DE2602498C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Hubventil, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem solchen Hubventil, das aus der BE-PS 8 19 977 bekannt ist, wird die Strömung durch ein membranbetätig­ tes, federbelastetes Ventilglied gesteuert. Bei diesem Hubventil wird die axiale Bewegung des Ventilgliedes durch die zulässige Ausbiegung einer metallischen Membranschei­ be begrenzt, die hermetisch den Ventilschaft vom Ver­ schlußglied und der Ventilsteuerkammer trennt. Um einen übermäßig großen Druckabfall am Ventilsitz zu verhindern, der normalerweise durch diese begrenzte Bewegung auftre­ ten würde, ist ein hochwirksamer ringförmiger Diffusor­ kanal zwischen einer konischen Oberfläche strom­ ab des Ventilsitzes ausgebildet. Dieser Diffusorkanal verhindert, daß mit hoher Geschwindigkeit strömende fluide Medien sich zu schnell ausdehnen und dadurch Druck verlo­ rengeht.

Durch einen solchen Diffusorkanal wird zwar ein gewisser Fortschritt gegenüber bekannten Ventilen mit geringem Hub erzielt, es wurde jedoch festgestellt, daß unter bestimm­ ten hohen Strömungsraten eine hydrodynamische Schließkraft auf das Ventilglied ausgeübt wird, die durch den vermin­ derten Druck im Diffusorkanal entsteht. Je nach der Feder­ vorspannung des Ventilgliedes zur Membran hin und der Strömungsgeschwindigkeit durch den Diffusorkanal kann die resultierende Kraft am Ventilglied dieses in eine nur teilweise geöffnete Gleichgewichtsstellung bewegen. Dies kann bei einem anfangs in einer stabilen vollständigen Öffnungsstellung sich befindlichen Ventil auftreten, wenn die Strömung zunimmt und einen Schwellenwert übersteigt, bei welchem die Schließkraft die Federkraft übersteigt. Dieser Vorgang kann aber auch während der Ventilöffnung oder während des Schließens des Ventils auftreten. Beim Öffnen des Ventils kann diese Schließkraft verhindern, daß sich das Ventilglied über die Gleichgewichtsstellung hin­ aus in die vollständig geöffnete Stellung bewegt. Während des Schließens des Ventils kann das Ventilglied, sobald der Schwellenwert erreicht ist, unmittelbar wieder in die­ se Gleichgewichtsstellung zurückgezogen werden. Diesem Effekt kann zwar durch eine Vergrößerung des Ventildurch­ messers begegnet werden, er kann jedoch nicht vollständig korrigiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Hub­ ventil der beschriebenen Art das Auftreten von in Schließ­ richtung wirkenden Kräften am Ventilglied bei hohen Strö­ mungsraten zu verhindern.

Diese Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Hubventil durch das kennzeichnende Merkmal des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Hubventil sind beide konischen Flächen des Diffusorkanals an gehäusefesten Teilen gebildet.

Am Ventilglied selbst treten daher keine Schließkräfte auf­ grund von Druckdifferenzen bei hohen Strömungsraten auf.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Pa­ tentanspruch 2 angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Teilschnittansicht eines Hubventils, worin das Ventilglied in der volkommen geöffneten Stellung ge­ zeigt ist,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht des Hubventiles in der Öffnungsstellung und

Fig. 3 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2, bei der sich das Ventilglied in der Schließstellung befindet.

In Fig. 1 ist ein hermetisch abgedichtetes Hubventil 10 dar­ gestellt, das als Absperrventil für toxische Flüssigkeiten oder für Sicherheitssysteme in Kernkraftanlagen verwendet werden kann. Derartige Hubventile werden normalerweise in der Schließstellung verwendet, um Druckmittel gegenüber einem Strömungssystem abzusperren, und in der Öffnungsstellung, um das Druckmittel dem Strömungssystem zuzuführen.

In der Öffnungsstellung muß der Druckabfall am Ventil auf einem Minimalwert gehalten werden, um sicherzustellen, daß das fluide Medium, welches dem Strömungssystem zugeführt wird, einen ausreichenden Druck entsprechend dem Bedarf des Strömungssystems aufweist. Es wurde als wünschenswert ge­ funden, einen hochwirksamen Diffusorströmungskanal vorzu­ sehen, um den Druckabfall am Ventil auf ein Minimum zu senken.

Das hermetisch abdichtbare Hubventil 10 weist ein Ventil­ gehäuse 12 auf, einen Deckel 14, eine Bügelbaugruppe 16, eine Ventilschaftbaugruppe 18, ein Handrad 20 und eine Diffusorbaugruppe 21. Das Hubventil 10 weist einen geneigten Schaft auf und hat einen Einlaß 24, der axial mit einem Auslaß 26 fluchtet, und diese Teile werden von einer zy­ lindrischen Steuerkammer 28 geschnitten. Das Ventilgehäuse 12 ist derart ausgebildet, daß es an eine Hochdruckleitung angeschlossen werden kann, damit ein unter hohem Druck stehendes fluides Medium in Richtung der Pfeile abgegeben werden kann. Der Einlaß 24 und der Auslaß 26 weisen Ein­ senkungen 29 und 30 auf, welche teleskopartig die Enden von Strömungsleitungen zur Befestigung an diesen mittels Schweißung aufnehmen.

Ein Kanal 31, der von einem gehärteten ringförmigen Ventil­ sitz 32 umgeben ist, ist am stromab gelegenen Ende des Einlasses 24 ausgebildet. Der Ventilsitz 32 ist von der Steuerkammer 28 durch eine kegelstumpfförmige Diffusorfläche 34 getrennt, die koaxial zum Kanal 31, dem Ventilsitz 32 und der Steuerkammer 28 verläuft. Das obere Ende der Steuer­ kammer 28 ist mit einem Gewinde versehen und nimmt einen Gewindeschaft 40 des Deckels 14 auf.

Das obere Ende des Ventilgehäuses 12 weist eine nach innen gekrümmte Kappe 42 auf, die hermetisch mit einem Umfangsrand 44 des Deckels 14 mittels einer Verschweißung 46 verbunden ist. Ein Gewindeschaft 48 am oberen Ende des Deckels 14 ist in das untere Ende der Bügelbaugruppe 16 eingeschraubt. Die Schaftbaugruppe 18 erstreckt sich axial durch den Deckel 14 und die Bügelbaugruppe 16 hindurch. Der Schaft 9 ist in üblicher Weise mittels des Handrades 20 axial beweglich. Eine Dichtungspackung 52 ist in einer Bohrung am oberen Ende des Deckels 14 angeordnet und ist gegen die äußere Ober­ fläche des Schaftes 18 mittels einer Stopfbuchse 54 an­ gepreßt. Der Schaft 18 weist ein verbreitertes zylindri­ sches unteres Ende 60 auf, welches eine konische Oberfläche 61 hat, die sich gegen einen Sitz 62 anlegen kann, um die Öffnungsbewegung zu begrenzen. Das zylindrische Ende 60 wird lose von einem offenen oberen Ende einer zylindri­ schen Membranbetätigungsscheibe 64 aufgenommen. Die Betä­ tigungsscheibe 64 ist in einer Einsenkung 66 angeordnet, die im unteren Ende des Deckels 14 ausgebildet ist. Eine flexible Membran 14 ist zwischen einem unteren Rand 72 des Deckels 14 und einem Halterungsring 74 mittels einer Umfangsverschweißung 76 gehalten. Die Verschweißung 76 dichtet hermetisch die Membran 70 am offenen Ende der Ein­ senkung 66 ab, und es wird eine hermetische Abdichtung zwischen der Steuerkammer 28 und dem axialen Schaftkanal ausgebildet. Die Verschweißungen 46 und 76 bilden doppelte hermetische Sperren gegen ein Durchlecken von fluidem Medium in die Umgebung.

Es sei nunmehr auf Fig. 2 Bezug genommen. Die Diffusor­ baugruppe 21 weist eine ringförmige Führung 80 für ein axial bewegliches Ventilglied 82 auf. Die Führung 80 weist einen oberen Ringflansch 84 auf, der gleitbar in einer komplementären Einsenkung an­ geordnet ist, welche am oberen Ende der Steuerkammer 28 ausgebildet ist. Die Führung 80 weist ferner einen Halsab­ schnitt 86 mit vermindertem Durchmesser auf, an dessen un­ terem Ende ein allgemein kegelstumpfförmiger verbrei­ terter Kopf 88 angeordnet ist, der eine konische untere Fläche 91 hat. Diese Fläche 91 ist im axialen Ab­ stand von der konischen Diffusorfläche 34 ange­ ordnet. Die Flächen 91 und 34 bilden zwischen sich einen hochwirksamen ringförmigen Diffusorkanal 92, dessen Ausbil­ dung so getroffen ist, daß sie für eine gegebene Ventilgröße und für eine gegebene Ventilverwendung optimal ist. Die konische Diffusoroberfläche 34 und die untere Fläche 91 divergieren radial nach außen und begrenzen einen fortschreitend zunehmenden Ringströmungskanal zur Kammer 28 hin stromab vom Ventilsitz 32. Das Ventilglied 82 weist einen zylindrischen Schaft 94 auf, der gegen die Unterseite der flexiblen Membran anliegt und der einen verbreiterten Kopf 98 am unteren Ende hat. Der Kopf 98 ist gleitbar in einer Einsenkung 100 angeordnet, die in der unteren Oberfläche der Diffusorführung 80 aus­ gebildet ist. Der Kopf 98 weist eine konvexe, dem fluiden Medium ausgesetzte Vorderseite 102 auf, die im wesentli­ chen vollständig stromauf vom Diffusorkanal 92 angeordnet ist.

Die Führung 80 weist eine nach oben offene Bohrung 103 auf. Eine Schraubenfeder 104 ist in der Bohrung angeordnet und wird zwischen der Bodenfläche der Bohrung und einer Kappe 106 gehalten, die am oberen Ende des Schaftes 94 angeordnet ist. Die Schraubenfeder 104 dient dazu, den Kopf 98 nach oben vorzuspannen.

Bei einer Drehung des Handrades 20 wird der Schaft 18 axial nach unten verschoben, wodurch die Betätigungsscheibe 64 die Membran 70 nach unten durchbiegt, und dadurch werden der Schaft 94 und der Kopf 98 in die in Fig. 3 dargestellte Schließstellung gebracht, in der eine konische Sitzoberfläche 101 am Kopf 98 sich dichtend gegen den Ventilsitz 32 anlegt.

In der in Fig. 2 dargestellten Öffnungsstellung ermöglicht der ringförmige Diffusorkanal 92 einen minimalen Druckab­ fall, wenn das fluide Medium zwischen dem Einlaß und der Steuerkammer 28 strömt. Wenn jedoch die Strömungsgeschwin­ digkeit des fluiden Mediums zunimmt, nimmt der Druckunter­ schied zwischen dem ringförmigen Diffusorkanal 92 und der Steuerkammer 28 zu. Dadurch wird in bekannten Diffusoren bei denen der gesamte Diffusorabschnitt dem fluiden Medium ausgesetzt und axial gegen die Vorspannung einer Feder verschieb­ bar ist, unter hohen Strömungsbedingungen eine Kraft ent­ wickelt, die das Ventilglied nach unten zieht. Diese Kraft ver­ schiebt den Diffusor gegen die Vorspannung der Feder nach unten, bis eine Gleichgewichtsstellung erreicht ist. Der so ausgebildete verminderte Strömungsquerschnitt führt zu einer Zunahme des Druckabfalles zwischen Einlaß und Auslaß. Bei dem hier beschriebenen Hubventil haben jedoch die einander gegenüberliegenden Oberflä­ chen des Diffusorkanals einen festen Abstand voneinander, so daß die gesamte resultierende, nach unten gerich­ tete Kraft von einem festen Bauteil aufgenommen wird. Es wird also, da die dem fluiden Medium ausgesetzte Oberfläche des Kopfes 98 vollständig radial innerhalb des Diffusorkanals 92 angeordnet ist, keine re­ sultierende Ventilschließkraft erzeugt. Unabhängig von den Strömungsbedingungen oder Strömungsverhältnissen im Kanal verbleibt demzufolge das Ventil in der vollständig zurückgezogenen Öffnungsstellung. Versuche haben gezeigt, daß keine meßbare Ventilschließkraft ungeachtet der Strö­ mungsgeschwindigkeit bei einem derartigen Aufbau beobachtet werden kann. Die minimale Systembedingung besteht darin, daß die Kompressionsfeder 104 eine ausreichende Kraft ent­ wickelt, um lediglich das Gewicht des Ventilgliedes zu überwinden. Der volle Strömungsquerschnitt zwischen dem Ventilglied und dem Ventilsitz wird allein durch die Stellung des Schaftes 94 bestimmt und ist unbeeinflußt von irgendwelchen Einwirkungen des Zustandes im Diffusorkanal.

Claims (2)

1. Hermetisch mittels einer Membran abdichtbares Hub­ ventil mit einem stromabwärts vom Einlaß angeordneten Ventilsitz und einem durch eine Feder in Öffnungsrichtung beaufschlagten Ventilglied, das in einem gehäusefesten Teil verschiebbar gelagert ist, und einem Diffusorkanal, der stromabwärts vom Ventilsitz zwischen einer an diesen anschließenden, nach außen sich erweiternden Ringfläche und einer dieser gegenüberliegenden konischen Fläche ge­ bildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Flä­ che (91) an dem gehäusefesten Teil (88) gebildet ist.

2. Hubventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (94) einen Verschlußkopf (98) auf­ weist, der in seiner Offenstellung in eine Einsenkung (100) des gehäusefesten Teils (88) zurückgezogen ist.