt der entsprechenden Einstelleinrichtung veranschaulichen.

Der Fluidweg in einem Schnitt senkrecht zu der Achse des Dichtelementes ist in der Fig. 10 veranschaulicht (in einem Querschnitt entlang der Linie x-x der in der Fig. 9 dargestellten Einstelleinrichtung).

Während das Dichtelement 1 im Inneren des Zylinders und der Sitzanordnung verschoben wird, werden eine st.ets zunehmende Anzahl von Bohrungen 3 freigegeben.

Das Fluid, welches aus den Bohrungen 3 des ersten Zylinders austritt, wird in Strahlen von entgegengesetzten Eichtungen unterteilt, welche auf die Fluidbänder 5 auftreffen, die in entgegengesetzter Richtung strömen. Anschließend tritt das
Fluid in die Bohrungen 6 des folgenden Zylinders ein und so weiter, bis es aus dem letzten Zylinder 7 austritt.

Das Auftreffen des Fluids auf die Wände des Ventilkörpers 8 (Fig. 7) ist minimal, weil der weitaus größere Teil der in
der Fluidströmung enthaltenen kinetischen Energie durch die Reibung innerhalb der Einstelleinrichtung in Wärme umgewandelt wurde.

Gemäß den obigen Ausführungeformen ist die Ausdehnungsebene des Fluids senkrecht zu der Zylinderachse. Aus diesem Grunde

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begrenzen die Flügel 9, welche auf jedem Zylinder ausgebildet sind, die Ausdehnung in der vertikalen Richtung in der Weise, daß der Druckabfall aufgrund der nachfolgenden Käfige konstant ist und zu der Hublänge des Dichtelementes proportional sind. Dadurch wird es ermöglicht, vorgegebene Viderstandswerte einzustellen, welche in Abhängigkeit von der Anzahl der Zylinder wählbar sind, und zwar als Funktion der Hublänge des Dichtelementes.

Diese Wegkonfiguration ermöglicht hohe Druckenergieverluste, ohne daß die Notwendigkeit von stark verengten Drosselstellen besteht, so daß die Gefahr der Verstopfung der Regeleinrichtung überwunden ist.

Zusätzlich zu den oben bereits ausgeführten Vorteilen ist durch die Erfindung eine weitere Anzahl von Vorteilen erreichbar: a) geringer Rauschpegel.

Die Art des Geräusches und die Parameter, welche den Geräuschpegel bestimmen, sind eine Funktion der mechanischen Energie und des akustischen Wirkungsgrades. Im Falle der erfindungs- ■ gemäßen Anordnung ist der Wirkungsgrad sehr niedrig, und zwar aus den Gründen, daß der erneute Druckanstieg gering ist und daß die spezielle geometrische Konfiguration der erfindungsgemäßen Einrichtung eine Dämpfungswirkung hat und die Ausbildung von starken Stoßwellen nicht gestattet.

Ein geringer akustischer Wirkungsgrad bedeutet, daß nur ein kleiner Prozentsatz mechanischer Energie in akustische Energie umgewandelt wird. Wenn zu dieser Eigenschaft die Möglichkeit hinzukommt, die Geschwindigkeit des Fluides zu steuern, in welchem die mechanische Energie enthalten ist, so führt dies zu dem Ergebnis, daß es möglich ist, ein Einstellventil mit einem konzentrischen Käfig zu bauen, dessen Arbeitsweise auf einen beliebig niedrigen Geräuschpegel begrenzt ist.

b) dynamische Stabilität:

Die dynamische Stabilität ist außerordentlich gut, und zwar aufgrund der geometrischen Konfiguration des Dichtelementes, welches als einfacher zylindrischer Kolben ausgebildet ist, der in dem innersten Käfig geführt ist. Diese symmetrische Anordnung ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der Fluidströmungen auf der Berührungsfläche.

Auf diese Weise werden diejenigen Momentenveränderungen vermieden, welche durch Unsymmetrieeffekte auftreten, und durch Verdrehung oder Rotation hervorgerufene Unsymmetrien sind gänzlich ausgeschlossen. Dies führt zu einem wesentlichen Vorteil, weil Servomotoren mit geringerer Leistung verwendet werden können, was zu Einsparungen führt, während zugleich eine zufriedenstellende Regelung erreicht wird.

c) großer Arbeitsbereich: (Kapazität der Durchflußregelung) Der Arbeitsbereich- ist festgelegt als das Verhältnis zwischen

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dem Durchfluß bei voll geöffnetem Ventil und dem minimal einstellbaren Durchfluß.

Bei einem Ventil mit einem einzigen Sitz und mit einem Dichtelement, welches auf dem oberen und dem unteren Schaft geführt ist, ist zwischen dem Sitz und der Dichtfläche ein minimaler Abstand erforderlich, um die freie Beweglichkeit zu gewährleisten. Wenn das Dichtelement eine zylindrische Form hat und direkt im Sitz geführt werden kann, wie es gemäß der Erfindung der Fall ist, sind die Abstände beträchtlich .vermindert, und dadurch wird auch der minimale einstellbare Durchfluß vermindert.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht somit einen größeren Arbeitsbereich in bezug auf herkömmliche entsprechende Einr i chtung en.

d) lange Betriebslebensdauer:

Die Stärke des abgetragenen Materials und somit die Erosion ist direkt proportional zu der dritten Potenz der Geschwindigkeit, Somit kann im Hinblick darauf, was oben in bezug auf die Möglichkeit der Steuerung der Geschwindigkeit in der erfindungsgemäßen Einrichtung bereits ausgeführt wurde, die Erosion praktisch vollständig unterdrückt werden.

Durch Vermeidung von Vibrationen und anderen Ursachen, welche eine stärkere Abnutzung hervorrufen, wird die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Einrichtung weiter verbessert.

Wenn die Arbeitsbedingungen dieselben sind, kann durch Vergleich eines Einsteilventils mit entsprechender Kontur einerseits und eines Einstellventils mit Mehrfachkäfigen andererseits abgeschätzt werden, daß die Lebensdauer des ersten Käfigs der erfindungsgemäßen Einstelleinrichtung (des am stärksten belasteten Käfigs) zwischen 8 und 10-mal langer ist, während für die folgenden Käfige die Abnutzung praktisch gleich Null ist.

e) Aufwand für Wartung und Reinigung:

Es hat sich gezeigt, daß der strömungsdynamische Widerstand · nicht nur von der Gleitreibung über den Metalloberflächen der Einstelleinrichtung abhängt, sondern auch von dem Auftreffen der Fluidbänder oder Strömungsfäden, welche aus den verschiedenen öffnungen austreten und in neue Durchgangsquerschnitte hineingeführt werden, zusätzlich zu den plötzlichen "Veränderungen im Strömungssinn und in der Strömungsrichtung. Dies führt zu dem Ergebnis, daß trotz des hohen Widerstandes in der Vielfachkäfig-Einrichtung die Durchgangsquerschnitte Bohrungen sind, deren Fläche ausreichend groß ist, um die Gefahr der Verstopfung und des Ansatzes zu vermeiden, und zwar selbst dann, wenn ein Fluid verwendet wird, welches für solche Nachteile kritisch ist.

f) großer Anwendungsbereich:

Die Vielfachkäfig-Einstelleinrichtung kann ohne Veränderung des Ventilkörpers in fast alle Typen von Regelventilen eingesetzt wer'den. -

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In den Fig. 7, 8 und 12 sind schematisch einige Ventilkörper dargestellt, in welche die erfindungsgemäße Einstelleinrichtung eingesetzt werden kann.

g) zufriedenstellende Dichtigkeit und Abgleichmöglichkeit: Die Dichtheit der in Präge stehenden Einstelleinrichtung ist dieselbe wie-diejenige eines Ventils, in welchem sie eingebaut ist. Wenn eine einwandfreie Dichtheit erforderlich ist, können spezielle Lösungen vorgesehen werden, beispielsweise kann ein Weicheinsatz verwendet werden. Wenn bei Ventilen mit einem einzigen Sitz ΔΡ und die Durchgangsquerschnittsfläche derart gewählt sind, daß Hochleistungs-Servomotoren erforderlich sind oder sogar nicht tragbar sind, wird auf einen entsprechenden Ausgleich des Dichtelementes zurückgegriffen. Bei einem Mehrfachkäfig-Einstellventil kann das Dichtelement statisch ausgeglichen werden, und zwar sowohl durch einen inneren Ausgleich für Arbeitstemperaturen von -190 ⁰C bis 230 ⁰C als auch durch einen äußeren Ausgleich für Temperaturen bis zu 600 C.

h) Unterhaltung und leichter Zugang:

Sowohl der Zusammenbau als auch die Zerlegung sind außerordentlich einfach. Es gibt kein Verschweißen des Teiles oder keine starre mechanische Verbindung, und der Zusammenbau erfolgt durch genaue Passungen. Dadurch wird eine Inspektion während einer vorbeugenden Wartung erleichtert, und es ergeben sich beträchtliche Einsparungen an Arbeitskosten.

- Patentansprüche -

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Claims (3)

1. - -12 -

   Patentansprüche

   M-/Regelventil mit einem Körper und einem Dichtelement, welches als Kolben ausgebildet ist und welches in einem System von zylindrischen Käfigen gleitbar ist, die mit Bohrungen ausgestattet sind, welche während des Kolbenhubes allmählich und kontinuierlich freigebbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das System aus zylindrischen Käfigen, in welchem der Kolben gleitet, aus einer Mehrzahl von konzentrischen Zylindern gebildet ist, welche mit Bohrungen ausgestattet sind, welche durch den inneren Mantel hindurchgeführt sind, entlang dem Umfang, wobei die Bohrungen in parallelen Ebenen angeordnet sind, welche senkrecht zu der Achse des Dichtelementes liegen, daß die Bohrungen mit horizontalen Nuten oder Kanälen in Verbindung stehen, welche auf dem äußeren Mantel desselben Zylinders angeordnet sind, entlang dem Umfang, welcher in denselben Ebenen der Bohrungen liegt, so daß durch Überlagerungen der Zylinder in konzentrischer Anordnung Labyrinthwege gebildet werden, von denen jeder in einer einzelnen Ebene angeordnet ist, und daß durch die Labyrinthwege das Fluid entspannbar ist, welches von dem stromaufwärtigen Teil zu dem stromabwärtigen Teil des Dichtelementes strömt, wobei der größte Teil der kinetischen Energie des Fluids verbraucht wird.
2. 2. Regelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Bohrungen und der Kanäle, welche in den konzentrischen Zylindern der Käfige ausgebildet sind, als Funktion der Geschwindigkeit und des Druckabfalles des Fluids durch das Ventil dimensioniert sind.
3. 3. Kegelventil nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement sowohl intern als auch extern ausgeglichen ist.

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