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Verfahren zur Minderung von Geräuschen bei der Durchflußregelung
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eines Strömungsmediums sowie Durchfluß-Regelventil Ansprüche:
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Minderung von Geräuschen bei der Durchflußregelung
eines Strömungsmediums, welches durch eine verstellbare Regelöffnung geleitet wird,
sowie ein Durchfluß-Regelventil für ein flüssiges oder gasförmiges Strömungsmedium,
mit einer verstellbaren Regelöffnung, an die ein Abströmraum für das Strömungsmedium
anschließt.
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Bei einer verstellbaren Regelöffnung in Durchfluß-Regelventilen ist
üblicherweise der Austrittsquerschnitt der Regelöffnung in den sich stromab daran
anschließenden Abströmraum kleiner als der Querschnitt des Abströmraums, so daß
unmittelbar hinter der Regelöffnung von dem hindurchtretenden Strömungsmedium ein
Freistrahl gebildet wird, an dessen freien Oberflächen erhebliche Turbulenzen auftreten,
die wesentlich zur Geräuschbildung in einem solchen Ventil beitragen. Bei anderen
bekannten Durchfluß-Regelventilen ist zwar der aus der Regelöffnung in den Abströmraum
austretende Medienstrom von bereits vorher ausgetretenem Strömungsmedium umgeben;
jedoch hat hier der austretende Medienstrom meist eine wesentlich andere Strömungsrichtung
und Strömungsgeschwindigkeit als das ihn hinter der Regelöffnung umgebende Strömungsmedium.
Dadurch kommt es an den Grenzflächen des austretenden Mediumstroms zu einer turbulenten
Vermischung
mit dem umgebenden Strömungsmedium, was ebenfalls eine
wesentliche Ursache für die Entstehung von Strömungsgeräuschen bei Strömungsreglern
darstellt.
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Demgegenüber werden durch die Erfindung ein Verfahren zur Durchflußregelung
und ein Durchflußregelventil geschaffen, bei welchen unabhängig von dem jeweiligen
Regelquerschnitt der Regelöffnung Vermischungsturbulenzen im sich an die Regelöffnung
stromab anschließenden Strömungsfeld vermieden sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dies dadurch erreicht, daß
hinter der Regelöffnung ein Strömungswirbel erzeugt wird, in welchen das Strömungsmedium
bei seinem Austritt aus der Regelöffnung mit tangential zum Strömungswirbel verlaufender
Strömungskomponente eingeleitet wird, und daß der Drall des Strömungswirbels im
Abstand von der Regelöffnung durch Reibung abgebaut wird.
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Das erfindungsgemäße Prinzip liegt somit darin, freie Grenzflächen
des aus der Regelöffnung austretenden Strömungsmittelstroms und Unstetigkeitsflächen
im Übergangsbereich zwischen dem aus der Regelöffnung ausgetretenen Strömungsmittelstrom
und dem ihn umgebenden Strömungsmittel zu vermeiden. Für die
erfindungsgemäße
Lösung kommt es somit wesentlich darauf an, möglichst geringe Differenzen nach Richtung
und Strömungsgeschwindigkeit zwischen dem aus der Regelöffnung austretenden Strom
und dem hinter der Regelöffnung vorhandenen Strömungsmittel zu erreichen, so daß
der aus der Regelöffnung austretende Strömungsmittelstrom sich praktisch nicht mit
dem umgebenden Strömungsmittel in turbulenter Weise vermischt. Hierbei kann durch
eine geeignete Anordnung und Gestaltung der Regelöffnung und des sich daran anschließenden
Gehäuses der aus der Regelöffnung austretende Strom sich teilweise an die Gehäusewand
anlegen, wo allenfalls Grenzschichtinstabilitäten auftreten, die keine wesentliche
Geräuschquelle darstellen.
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Die nicht an der Gehäusewand angelegten Bereiche des austretenden
Stroms werden durch den stationären Strömungswirbel turbulenzfrei gebunden, so daß
auch hier keine freien Grenzschichten zwischen dem austretenden Strömungsmittelstrom
und dem den Strömungswirbel bildenden Strömungsmittel vorhanden sind.
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Da eine Wirbelströmung in einem geeignet geformten Gehäuse meist nur
Grenzschichtinstabilitäten aufweist, werden von der Wirbelströmung selbst keine
wesentlichen Geräusche erzeugt. Die kinetische Energie des aus der Regelöffnung
austretenden Strömungsmediums kann mittels der Wirbelströmung
in
Form von Wandreibung unmittelbar an das Gehäuse abgeführt werden.
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Wenngleich es möglich erscheint, den erfindungsgemäß zur Vermeidung
von Unstetigkeitsflächen im Strömungsfeld ausgenutzten Strömungswirbel durch einen
Fremdantrieb anzutreiben und aufrecht zu erhalten, beispielsweise einen kleinen
Rotor im Bereich der Wirbelachse, der möglicherweise von dem Strömungsmedium stromauf
der Regelöffnung oder einen kleinen Motor getrieben wird, erscheint es wesentlich
einfacher und wird daher vorgezogen, den Strömungswirbel unter dem Antrieb des aus
der Regelöffnung austretenden Strömungsmediums selbst zu erzeugen und aufrechtzuerhalten.
Neben der hieran angepaßten Gestaltung des an die Regelöffnung anschließenden Abströmraumes
können zusätzlich auch geeignete Leiteinrichtungen angeordnet werden, um insbesondere
das Anwerfen des Wirbels zu begünstigen.
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Zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Sinne des oben
angegebenen Prinzips ist ein erfindungsgemäßes Durchfluß-Regelventil mit einer verstellbaren
Regelöffnung, an die ein Abströmraum für das Strömungsmedium anschließt, insbesondere
dadurch gekennzeichnet, daß der Abströmraum als Wirbelkammer ausgebildet ist, in
welcher in dem
abströmenden Strömungsmedium ein um eine Wirbelachse
rotierender Strömungswirbel erzeugbar ist, und daß die Regelöffnung in radialem
Abstand von der Wirbelachse angeordnet ist und eine das Strömungsmedium mit bezogen
auf die Wirbelachse tangentialer Strömungskomponente in die Wirbelkammer einleitende
Mündung aufweist.
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Durch geeignete Gestaltung der die Wirbelkammer umgrenzenden Gehäusewand
oder entsprechende Leiteinrichtungen läßt sich im Sinne des oben angegebenen Prinzips
erreichen, daß die in der Wirbelkammer erzeugte stationäre Wirbelströmung die Wirbelkammer
im wesentlichen vollständig ausfüllt und die Austrittsmündung der Regelöffnung derart
überstreicht, daß der aus der Regelöffnung austretende Strom sauber und turbulenzfrei
in die Wirbelströmung einläuft.
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Dabei ist die Mündung der Regelöffnung und der sich im Abströmraum
daran anschließende Eintrittsteil der Wirbelkammer derart gestaltet, daß Toträume
und Rückströmungsgebiete vermieden sind, vielmehr der in die Wirbelkammer eintretende
Strom von der Begrenzung der Wirbelkammer und dem Strömungswirbel derart begrenzt
wird, daß jegliche Unstetigkeitsflächen im Strömungsfeld vermieden sind. Durch Ausbildung
von bereits
kleinen Rückströmungsgebieten, in den heftigte turbulente
Vermischung stattfindet, können an dieser Stelle unter Verletzung des Grundgedankens
erhebliche Geräusche entstehen.
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Die Strömungsrichtung des aus der Regelöffnung austretenden Stromes
im Austrittsquerschnitt soll weitestgehend tangential zur Strömungsrichtung der
Wirbelströmung verlaufen. Abweichungen der resultierenden Strömungsrichtung des
aus der Regelöffnung austretenden Stroms von der Strömungsrichtung des Wirbels erscheinen
möglich, sofern sie klein sind und weniger, vorzugsweise sehr viel weniger als etwa
200 betragen. Das Strömungsmedium im Strömungswirbel strömt aus der Wirbelkammer
schraubenlinienförmig ab. Hierbei soll aber die Steigung der Schraubenlinie möglichst
klein sein. Die Regelöffnung ist daher so ausgebildet und angeordnet, daß die Hauptströmungskomponente
in einer zur Wirbelachse senkrechten Ebene und im radialen Abstand von der Wirbelachse
senkrecht zu dieser in die Wirbelkammer einläuft.
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Der an die Regelöffnung anschließende Abströmraum kann gegebenenfalls
von der sich an das Ventil anschließenden Rohrleitung selbst gebildet oder zwischen
die Rohrleitung und die Regelöffnung zwischengeschaltet sein. Wenn der die Wirbelkammer
bildende Abströmraum im Durchmesser größer als die sich daran anschließende Rohrleitung
ist, sollte für einen
stetig zur Rohrleitung hin verjüngenden Übergang
zwischen der Wirbelkammer und der Rohrleitung gesorgt werden. Die axiale Länge der
Wirbelkammer ist derart, daß ein wesentlicher Teil des Dralls des Schraubenwirbels
durch Wandreibung noch in der Wirbelkammer abgebaut wird. Insbesondere kann aber
zum Abbau des Restdralls auch die an das Ventil anschließende Rohrleitung mit verwendet
werden.
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Zur Verbesserung des Abbaus der Drallkomponente in der Wirbelströmung
kann es zweckmäßig sein, die Wände der Wirbelkammer und gegebenenfalls der anschließenden
Rohrleitung in besonderer Weise zu gestalten. Eine Erhöhung der Wandrauhigkeit in
dem Gebiet, wo der Drall abgebaut werden soll, hat sich beispielsweise als wirksames
Mittel zur Beschleunigung des Drallabbaus erwiesen. Aber auch andere Hilfsmittel
- wie z.B. Änderung des Gehäusequerschnittes zum Austritt hin - oder besondere am
Umfang der Wirbelkammer angebrachte Reibungselemente erscheinen geeignet. Demgegenüber
erscheint es zweckmäßig, die Wandrauhigkeit der Wirbelkammer im Bereich der und
im Anschluß an die Regelöffnung möglichst gering zu machen, damit die Wirbelströmung
hier zunächst möglichst ungestört ist und sich unter dem Antrieb der aus der Regelöffnung
austretenden Strömung leichter ausbilden kann. Zusätzlich oder als Alternativekönnen
auch entsprechende Leiteinrichtungen vorgesehen sein, die das Anwerfen
des
Wirbels und die Aufrechterhaltung seines stationären Strömungszustandes begünstigen.
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Die an die Regelöffnung anschließende Wirbelkammer kann zylindrisch
sein. Vielfach erscheint es jedoch zweckmäßig, die Wirbelkammer von einer in Richtung
parallel zur Wirbelachse sich stetig verjüngenden oder erweiternden Umfangswand
zu begrenzen. Die Wirbelkammer kann auch als Ringzylinderkammer ausgebildet sein,
was es ermöglicht, die Regelöffnung in der bevorzugten Lösung in der radial inneren
Umfangswand der Ringkammer auszubilden, so daß der die Regelöffnung verlassende
Strömungsmittelstrom im Inneren des in der Wirbelkammer rotierenden Wirbels zugeführt
wird. Eine derartige Anordnung kann insbesondere bei Gasreglern, bei welchen hohe
Strömungsgeschwindigkeiten im Kern der Wirbelströmung auftreten können, zweckmäßig
sein.
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Zur tantentialen Einleitung des Strömungsmediums in die Wirbelkammer
wird bevorzugt, daß die Regelöffnung in einer Umfangswand der Wirbelkammer als Regelspalt
ausgebildet ist, bei dem wenigstens eine seiner Längsbegrenzungsflächen wenigstens
an der Spaltmündung im wesentlichen tangential zu der daran anschließenden Fläche
der Umfangswand verläuft. Hierbei kann zur Verstellung des Regelspalts dessen eine
Längsbegrenzungsfläche
von einem Wandteil der Umfangswand gebildet
sein, der um eine parallel zu dieser Längsbegrenzungsfläche verlaufende Achse schwenkverstellbar
ist.
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Eine andere Möglichkeit zur Verstellung des Regel spaltes besteht
darin, die Umfangswand von einer gegenüber dieser drehverstellbaren Regelglocke
umlaufen zu lassen, die mit entsprechenden Spalten versehen ist, welche je nach
der Drehverstellung der Regelglocke den Regelspalt mehr oder weniger stark überdecken.
Die Umfangswand kann auch aus wenigstens zwei den Regelspalt zwischen sich bildenden
Wandteilen zusammengesetzt sein, die parallel zu einer die Wirbelachse enthaltenden
Ebene senkrecht zur Wirbelachse gegeneinander verschiebbar sind. In der bevorzugten
Lösung bilden diese beiden Wandteile jeweils Halbzylinderschalen, so daß zwischen
diesen zwei diametral gegenüberliegende Regelspalte gebildet sind, die somit auf
unterschiedlichen Seiten der Wirbelachse liegen und deren Austrittsmündungen in
einander gesetzte Richtungen weisen. Die aus diesen beiden Regelspalten in die Wirbelkammer
eintretenden Strömungen laufen somit in demselben Drehsinn um die Wirbelachse in
die Wirbelkammer ein.
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Anstelle die Regelöffnung in Form eines Regel spaltes am Umfang einer
inneren oder äußeren Umfangswand der Wirbelkammer
auszubilden,
besteht eine andere vorteilhafte Möglichkeit darin, die Regelöffnung am Umfang eines
in die Wirbelkammer im radialen Abstand von der Wirbelachse hineinragenden Stutzens
auszubilden. Im Sinne des Erfindungsprinzips ist eine solche Regelöffnung, die vorzugsweise
ebenfalls als Spalt ausgebildet ist, derart am Stutzen angeordnet, daß die aus ihr
austretende Strömung senkrecht zu einer die Wirbelachse und die Achse des Stutzens
enthaltenden Ebene austritt.
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Wie auch bei den übrigen Ausführungsformen können insbesondere bei
der letzten Ausführungsform mehrere Regelöffnungen vorgesehen werden, die dann jeweils
derart angeordnet ist, daß die austretenden Strömungen in demselben Drehsinn um
die Wirbelachse verlaufen.
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Zur Regelung einer solchen in einem Stutzen spaltförmig ausgebildeten
Regelöffnung läßt sich ein im Stutzen längsverschiebbarer Schieber verwenden, was
in entsprechender Anpassung auch für die übrigen Ausführungsformen durchführbar
ist. Vorgezogen wird jedoch auch bei der Regelöffnung in dem Stutzen zur Verstellung
der Regelöffnung eine im Stutzen verdrehbare geschlitzte Regelglocke. Eine andere
Regelmöglichkeit besteht darin, den Stutzen in der ihn abstützenden Wand unter Verstellung
der Regelöffnung verschiebbar auszubilden.
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Anstelle die Regelöffnung in einer Umfangswand der Wirbelkammer auszubilden,
kann sie auch in einer Stirnwand der Wirbelkammer ausgebildet werden, wenn hier
durch entsprechende in die Wirbelkammer hineinragende Leiteinrichtungen dafür gesorgt
wird, daß die aus einer solchen Regelöffnung austretende Strömung etwa tangential
zur Drehrichtung des Wirbels in die Wirbelkammer eintritt. In der bevorzugten Lösung
wird hierbei die Regelöffnung von einer sich zur Wirbelkammer hin verjüngenden,
schräg zur Wirbelachse verlaufenden Bohrung und einem in der Bohrung längsverschiebbaren,
sich entsprechend verjüngenden Leitkörper gebildet, der einseitig--an der Bohrungsfläche
anliegt und in die Wirbelkammer hineinragt. Eine solche Ausführungsform läßt sich
entsprechend auch anwenden, um die Regelöffnung an einer Umfangswand der Wirbelkammer
auszubilden.
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Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung bei Gasen beschränkt, sondern
erbringt auch bei der Regelung von Flüssigkeiten erhebliche Vorteile, die sowohl
in der Geräuschminderung als auch in der Xavitationsarmut begründet sind. Durch
das radiale Druckgefälle einer Zyklonströmung kann nämlich Kavitation nur in der
Achse des Strömungsfeldes auftreten, wodurch sie von den Oberflächen des Reglergehäuses
ferngehalten werden kann. Damit ist Kavitationserosion in solchen Strömungsreglern
mit
einiger Sicherheit zu vermeiden. Aber auch die durch Kavitation'entstehenden Geräusche
können auf diese Weise vermieden werden, weil eine stationäre Kavitationsblase in
der Achse einer Zyklonströmung in der Regel keine Geräusche erzeugt.
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Versuche mit Zyklonventilen der beschriebenen Bauweise haben eine
hohe Wirksamkeit des Verfahrens für die Geräuschn.inderung ergeben. Wegen der einfachen
Bauweise läßt sich eine hohe Betriebssicherheit und Verschmutzungsunempfindlichkeit
realisieren. Eine große Vielfalt von Regelkennlinien kann durch entsprechende Ausgestaltung
und Anordnung der Regelöffnung verwirklicht werden.
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Die Gestaltung und Anordnung der Regelöffnung, insbesondere ihres
in die Wirbelkammer einmündenden Austrittsquerschnitte ist bei allen Ausführungsformen
des Ventils wesentlich für das saubere Einlaufen des aus der Regelöffnung austretenden
Strömungsmittelstroms in die Wirbelströmung, ohne daß freie Strahloberflächen oder
Rückströmungsgebiete entstehen. Beispielsweise erscheint es vorteilhaft, eine als
Spalt ausgebildete Regelöffnung in einer Umfangswand der Wirbelkammer bis unmittelbar
an die benachbarte Stirnwand der Wirbelkammer heranzuziehen. Istdie spaltförmige
Regelöffnung an einem in
die Wirbelkammer hineinragenden Innenzylinder
oder Stutzen oder dergleichen gebildet, ist es vorteilhaft, den Regelspalt möglichst
über die gesamte Länge des Innenzylinders oder Stutzens hin auszubilden. Weitere
Maßnahmen können darin bestehen, an den Austrittskanten der Regelöffnung Abrundungen
oder dergleichen vorzusehen. Für in die Wirbelströmung axial hineinragende Leitkörper,
Stutzen oder dergleichen kann durch strömungsgünstige Gestaltung des Außenumrisses
dafür gesorgt werden, daß die Wirbelströmung möglichst wenig gestört wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsbeispielen erläutert, die aus den Fig.
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1.
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1 bis 1t der Zeichnung schematisch ersichtlich sind.
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Fig. 1 zeigt in Fig. 1a eine teilweise geschnittene Axialansicht des
Regelventils, in Fig. 1 b den Schnitt b-b aus Fig. pa und in Fig. 1c die Draufsicht
auf das Ventil in Fig. lb.
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An das Eintrittsrohr 1 schließt in dessen Axialrichtung das zum Eintrittsrohr
1 hin stirnseitig geschlossene Austrittsrohr 2 mit gegenüber dem Eintrittsrohr 1
versetzter Achse an.
Dadurch entsteht am Austrittsquerschnitt des
Eintrittsrohr 1 eine sichelförmige Austrittsöffnung 3, die in ein Eine trittsgehäuse
4 mündet, von welcher das Austrittsrohr 2 über einen Teilumfang hin umgeben ist.
Im wesentlichen über die gesamte axiale Länge des Eintrittsgehäuses 4 hin erstreckt
sich in dessen radial innerer Begrenzungswand, welche von der Rohrwand des Austrittsrohrs
2 gebildet ist, parallel zur Achse des Austrittsrohrs 2 und nahe des einen Umfangsendes
des Regelgehäuses 4 eine spaltförmige Regelöffnung 5, deren dem Inneren des Austrittsrohrs
2 zugewendeten Längsbegrenzungsflächen etwa tangential zum Innenquerschnitt des
Rohrs 2 verlaufen. Dadurch tritt das aus dem Eintrittsrohr 1 durch das Eintrittsgehäuse
4 und die spaltförmige Regelöffnung 5 in das Austrittsrohr 2 strömende Strömungsmedium
in dieses im wesentlichen tangential ein. Dadurch entsteht in der vom Rohr 2 im
Bereich des Regel spaltes 5 gebildeten Wirbelkammer 6 eine vom aus der Regelöffnung
5 vorher ausgetretenen Strömungsmedium gebildete stationäre Wirbelströmung, durch
welche die Regelöffnung 5 überstrichen wird und welche schraubenlinienförmig im
Austrittsrohr 2 abströmt. Der aus der spaltförmigen Regelöffnung 5 in die Wirbelkammer
6 eintretende Strömungsmittel strom legt sich an der radial äußeren Seite an die
sich anschließende Umfangsfläche der Wirbelkammer 6 an und wird an der radial inneren
Seite von der stationären Wirbelströmung
in der Wirbelkammer 6
begrenzt, die radial außen nach Geschwindigkeit und Strömungsrichtung mit dem aus
der Regelöffnung 5 eintretenden Strömungsmittelstrom übereinstimmt, so daß dieser
ohne turbulente Vermischung in die Wirbelströmunq einläuft. Der Drall der unter
. Antrieb des eintretenden Strömungsmittelstroms in der Wirbelkammer 6 erzeugten
Wirbelströmung wird bei deren schraubenlinienförmigen Abströmen in dem an die Wirbelkammer
6 anschließenden Teil des Austrittsrohrs 2 durch Wandreibung abgebaut.
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Zur Verstellbarkeit der Spaltweite der Regelöffnung 5 ist der das
Eintrittsgehäuse 4 radial innen begrenzende Wandteil 7 an der der Regelöffnung 5
abgewendeten Umfangsseite über ein abdichtend am Wandteil 7 und der anschließenden
feststehenden Wand des Rohrs 2 befestigtes, biegbares Band verschwenkbar abgestützt.
Nahe des die Regelöffnung 5 begrenzenden Endes des Wandteils 7 ist das Ende eines
Schraubbolzens 9 befestigt, welcher sich radial nach außen durch das Eintrittsgehäuse
4 und mit Umfangsspiel durch eine Schraubhülse 10 in ein Stellgehäuse 11 erstreckt,
in welchem Tellerfedern 12 zwischen dem Kopf 13 des Schraubbolzens 9 und dem Stirnende
der Schraubhülse 10 abgestützt sind. Das Stellgehäuse 11 ist an der am Eintrittsgehäuse
4 festgelegten Schraubhülse 10 verschraubbar, so daß sein Deckel 14 mit dem Kopf
13 des Schraubbolzens
9 zur Anlage gebracht werden kann und dieser
durch das Verschrauben des Stellgehäuses 11 axial gegen die Kraft der Tellorfedern
12 verstellt werden kann, wodurch der Wandteil 7 unter Veränderung der öffnungsweite
der Regelöffnung 5 entsprechend verschwenkt.
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Zum Eintrittsgehäuse 4 hin wird die spaltförmige Regelöffnung 5 von
einer am Wandteil 7 befestigten Lippe 15 bis auf einen Drosselspalt 16 zwischen
dem freien Rand der Lippe 15 und dem benachbarten feststehenden Rand des Austrittsrohrs
2 über deckt, so daß in dem sich zur Wirbelkammer 6 hin anschließenden und sich
etwas erweiternden Mündungsteil der Regelöffnung 5 eine gerichtete Strömung vorhanden
ist, die tangential zur Wirbelkammer 6 verläuft.
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Figur 2 zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie in Fig. 1.
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Jedoch ist hier anstelle des schwenkverstellbaren Wandteils 7 rings
der Umfangswand der Wirbelkammer 6, die koaxial mit dem Eintrittsrohr 1 und dem
hier sich über den gesamten Umfang der Wirbelkammer 6 mit Abstand erstreckenden
Eintrittsgehäuse 4 verläuft, eine verdrehbare Regelglocke 17 vorgesehen, die über
einen Schraubbolzen 9 und eine in Fig. 2 nicht gezeigte, der in Fig. 1 entsprechende
Verstelleinrichtung gegenüber der Wand der Wirbelkammer 6 verdreht werden kann.
In der Umfangswand der Wirbelkammer 6 sind zwei einander
diametral
gegenüberliegende spaltförmige Regelöffnungen 5 gebildet, deren Längsbegrenzungsflächen
etwa tangential zur Wirbelkammer 6 derart verlaufen, daß die durch sie eintretenden
Strömungen in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind. Die Regelglocke 17
weist im Bereich der Regelöffnungen 5 jeweils einen sich zu diesen verjüngenden
Eintrittsschlitz 18 auf, der durch Verdrehen der Regelglocke 17 die zugehörige Regelöffnung
5 mehr oder weniger stark abdeckt, so daß die hindurchtretende Strömung entsprechend
gedrosselt wird. In Fig. 3d ist eine Regelöffnung 5 mit zugehörigem Eintrittsschlitz
18 in der Regelglocke 17 vergrößert herausgezeichnet.
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Wie aus Fig. 3d ersichtlich, bildet die Regelöffnung 5 auch hier einen
sich zur Wirbelkammer hin erweiternden Diffusorspalt.
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Durch die gegenseitige Ausrichtung der Regelöffnungen 5 entsteht durch
die daraus in die Wirbelkammer 6 eintretenden Ströme wie bei dem Regelventil nach
Fig. 1 eine stationäre Wirbelströmung, welche die Regelöffnungen 5 überstreicht,
so daß turbulenzbehaftete Vermischungen der aus den Regelöffnungen 5 austretenden
Ströme mit dem sie umgebenden Strömungsmedium unterbunden sind.
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Der Grundaufbau des Regelventils aus Fig. 3 entspricht dem des Ventils
aus Fig. 2. Jedoch fehlt hier die Regelglocke 17 aus Fig. 2. Stattdessen ist nach
Fig. 3 die die Wirbelkammer 6 umgrenzende Umfangswand unter Ausbildung von zwei
halbzylindrischen Wandteilen axial geteilt, von denen das eine Wandteil 19 entsprechend
dem in Fig. 3b eingetragenen Doppelpfeil quer zur Achse der Wirbelkammer 6 verschiebbar
ist. Hierzu kann eine in Fig. 3 nicht gezeigte Verstelleinrichtung entsprechend
der in Fig. 1 verwendet werden. Die Regelöffnungen 5 sind mit ihrer Mündung entsprechend
Fig.2 auf unterschiedlichen Seiten der Achse der Wirbelkammer 6 einander abgewendet,
so daß in der Wirbelkammer 6 wieder eine zyklonartige Wirbelströmung entsteht. Die
wirbelkammerseitigen Längsbegrenzungsflächen 20 der spaltförmigen Regelöffnungen5
verlaufen tangential zur Wirbelkammer 6 an der Mündung der Regelöffnungen 5.
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Figur 4 zeigt eine Abwandlung des Ventils aus Fig. 2 mit Regelglocke
17, wobei jedoch nur eine Regelöffnung 5 und ein zugehöriger Eintrittsspalt 18 vorhanden
sind. Die Wirbelkammer 6 verläuft hier exzentrisch zur Außenfläche der sie begrenzenden
Umfangswand 21, wobei die Achse der Wirbelkammer 6 gegenüber der Achse dieser Außenfläche
zur Reqelöffnung 5 hin versetzt ist, so daß die Wandstärke der die spaltförmige
Regelöffnung
5 begrenzenden Schlitzränder entsprechend klein ist.
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Während in den bisherigen Ausführungsformen die spaltförmige Regelöffnung
am Außenumfang der Wirbelkammer 6 ausgebildet ist, wird bei dem Regelventil nach
Fig. 5 der Strömungsmittelstrom im Inneren des in der Wirbelkammer 6 gebildeten
Wirbels zugeführt. Hierzu ist die Wirbelkammer 6 als Ringkammer ausgebildet, deren
radial innere Umfangswand 22 sich stromab konisch verjüngt. Im hohlen Inneren der
Umfangswand 22 sitzt eine entsprechend konische Regelglocke 17, die im Sinne des
Doppelpfeils aus Fig. 5b über eine nicht gezeigte Verstelleinrichtung verdrehbar
ist. Aus dem Eintrittsrohr 1 tritt das Strömungsmedium axial in das Innere der Regelglocke
17 ein.
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Eine solche Anordnung, bei welcher das Strömungsmittel im Inneren
des Wirbels in der Wirbelkammer 6 zugeführt wird, kann insbesondere bei Gasreglern,
bei welchen hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Kern der Wirbeiströmung auftreten
können, eine zweckmäßige Bauform darstellen. Auch die konische Ausführung der Regelglocke
17 zur Einstellung der Regelöffnung 5 ist aus verschiedenen Gründen zweckmäßig.
Zunächst wird dadurch eine permanente Abdichtung der aufeinandergleitenden
Flächen
sichergestellt und zum anderen wird eine in Abströmungsrichtung vergrößerte Querschnittsfläche
der Wirbelkammer erzielt.
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Aus Fig. 6 ist ein in seiner Form dem in Fig. 5 entsprechendes Regelventil
ersichtlich, wobei jedoch die Strömungsrichtung geändert ist. Die innere Umfangswand
22 der Wirbelkal-mer 6 aus Fig. 5 wird damit zur Außenumfangswand 23 in Fig. 6,
durch welche eine sich stromab konisch erweiternde Wirbelkaminer 6 gebildet ist.
Die Regelglocke 17 sitzt beim Ventil in Fig.6 entsprechend auf der Außenfläche der
Außenumfangswand 23.
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Das Prinzip eines Zyklonventils, bei welchem das Strömungsmedium weder
im Kern noch an der Außenseite, sondern auf einem beliebigen Radius der Wirbelströmung
zugeführt wird, ist in den Ausführungsformen nach den Fig. 7 bis 10 verwirklicht.
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In die im Austrittsrohr 2, welches koaxial zum Eintrittsrohr 1 verläuft
und gegenüber diesem stirnseitig abgeschlossen ist, gebildete Wirbelkammer 6 ragen
axial zwei hohle Stutzen 24 hinein, an deren Umfang jeweils eine schlitzförmige
Regelöffnung 5 vorliegt deren Mündungsebene parallel zu der die Achse der Wirbelkammer
6 und die Achsen der Stutzen 24 enthaltenden Ebene verläuft, wobei die auf unterschiedlichen
Seiten der Achsen der Wirbelkammer 6 angeordneten Regelöffnungen 5 einander abgewendet
sind. Im Inneren der Stutzen 24 wird die jeweilige Regel-
öffnung 5 von einem über geeignete Mittel längsverschiebbaren
Regelschieber 25 abgedeckt, der gemäß der Darstellung in der linken Hälfte von Fig.
7b plattenförmig und nach der Darstellung in der rechten Hälfte dieser Figur rundstabförmig
ist.
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Das Ventil aus Fig. 8 ist entsprechend dem in Fig. 7 ausgebildet.
Anstatt die Regelöffnungen 5 mit Hilfe eines Schiebers 25 zu regeln ist jedoch nach
Fig. 8 der Stutzen 24c insgesamt in der Stirnwand der Wirbelkammer 6 abgedichtet
verschiebbar, so-daß die in die Wirbelkammer 6 hineinragende Länge der Regelöffnung
5 durch Axialverschiebung des Stutzens 24c veränderbar ist. Demgegenüber zeigt Fig.
9 eine Ausführungsform, bei der in den sich stromab konisch verjüngenden Stutzen
24d zur Einstellung der Regelöffnungen 5 jeweils eine sich entsprechend konisch
verjüngende Regelglocke 17 hineinragt.
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Die beiden Regelglocken 17 sind durch eine ihnen gemeinsame nicht
gezeigte Verstelleinrichtung in den Stutzen 24d verdrehbar.
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Gemäß Fig. 10 sind in der Stirnwand 25 der Wirbelkammer zwischen dem
Austrittsrohr 2 und dem koaxial dazu verlaufen den Eintrittsrohr 1 zwei sich zur
Wirbelkammer 6 hin konisch verjüngende, mit ihrer Achse windschief zur Achse der
Wirbelkammer 6 verlaufende Bohrungen 26 im radialen Abstand von der Achse der Wirbelkammer
6 angeordnet. Durch die Bohrungen 26
ragt jeweils ein sich entsprechend
kegelförmig verjüngender Leitkörper 27, der einseitig an der Fläche der Bohrung
26 anliegt und mit dieser Flache auf der anderen Seite eine sichelförmige Regelöffnung
5 bildet. Gesehen in der Ansicht nach Fig.10b liegen die beiden Regelöffnungen 5
beidseitig der die Achse der Wirbelkammer 6 enthaltenden und die Achsen der Leitkörper
27 an der wirbelkammerseitigen Fläche der Stirnwand 25 schneidenden Ebene, so daß
die Strömungsrichtungen der aus den Regelöffnungen 5 austretenden Ströme auf unterschiedlichen
Seiten der Achse der Wirbelkammern 6 einander abgewendet sind. Durch eine derartige
Anordnung der Regelöffnungen 5 und die Schrägstellung der Leitkörper 27 treten somit
die Strömungsmittelströme aus den Regelöffnungen 5 etwa tangential zu der in der
Wirbelkammer 6 erzeugten Wirbelströmung in Höhe der Regelöffnungen5 mit entsprechend
dem schraubenlinienförmigen Verlauf der Stromfäden der Wirbelströmung gegenüber
der Achse der Wirbelkammer schräggestellter Strömungsrichtung in die Wirbelkammer
6 ein. Durch Axialverschiebung der Leitkörper 27 mit Hilfe einer nicht gezeigten
geeigneten Verstelleinrichtung in den Bohrungen 26 können die Regelöffnungen 5 verstellt
werden.
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Aus Fig. 11 schließlich ist ein Regelventil ersichtlich, dessen Aufbau
dem Gehäuse einer Radialturbine ähnelt. Das
Eintrittsrohr 1 mündet
am Außenumfang der Wirbelkammer 6 mit zu deren Achse senkrecht verlaufender Achse
tangential ein.
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An der Einmündung des Eintrittsrohrs 1 in die Wirbelkammer 6 sitzt
ein parallel zu deren Tangentialebene verlaufender Plattenschieber 28, der mit der
Umfangswand der Wirbelkammer 6 eine spaltförmige Regelöffnung 5 begrenzt und über
eine nicht gezeigte, geeignete Verstelleinrichtung in Richtung des Doppelpfeils
aus Fig. 11b verstellbar ist. Diese Ausführungsform aus Fig. 11, welche im Prinzip
mit der aus Fig. 1 identisch ist, eignet sich hauptsächlich als Eckventil bei dem
die achsen des Eintrittsrohrs 1 und des Austrittsrohrs 2 senkrecht zueinander und
radial zur Wirbelkammer 6 gegeneinander versetzt verlaufen.
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Bei der Ausführungsform, die- im Querschnitt schematisch aus Figur
12 ersichtlich ist, sind achsparallel zueinander zwei Wirbelkammern 6 und 6a vorgesehen,
die z.B. entstanden sind durch zwei längsgeschlitzte Rohre, die mit den Schlitzrändern
aufeinandergelegt miteinander verbunden sind, so daß die Wirbelkammern 6 und 6a
gegeneinander offen sind. Die schlitzförmige Regelöffnung 5 verläuft hierbei parallel
zu den Achsen der Wirbelkammern 6 und 6a axial am Umfang des Eintrittsrohrs 1, welches
achsparallel zu den Wirbelkammern 6 und 6a verläuft.
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Die Längsmittellinie der Regelöffnung 5 liegt in einer Ebene,
welche
die die Achsen der Wirbci1#airünern 6 und 6a enthaltende Ebene in der Mitte zwischen
den Achsen senkrecht schneidet.
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Auf diese Weise wird der durch die Regelöffnung 5 eintretende Strahl
an beiden Seiten von je einem Wirbel begrenzt, wobei die beiden Wirbel im Sinne
der eingetragenen Pfeile gegensinnig rotieren und der aus der Regelöffnung 5 eintretende
Strahl aufgeteilt wird, so daß der eine Teil in die Wirbelkammer 6 und der andere
Teil in die Wirbelkammer 6a einläuft.
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Der schlitzförmigen Regelöffnung 5 gegenüberliegend ist über deren
Länge hin ein im Querschnitt keilplattenförmiger Leitkörper 40 ausgebildet, dessen
Scheitel der Regelöffnung 5 zugewendet ist und mit seinen Flanken bogenförmig in
den Umriß der Wirbelkammern 6 und 6a einläuft. Zur Regelung der Regelöffnung 5 kann
ein Plattenschieber 28 verwendet werden, der an seinem der Regelöffnung 5 zugewendeten
Rand keilförmig verläuft und mit den entsprechend hohlkeilförmigen Rändern des Regelschlitzes
5 Regelspalte bildet. Die beiden Wirbelkammern 6 und 6a können stromab der Regelöffnung
5 zusammengeführt werden.
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Bei der Ausführungsform, die aus Fig. 13 im Längsschnitt ersichtlich
ist, hat die Wirbelkammer 6b einen Querschnitt, der dem Gesamtquerschnitt der Wirbelkammern
6 und 6a aus Fig. 12 ähnlich ist, Die Wirbelkammer 6b aus Fig. 13 hat jedoch die
Gestalt
eines toru#ähnlichen Rotationskörpers, dessen diametral zur Rotationsachse 41 verlaufender
Querschnitte segeneinander offen sind. Der Umriß der Wirbelkammer kann beispielsweise
beschrieben werden durch die Rotation zweier einander schneidender Kreise um eine
Achse, die in der Mitte zwischen den beiden Kreismittelpunkten in der Ebene der
Kreise senkrecht zur Verbindungslinie der beiden Kreismittelpunkte verläuft. Die
Regelöffnung 5 ist hier kreisförmig, wobei der Kreismittelpunkt mit der Rotationsachse
41 zusammenfällt. Zur Regelung der Regelöffnung 5 ist ein schematisch in Fig. 13
ersichtlicher Schieberkegel 43 vorgesehen.
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Der Regelöffnung 5 gegenüberliegend ist ein Leitkegel 44 ausgebildet,
dessen Achse mit der Rotationsachse 41 zusammenfällt und welcher entsprechend dem
Krümmungsradius der die Wirbelkammer 6b beschreibenden Kreise konkav gekrümmte Mantellinien
hat. Der Scheitel des Leitkegels 44 ist der Regelöffnung 5 zugewendet.
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Bei einer derartigen Wirbelkammer 6b entsteht darin eine in sich ringförmig
geschlossene stationäre Wirbelströmung, durch welche der durch die Regelöffnung
5 eintretende Rund strahl am gesamten Umfang begrenzt wird.
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Die der Regelöffnung 5 gegenüberliegenden Wandteile der Wirbelkammer
6b sind für das STrömungsmedium durchlässig ausgebildet, so daß das Strömungsmedium
aus der Wirbelkammer 6b durch diese Wandteile 45 hindurch in den erw-eiterten Eintrittsteil
des koaxial mit der Rotationsachse 41 sich anschließenden Austrittsrohrs 2 abströmen
kann.
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Der Drall des abströmenden Strömungsmediums wird durch Wandreibung
in der Wirbelkammer 6b und durch die Reibung in den porösen Wandteilen 45 wie auch
durch innere Reibung im Strömungswirbel selbst abgebaut.
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