DE2721705A1

DE2721705A1 - Druckausgeglichenes ventil mit druckfuehleinrichtung

Info

Publication number: DE2721705A1
Application number: DE19772721705
Authority: DE
Inventors: Eldert Bergen Pool; Raymond Louis Schweitzer; Eugene Robert Then
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1976-05-13
Filing date: 1977-05-13
Publication date: 1977-11-24
Also published as: FR2351338B1; US4022247A; CA1075126A; IT1081745B; NL7704793A; JPS52137722A; BE854481A; GB1561249A; FR2351338A1; SE7705556L; CH620507A5; ES458762A1

Description

Pateitanwäle Dipl.-Ing. Oipt.-Chem Dipl-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsberger s tr asse 19 .

8 München 60 .£/21705

-M-

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION 12. Mai 1977

600 Grant Street

Pittsburgh, Pennsylvania 15219 /V.St.A.

Unser Zeichen: R 931

Druckausgeglichenes Ventil mit Druckfühleinrichtung

Die Erfindung betrifft ein druckausgeglichenes Ventil mit einer axialen Durchtrittsöffnung durch eine Hauptventiltelleranordnung, velche einen druckausgeglichenen Betrieb des Ventils erleichtert und Widerstandskräfte gegen die Schließbewegung des Ventils, die durch die Fluidströmung am Ventilteller vorbei bei dessen Annäherung an seinen Dichtsitz erzeugt werden, an einer Behinderung einer tatsächlich druckausgeglichenen Schließbewegung hindert.

Es ist eine große Anzahl von druckausgeglichenen Ventilen bekannt, wie dies beispielsweise in der US-PS 3 601 157 veranschaulicht ist, die in erster Linie dazu dienen, ein Hochdruckfluid abzusperren, welches von oberhalb des Dichtsitzes iil einer Normalrichtung strömt. Für den einwandfreien Betrieb dieser Ventile hat es sich gezeigt, daß eine vollwirksame Schließbewegung dadurch ermöglicht werden kann, daß eine Mehrzahl von kleinen Kanälen in der Hauptventiltelleranordnung vorgesehen wird, welche eine Strömungsverbindung zwischen der stromaufjge legen en Hochdruck-Fluidleitung und der Oberseite der Hauptventiltelleranordnung schaffen.

Mit Rücksicht auf erhöhte Anforderungen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit insbesondere in größeren Anlagen, die mit solchen Ventilen ausgestattet sind, hat es sich jedoch als zweck-

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mäßig erwiesen, eine alternative Ventilbauart zu schaffen, die schneller geschlossen werden kann und eine Fluidströmung in beiden Richtungen durch die Fluidleitung absperren kann. Da die kleinen Kanäle zur Absperrung von Fluid aus dem Bereich unterhalb des Dichtsitzes nicht geeignet sind, ist ein großes druckausgeglichenes Zweirichtungs-Ventil der aus der US-PS 3 888 280 ersichtlichen Art geschaffen worden, welches auch in Hochdruck-Fluidleitungen eingesetzt wurde. Diese druckausgeglichene Bauart ermöglicht eine betriebssichere Schließung des Ventils unabhängig von der Strömungsrichtung durch das Ventil durch eine Mehrzahl von Federn, wenn eine Öffnungskraft eines pneumatischen Antriebes nicht länger wirksam ist, um das Ventil in einer Offenstellung zu halten. Wenn das Ventil nicht wirksam druckausgeglichen wäre, so würde die zur Erzeugung der Schließbewegung des Ventils unter ungünstigen Bedingungen wie bei einem plötzlichen Leitungsbruch erforderliche Schließkraft eine Verwendung erheblich stärkerer Federn erfordern, was aus bautechnischen Gründen unerwünscht ist. Um Ventilbeschädigungen bei der Schließbewegung zu vermeiden, ist eine Stoßdämpfvorrichtung vorgesehen, welche die Geschwindigkeit der von den Federn angetriebenen Schließbewegung steuert und sicherstellt, daß diese Schließgeschwindigkeit in annehmbaren sicheren Grenzen bleibt.

Obwohl das Ventil gemäß der US-PS 3 888 280 im Sinne einer gesteuerten Absperrung der Fluidströmung in beiden Richtungen zufriedenstellend arbeitet, hat sich gezeigt, daß übermäßige Niederzugskräfte auftreten, wenn ein großes, mehr als 80 cm (32 inch) im Durchmesser messendes Ventil unter besonders schwierigen Strömungsbedingungen geschlossen wird. So kann es beispielsweise erforderlich sein, das Ventil gegen einen Fluiddruck von unterhalb des Dichtsitzes von rund 70 bar (1000 psi ) Einlaßdruck bei einem Auslaßdruck von 0 zu schließen, wie dies bei einem Leitungsbruch der Fall sein kann. Eine Un-

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tersuchung auf der Grundlage von Versuchen an einem verkleinerten Modell und unter Vervendung üblicher Ingenieur- und Analysemethoden hat gezeigt, daß die bei einem solchen großen Ventil unter extremen Bedingungen auftretende Niederzugskraft die Stoßdämpfeinrichtung überlasten könnte und damit zum Ausfall bringen könnte. Obwohl eine größere und/oder schwerere Stoßdämpfeinrichtung diese Gefahr vermeiden könnte, stellt eine solche bauliche Vergrößerung jedoch eine ungünstige Alternative dar. Der für die Stoßdämpfeinrichtung zur Verfügung stehende Bauraum im Betätigungsmechanismus für das Ventil ist begrenzt und eine Änderung der Einbaulage der Federn und anderer Bauteile des Betätigungsmechanismus führt zu ausgedehnten, teuren Neukonstruktionen. Da die Sicherheitsanforderungen bei Kraftverken auch seismische Erscheinungen berücksichtigen und daher auch eine Stoßfestigkeit des Ventils und der Leitungen gefordert vird, ist es auch von diesem Standpunkt aus unervünscht, die Masse der Stoßdämpfeinrichtung und damit des Betätigungsmechanismus zu vergrößern, der von den Leitungen absteht. Als Alternative verbleibt somit, die Gründe für die übermäßigen Niederzugskräfte zu bestimmen und die Kräfte selbst möglichst zu vermindern.

Die schnelle Fluidströmung von unterhalb des Dichtsitzes erzeugt einen Geschvindigkeitsdruck, der zum statischen Druck des Fluids hinzukommt und in einer axialen Öffnung in der Hauptventiltelleranordnung einen höheren Staudruck oder Gesamtdruck erzeugt. Der Einfluß des Geschwindigkeitsdruckes auf die axiale öffnung vird in die obere Kammer des Ventilgehäuses durch die axiale Öffnung in der Hauptventiltelleranordnung übertragen und erhöht in nachteiliger Weise den statischen Druck, der zur Erzeugung des Druckausgleichs erforderlich ist. Der sich ergebende Stauoder Gesamtdruck, der auf die Oberseite der Hauptventiltelleranordnung virkt, erzeugt die übermäßigen Niederzugskräfte und

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wird nicht ausreichend durch den niedrigeren Gesamtdruck von unterhalb der Hauptventiltelleranordnung ausgeglichen, der direkt auf den Ventilteller virkt. Dieser niedrigere Gesamtdruck kann wenigstens teilweise durch eine Neigung des Einlaßrohres und somit durch die Richtung.der Fluidströmung gegenüber dem Hauptventilteller erzeugt werden. Da der Staudruck ausreicht, um den Druck von unterhalb des Hauptventiltellers zu übersteigen, wird die Hauptventiltelleranordnung während der Schließbewegung gegenüber dem Ventilschaft nach unten verlagert und verhindert, daß die Axialöffnung durch einen Hilfsventilteller geschlossen wird, obwohl die Axialöffnung bei anderen Betriebszuständen des Ventils abgeschlossen werden kann.

Um zu vermeiden, daß der Geschwindigkeitsdruck des Fluids von unterhalb des Dichtsitzes einen zu starken überausgleich des Drucks erzeugt, kann eine Strömungsablenkeinrichtung vorgesehen werden, welche die direkte Beaufschlagung einer axialen öffnung durch die Hauptventiltelleranordnung durch die Fluidströmung vermeidet, wobei aber dennoch die axiale öffnung eine gute Strömungsverbindung der einander gegenüberliegenden Seiten der Ventiltelleranordnung ermöglicht. Eine solche Strömungsablenkeinrichtung kann bevorzugt eine Ablenkplatte aufweisen, die im Abstand von der unteren Oberfläche des Hauptventiltellers starr befestigt ist, wie dies in einer älteren Patentanmeldung, veröffentlicht als DT-OS 26 51 758, erläutert ist.

Trotz der verbesserten Arbeitsweise des Ventils gemäß der vorstehend genannten älteren Anmeldung hat sich gezeigt, daß dennoch während der Schließbewegung des Hauptventiltellers zusätzliche unerwünschte Kräfte wirken, wenn die Fluidströmung von oberhalb des Ventiltellers kommt. Das druckausgeglichene Ventil gemäß der älteren Anmeldung ist für eine schnelle Schließbewegung in jeder Durchströmungsrichtung ausgelegt, die im Falle eines Leitungsbruches auftreten könnte. Entsprechende Ver-

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suche und Analysen haben gezeigt, daß bei der Schließbewegung des Ventils im Falle eines Druckabfalles in der Leitung unterhalb des Dichtsitzes eine unerwünschte Aufwärtskraft durch die Fluidströmung auf den Ventilteller wirkt. Nach dem Ergebnis der bisherigen Untersuchungen wird durch diese Aufwärtskraft ein erheblicher Widerstand gegen die Schließbewegung erzeugt, wenn unmittelbar vor dem Abschluß der Abstand des Ventiltellers vom Sitz etwa 5 % bis 30 % des minimalen Öffnungsdurchmessers der Ventilanordnung beträgt, wobei das Fluid den Weg des geringsten Widerstandes von dem Strömungskanal oberhalb des Dichtsitzes am Ventilteller und am Dichtsitz entlang in den Strömungskanal unterhalb des Dichtsitzes sucht.

Jeder Widerstand gegen die Schließbewegung muß bei der Auslegung des Betätigungsmechanismus für das Ventil in Betracht gezogen werden. Ein derartiger Betätigungsmechanismus kann eine Federeinrichtung aufweisen, welche die für eine schnelle Schließbewegung erforderliche Kraft erzeugt. Diese Federeinrichtung müßte erheblich größer und stärker ausgebildet werden, wenn dieser Widerstand gegen die Schließbewegung nicht vermindert oder ausgeschaltet werden könnte, und eine stärkere und größere Federeinrichtung würde zu einer Verkomplizierung der Konstruktion bezüglich der Raumaufteilung, des Gewichtes und seismischer Überlegungen führen. Entsprechendes gilt natürlich auch, wenn andere Bauarten des Betätigungsmechanismus zur Erzeugung der schnellen Schließbewegung des Ventils verwendet würden. So könnte etwa der Betätigungsmechanismus gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 27 08 250 bei einem erfindungsgemäßen Ventil verwendet werden. Wie jedoch gerade in der DT-OS 27 08 250 im einzelnen erläutert ist, spielen die Größe und das Gewicht des Betätigungsmechanismus eine wesentliche Rolle, so daß eine Verminderung oder Vermeidung eines unerwünschten Widerstandes gegen die Schließbewegung von außerordentlichem Vorteil wäre, um zu einem zufriedenstellenden Auf-

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bau des Betätigungsmechanismus zu gelangen.

Eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt somit darin, ein druckausgeglichenes Ventil zu schaffen, welches während der gesamten Schließbewegung bei von oberhalb des Dichtsitzes kommender. Fluids trömung tatsächlich druckausgeglichen bleibt, obwohl die Fluidströmung unmittelbar vor dem Ende der Schließbewegung eine erhebliche Aufwärtskraft auf den Hauptventilteller erzeugt. Das Ventil soll dabei entweder als Ein-Richtungsventil oder als Zwei-Richtungsventil verwendbar sein. Weiterhin soll das Ventil billig herstellbar und auf einfache Weise mit einer Strömungsablenkvorrichtung versehbar sein, wenn eine solche für den Druckausgleich bei einer Schließbewegung gegen die Fluidströmung von unterhalb des Sitzes erforderlich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist im Prinzip im Hauptventilteller eine Reihe von sich nach außen erstreckenden Druckfühlkanälen vorgesehen, die in einem Umfangsbereich des Hauptventiltellers direkt unterhalb von dessen Sitzfläche vorgesehen sind, so daß ein erhöhter Druck auf die Oberseite der Hauptventiltelleranordnung übertragen wird, der dem Widerstand gegen die'Schließbewegung infolge der auf den Hauptventilteller wirkenden Aufwärtskraft entgegenwirkt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein druckausgeglichenes Ventil mit einem Gehäuse und einer zylindrischen Ventilkammer geschaffen, wobei ein Paar von Strömungskanälen einen unteren Teil der Ventilkammer schneidet. Ein ringförmiger Dichtsitz ist zwischen dem unteren Teil der Ventilkammer und einem ersten Strömungskanal vorgesehen und koaxial gegenüber dem zylindrischen Gehäuse ausgerichtet. Eine Hauptven— tiltelleranordnung ist axial beweglich in der zylindrischen Ventilkammer vorgesehen. Ein Hauptventilteller der Anordnung

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ist selektiv an den Dichtsitz anlegbar und weist einen konzentrischen hohlen Körper auf_t der sich vom Hauptventilteller aus in Richtung weg vom Dichtsitz erstreckt und in einem eingepaßten Kolbenteil endet, der gleitbeweglich in einem oberen Teil der zylindrischen Ventilkammer angeordnet ist. Ein koaxial angeordneter Ventilschaft erstreckt sich von einem oberhalb des Ventils angeordneten Betätigungsmechanismus durch den Oberteil der Ventilkammer, den Paßkolben und den hohlen rörper hindurch und endet bei einem Hilfsventilteller. Weiterhin ist eine Strömungsverbindung zwischen einem Bereich oberhalb der Ventiltelleranordnung und einem Bereich des Hauptventiltellers vorgesehen, mittels der die auf die gegenüberliegende Seite der Hauptventiltelleranordnung wirkenden Fluidkräfte zur Erleichterung der öffnungs- und Schließbewegung des Ventils unabhängig von der Durchflußrichtung des Fluids im wesentlichen steuerbar sind. Die Steuerung der Strömungsverbindung umfaßt eine vorbestimmte axiale Positionierung des Hilfsventiltellers während der Betätigung des Ventilschaftes zum öffnen und Schließen einer axialen öffnung durch die Hauptventiltelleranordnung hindurch. Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Druckfühlkanal im Hauptventilteller vorgesehen, der sich von einem Umfangsbereich des Hauptventiltellers zu einer Stelle in der axialen öffnung unterhalb des Hilfsventiltellers erstreckt. Der Umfangsbereich des Hauptventiltellers ist im ersten StrömungskaraL und in der Nachbarschaft des Dichtsitzes angeordnet, wenn der Hauptventilteller am Dichtsitz anliegt. Der Druckfühlkanal ist mit dem Paar der Strömungskanäle im wesentlichen fluchtend ausgerichtet, so daß die Fluidströmung in jeder Durchflußrichtung durch die Strömungskanäle in einen möglichst direkten Strömungsweg erfühlt werden kann, wenn die Hauptventiltelleranordnung sich dem Dichtsitz nähert.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung er- + unterhalb 709847/1095 _₈.

geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung, insbesondere in Verbindung mit den zusätzlichen Ansprüchen.

Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt gehaltene Teilseitenansicht eines erfindungsgemäßen Ventils,

Fig. 2 eine ebenfalls teilweise im Schnitt gehaltene Vergrößerte Teilansicht des Hauptventiltellers des Ventils gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung einer alternativen Ausführungsform.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist ein erfindungsgemäßes druckausgeglichenes Ventil 10 ein Ventilgehäuse 12 mit einer zylindrischen Ventilkammer 14 und einem Paar von Strömungska— nälen 16 und 18 auf, welche in einen unteren Teil 20 der zylindrischen Ventilkammer 14 münden. Ein ringförmiger Dichtsitz 22 ist zwischen dem unteren Teil 20 und dem Strömungskanal 16 angeordnet und liegt koaxial fluchtend zur zylindrischen Ventilkammer 14. Das Ventil 10 in der dargestellten Bauart stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar und ähnelt in seinem Grundaufbau dem Ventil nach der US-PS 3 888 280 oder der deutschen Offenlegungsschrift 26 51 758, auf die wegen weiterer Einzelheiten insoweit ausdrücklich Bezug genommen wird. Es liegt auf der Hand, daß die vorliegende Erfindung auf die speziellen Ventilausbildungen gemäß der vorgenannten US-tetentechrif t und der vorgenannten älteren Patentanmeldung anwendbar ist, jedoch auch bei anderen druckausgeglichenen Ventilen angewendet werden kann, die auf ähnliche Weise arbeiten. Darüber hinaus ist klar, daß die vorliegende Erfindung auch bei Ventilen anwendbar ist, die vor allem nur für eine Verwendung in einer Durchflußrichtung vorgesehen sind, obwohl nachfolgend

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das Ventil als Zwei-Richtungsventil erläutert wird.

In der zylindrischen Ventilkammer 14 ist eine Hauptventiltelleranordnung 24 des Ventils 10 axial beweglich angeordnet, derart, daß ein Hauptventilteller 26 der Hauptventiltelleranordnung 24 an den Ddchtsitz 22 anlegbar ist. Die Hauptventiltelleranordnung 24 weist weiterhin einen konzentrisch angeordneten hohlen Körper 28 auf, der sich vom Hauptventilteller 26 in Richtung vom Dichtsitz 22 weg erstreckt. Ein eingepaßter Kolben 30 der Hauptventiltelleranordnung 24 ist am äußeren Ende des hohlen Körpers 28 angeordnet und ist in einem oberen Abschnitt 32 der zylindrischen Ventilkammer 14 abgedichtet gleitbeweglich geführt. Der hohle Körper 28 kann einen Mittelteil mit einem gegenüber dem Hauptventilteller 26 kleineren Außendurchmesser aufweisen, wie dies in der Zeichnung veranschaulicht ist, oder kann sich aber auch im wesentlichen unmittelbar vom Rand des Hauptventiltellers 26 aus in Richtung auf den Kolben 30 erstrecken.

Ein Ventilschaft 34 erstreckt sich von einem nicht näher dargestellten, oberhalb der zylindrischen Ventilkammer 14 angeordneten Betätigungsmechanismus in den oberen Teil 32, den Kolben 30 und den hohlen Körper 28 hinein und durch diese Teile hindurch. Ein bevorzugter Betätigungsmechanismus, wie er beispielsweise aus der US-PS 3 888 280, auf die insoweit Bezug genommen wird, ersichtlich ist, weist einen Pneumatikantrieb, einen Stoßdämpfer und eine Mehrzahl von Federn auf, welche zur Schließung des Ventils 10 in Richtung des Pfeiles A eine Federkraft auf den Ventilschafft ausüben können. Ein Kragen 36 ist in einer in Längsrichtung festen Lage am Schaft 34 zwischen einander gegenüberliegenden Anlageflächen 38 und 40 des hohlen Körpers 28 bzw. des Tellers 26 gelagert. Der Schaft 34 durchsetzt den Kragen 36 und endet in

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einem Endstück 42. Das Endstück 42 des Schaftes 34 erstreckt sich durch eine Öffnung 44 eines Hilfsventiltellers 46. Eine Verdickung 48 am Endstück 42 liegt in einem Hohlraum 50 des Hilfsventiltellers 46, so daß während der gesamten Ventilbetätigung der Hilfsventilteller 46 am Endstück 42 des Schaftes 34 gehalten "ist.

In Fig. 1 ist die Ventilstellung veranschaulicht, in der die Hauptventiltelleranordnung 24 durch die Federkraft in ihrer Schließbewegung ist und dabei eine Stellung vor der endgültigen Schließstellung erreicht wird, in der ein unerwünschter Widerstand gegen die Schließbewegung in der einleitend erläuterten Weise aufgetreten ist. Die Abwärtsbewegung des Schaftes 34 und des Kragens 36 gestattet eine Abwärtsbewegung der Hauptventiltelleranordnung 24 in Richtung auf den Dichtsitz 22, Während der Abwärtsbewegung gegen die Fluidströmung entweder aus dem Strömungskanal 16 oder aus dem Strömungskanal 18, wie dies durch die Pfeile B bzw. C veranschaulicht ist, soll der Fluiddruck unter dem Ventilteller 26 im unteren Teil 20 durch eine axiale Öffnung 52 in der Hauptventiltelleranordnung 24 in den oberen Teil 32 übertragen werden, so daß dort für den Druckausgleich bei der Schließbewegung im wesentlichen derselbe Fluiddruck herrscht. Eine Feder 54 ermöglicht eine Aufwärtsbewegung des Hilfsventiltellers 46 nach Art eines Rückschlagventiles, so daß das Fluid durch den Raum 56 um den Hilfsventilteller 46 herum und durch Öffnungen 48 im Kragen 36 in den oberen Teil 32 der Ventilkammer 14 fließen kann.

Wie in der oben erwähnten Offenlegungsschrift, auf die Bezug genommen ist, näher erläutert ist, beaufschlagt die Fluidströmung unterhalb des Dichtsitzes 22 während der Schließbewegung die axiale öffnung 52. Der Geschwindigkeitsdruck der Strömung in dieser Richtung addiert sich zu dem statischen

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Druck des Fluids und erzeugt in der axialen öffnung 52 einen Staudruck, der um den Hilfsventilteller 46 herum in den Oberteil 32 der Ventilkammer 14 übertragen wird. Der sich einstellende Staudruck im oberen Teil 32 der Ventilkammer 14 erzeugt in der einleitend erläuterten Weise eine tibermäßige Niederzugskraft, da der eingepaßte Kolben 30 praktisch keine Leckströmung um die Hauptventiltelleranordnung 24 herum zuläßt. Um den Einfluß des auf die axiale öffnung 52 wirkenden Geschwindigkeitsdruckes zu vermindern, ist eine Ablenkvorrichtung 62 vorgesehen. Die Ablenkvorrichtung 62 weist bevorzugt eine Ablenkplatte 64 auf, die an der unteren Fläche 60 des Hauptventiltellers 26 im wesentlichen fluchtend mit der axialen öffnung 52 befestigt ist. Obwohl die Ablenkvorrichtung 62 nach der vorliegenden Erfindung gegenüber dem älteren Vorschlag unterschiedlich aufgebaut ist und unterschiedlich in ihrer Ausrichtung gegenüber der axialen öffnung 52 gelagert ist, um eine direkte Beaufschlagung der axialen öffnung 52 durch die Fluidströmung aus dem Strömungskanal 16 zu vermeiden, stellt die veranschaulichte Ablenkplatte 64 aus den nachstehend erläuterten Gründen eine nunmehr bevorzugte Ausführungsform dar.

Hauptanliegen der Erfindung ist jedoch die Auswirkung·auf den Druckausgleich des Ventiles, die auftritt, wenn die Hauptventiltelleranordnung 24 gegen eine Fluidströmung aus dem Strömungskanal 18 in den Strömungskanal 16, die durch einen Pfeil C veranschaulicht, geschlossen wird. Zum Ausgleich des Fluiddruckes im oberen Teil 32 der Ventilkammer 14 und unterhalb des Hauptventiltellers 26 ermöglicht die axiale öffnung 52 eine Strömungsverbindung oberhalb und unterhalb der Hauptventiltelleranordnung 24, jedoch müßten die Drücke über die gesamte Oberseite und Unterseite der Hauptventiltelleranordnung 24 gleich sein, wenn die Hauptventiltelleranordnung 24 vollständig druckausgeglichen sein soll. Jedoch ist während der

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Schließbewegung der Druck unterhalb des Hauptventiltellers 26 nicht gleichförmig, wenn das Fluid von oberhalb des Dichtsit— zes 22 in den Strb'mungskanal 16 strömt.

Im einzelnen sucht das Fluid bei einer. Strömung aus dem Strömungskanal 18 in- den Strömungskanal 16 unmittelbar vor dem Erreichen der Schließstellung, wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist, einen Weg des geringsten Widerstandes gemäß Pfeil C. Während der größte Teil der Unterseite des Hauptventiltellers 16 einem vergleichsweise geringeren Druck infolge des Druckabfalles in dem Strömungskanal 16 etwa im Falle eines Leitungsbruches ausgesetzt ist, ist ein Umfangsbereich 66 des Hauptventiltellers 26 einem Fluiddruck ausgesetzt, der größer ist als der Fluiddruck im Strömungsijanal 16, jedoch geringer als der Fluiddruck im Strömungskanal 18. Der Umfangsbereich 66 fluchtet im wesentlichen mit den Strömungskanälen 18 und 16 im Bereich der Maximalströmung zwischen diesen Strömungskanälen, wenn das Fluid unmittelbar vor dem Erreichen der Schließstellung am Dichtsitz 22 vorbeiströmt. Der erhöhte Druck im Umfangsbereich 66 erzeugt eine zusätzliche Kraft auf die Hauptventil te Her anordnung 24 von unterhalb des Hauptventiltellers 26 in einer Richtung, die im wesentlichen durch den Pfeil D veranschaulicht ist. Die Kraft gemäß Pfeil D weist eine aufwärtsgerichtete Komponente auf, welche der Schließbewegung entgegen wirkt. Dieser Zustand tritt beim Ventil 10 auf, wenn es entweder als Ein-Richtungsventil oder als Zwei-Richtungsventil ausgebildet und eingesetzt ist.

Da die auf den Umfangsbereich 66 wirkende Kraft nicht gleichförmig um die Unterseite des Hauptventiltellers 26 erteilt werden kann und daher bei der Axialöffnung 52 im Bereich der Ablenkplatte 64 nicht wirksam ist, sind Mittel vorgesehen, mit denen der Fluiddruck am Umfangsbereich 66 abgefüllt und die axiale öffnung 52 tibertragen werden kann. Hierzu ist wenig-

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stens ein Druckfühlkanal 68 im Hauptventilteller 26 vorgesehen, der sich vom Umfangsbereich 66 aus zur axialen öffnung 52 erstreckt und mit den Strömungskanälen 16 und 18 sowie mit der Strömung zwischen den Strömungskanälen am Dichtsitz 22 vorbei fluchtet.

Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist, weist das Ventil 10 in der bevorzugten Ausführungsform eine Mehrzahl von Druckfühlkanälen 68 auf, im Beispielsfalle von zwölf Kanälen, die gleichmäßig verteilt angeordnet sind und sich sternförmig radial von der Axialöffnung 52 aus erstrecken* Diese Anordnung oder Reihe der Druckfühlkanäle 68 erleichtert eine freie Drehung der Hauptventiltelleranordnung 24 während des Ventilbetriebes und stellt dabei sicher, daß wenigstens einer der Druckfühlkanäle 68 gegenüber der Fluidströmung in Richtung des Pfeiles C ausgerichtet ist und daher den höheren Fluiddruck im Umfangsbereich 66 erfaßt, der in erster Linie die Aufwärtskraft gemäß Pfeil D erzeugt. Wenn eine vergleichsweise große Anzahl von Kanälen in dem Hauptventilteller 26 vorgesehen ist, so ist in jedem Falle zu erwarten, daß einige der Kanäle 68 in ausreichendem Maße gegenüber dieser Zone höheren Fluiddruckes ausgerichtet sind und zur Erzeugung des gewünschten resultierenden Druckes in der axialen öffnung 52 zusammenwirken. Die radiale, sternförmige Anordnung der DruckfühIkanale 68 ausgehend von der axialen öffnung 52 dient vor allem zur Fertigungsvereinfachung, wobei zu beachten ist, daß an sich jede Ausbildung eines Verbindungskanals den angestrebten Zweck erfüllt, der sich von der axialen öffnung 52 aus nach außen erstreckt und am Umfangsbereich 66 endet.

Infolge der Schwierigkeiten bei der Herstellung einer solchen langen engen Bohrung, ist zur Verminderung der Länge der sich vom Umfangsbereich 66 direkt unterhalb der Sitzfläche 71 des Hauptventiltellers 26.erstreckenden Druckfühlkanäle 68 die

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axiale Öffnung 52 erweitert ausgebildet. Eine Erveiterung der axialen öffnung 52 ist unterhalb des Hauptventiltellers 46 angeordnet und schafft dort einen gegenüber dem Bereich des Hilfsventiltellers 46 wesentlich vergrößerten Durchmesser der axialen öffnung 52. Die Erweiterung 70 bildet den Endpunkt für jeden Druckfühlkanal 68, so daß dessen erforderliche Länge vermindert wird.

Die Erweiterung 70 der axialen öffnung 52 erleichtert eine alternative Lagerung für die Ablenkvorrichtung 62. Dabei weist die Ablenkvorrichtung 62 immer noch eine Ablenkplatte 64 auf, wie sie bereits verwendet wurde, jedoch ist zusätzlich ein sich nach oben erstreckender Kragenabschnitt 72 mit einem Außengewinde 74 vorgesehen, welches in ein Innengewinde 76 in der Erweiterung 70 eingreift. Der Kragenabschnitt 72 ist bevorzugt beispielsweise durch Schweißung starr an der Ablenkplatte 64 befestigt und weist eine Mehrzahl von Bohrungen 78 auf, die ihn durchsetzen und die Strömungsverbindung zwischen dem Fluid im Bereich der Unterseite 60 des Hauptventiltellers 26 mit dem Innenraum der axialen öffnung 52 erleichtern. Die bei der dargestellten Ausführungsform vorgesehenen sechzehn öffnungen oder Bohrungen 78 sind gleichmäßig um den Umfang des Kragenabschnittes 72 verteilt, so daß unabhängig von der Ausrichtung des Hauptventiltellers 26 während des Ventilbetriebes Fluid in die axiale öffnung 52 eintreten kann.

Die Gewinde 74 und 76 stellen zwar sicher, daß die Ablenkplatte 64 sicher am Hauptventilteller 26 gehalten ist, sie dienen jedoch nicht zur Sicherung der richtigen Lage der Ablenkplatte 64 gegenüber der Unterseite 60 des Hauptventiltellers 26. Daher ist wenigstens ein Abstandsrohr 80 vorgesehen, wobei im Beispielsfalle drei solcher Abstandsrohre 80 gleichmäßig am Umfang verteilt vorgesehen und beispielsweise durch Schweißung an der Oberseite der Ablenkplatte 64 befestigt sind.

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Die Höhe der Abstandsrohre 80 ist so gewählt, daß die Einführung des Kragenabschnittes 72 in die Erweiterung 70 dadurch begrenzt ist, daß die Abstandsrohre an der Unterseite 60 des Hauptventiltellers 26 anliegen. Jedes Abstandsrohr 80 weist ebenso die ein damit fluchtender Schnitt, der Ablenkplatte, an der das Abstandsrohr 80 befestigt ist, eine Durchtrittsöffnung 82 auf. Um eine Drehung der Ablenkplatte nach ihrer Montage am Hauptventil teller 26 zu vermeiden, wird mit einem Bohrer, der die Durchtrittsöffnung 82 in einem der Abstandsrohre 80 durchsetzt, eine damit fluchtende Sackbohrung 84 im Hauptventilteller 26 angebracht. Ein Stift 86 wird sodann durch die Durchtrittsöffnung 82 in die Sackbohrung 84 eingesteckt und in dieser Stellung angeschweißt oder angeheftet, so daß während des Ventilbetriebes eine Drehung der Ablenkvorrichtung 62 sicher vermieden ist.

In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform veranschaulicht, die einen Hauptventilteller 88, eine axiale öffnung 90 und eine andere Ablenkvorrichtung 92 aufweist. Auch im Falle der Ausftihrungsform gemäß Fig. 3 ist eine Erweiterung 94 vorgesehen, mit der die erforderliche Länge der Druckfühlkanäle 96 vermindert werden kann, die sich vom Umfangsbereich 98 unterhalb der Sitzfläche 100 des Hauptventiltellers 88 aus nach innen erstrecken; die Ablenkvorrichtung 92 weist eine gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 2 unterschiedlicher Ausbildung auf. Die Ablenkvorrichtung 92 weist insoweit noch übereinstimmend eine Ablenkplatte 102 auf, die der Ablenkplatte 62 ähnlich ist, jedoch ist ein Kragenabschnitt 104 anders an der Ablenkplatte 102 gelagert und sind andere Maßnahmen getroffen, um eine Strömungsverbindung des Fluids -von unterhalb des Hauptventiltellers 88 mit der axialen öffnung 90 zu erleichtern.

Der Kragenabschnitt 104 ist mit einer Mehrzahl von Schraub-

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bolzen 106 an der Ablenkplatte 102 befestigt, wobei jeder Schraubbolzen 106 sich durch den Kragenabschnitt 104 und durch ein Abstandsstück 108 hindurch in eine Gevindebohrung 110 erstreckt, welche die Ablenkplatte 102 durchsetzt. Die Schraubbolzen 106 und die Abstandstücke 108, von denen in der bevorzugten Ausführungsform sechs vorgesehen sind, sind gleichmäßig in ümfangsrichtung verteilt angeordnet, so daß zwischen den Schraubbolzen 106 und den Abstandsstücken 108 freie öffnungen bleiben, durch die hindurch unabhängig von der Ausrichtung des Hauptventiltellers 88 während des Ventilbetriebes Fluid strömen kann. Der Kragenabschnitt 104 ist auch in dieser Ausführungsform in die Erweiterung 94 der axialen öffnung 90 eingeschraubt, wobei der Kragenabschnitt 104 so weit in die Erweiterung 94 eingeführt ist, daß er eine Stelle 112 der Erweiterung 94 überdeckt, an der die Druckfühlkanäle 96 münden. Um den Druck an der Stelle 112 in die axiale öffnung 90 zu übertragen, ist eine Umfangsnut 114 in der Außenfläche des Kragenabschnitts 104 gegenüber der Stelle 112 ausgerichtet vorgesehen und erstreckt sich eine Mehrzahl von Durchbrüchen 116 von der Umfangsnut 114 aus nach innen zu einer inneren öffnung 118 des Kragenabschnittes 104. Die Umfangsnut ist groß genug, um eine Strömungsverbindung von den Druckftihr— kanälen 96 zu jedem der Durchtrittsöffnungen 116 herzustellen, wenn der Kragenabschnitt 104 voll in die Erweiterung 94 eingeschraubt ist. Um eine richtige Positionierung der Ablenkplatte 102 zu sichern und eine Drehung der Ablenkplatte 102 gegenüber— dem Hauptventilteller 88 zu vermeiden, sind ebenfalls ein Abstandsrohr .120 und ein Stift 122 vorgesehen.

Die vorstehend erläuterten Ausftihrungsformen mit Druckftihlkanälen dienen zur übertragung eines höheren Fluiddruckes in den oberen Teil 32 der zylindrischen Ventilkammer 14, um den unmittelbar vor dem Erreichen der Schließstellung auftretenden Widerstand entgegen zu wirken und diesen zu überwinden, der

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durch die Fluidströmung aus dem Strömungskanal 18 am Dichtsitz 22 erzeugt wird, vobei jedoch während einer Schließbevegung gegen eine Strömung aus dem Strömungskanal 16 in Richtung des Pfeiles B in Fig. 1 ein zusätzlicher Vorteil auftritt. Wie weiter oben erläutert ist wird infolge des Druckabfalles im Fluid bei der Strömung in Richtung des Pfeiles C ein höherer Druck im Druckfühlkanal 68 erfühlt. Ähnlich treten Druckabfälle bei einer Strömung in der anderen Richtung, wenn der Strömungskanal 18 den geringeren Druck aufweist, wie dies im Falle eines Leitungsbruches sein kann, über den Umfangsbereich 66 auf, wenn das Fluid aus dem Bereich höheren Druckes im Strömungskanal 16 ausströmt. Zwar dient die Ablenkvorrichtung 62 zur Verminderung der Niederzugskraft auf die Hauptventiltelleranordnung 24 während der Schließbewegung gegen eine Fluidströmung in dieser Richtung, jedoch könnte ein Rest von Geschwindigkeitsdruck des Fluids noch wirksam bleiben, so daß der Druck im oberen Teil 32 über der Hauptventiltelleranordnung 24 eine Niederdrückkraft erzeugen könnte, die etwas größer ist als die während der Schließbewegung auftretenden nach oben gerichtete Kraft. Da der Fluiddruck im umfangsbereich 66 während der Strömung in Richtung des Pfeiles B geringer ist, wirkt der Druckfühlkanal 68 sich im Sinne einer Verminderung des Druckes in der axialen öffnung 52 und damit auch im oberen Teil 32 aus, so daß jede verbleibende unerwünschte Niederzugskraft auf die Hauptventiltelleranordnung 24 weiter vermindert wird. Während somit der Druckfühlkanal 68 bei einer Strömung aus dem Ströntungskanal 18 den Druck über der Hauptventiltelleranordnung 24 erhöht, um einen Widerstand gegen die Schließbewegung zu überwinden, senkt der Druckfühlkanal 68 den Druck über der Hauptventil telleranordnung 24 während der Schließbewegung gegen eine Strömung aus dem Strömungskanal 16 ab, um die Niederzugskraft zu vermindern, welche durch eine Strömung in dieser Richtung erzeugt werden könnte.

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Wie aus den vorstehenden Erläuterungen ohne weiteres ersichtlich ist, kann die Erfindung auch bei einem Zwei-Richtungsven— til Anwendung finden, welches keine Ablenkvorrichtung besitzt. Wie in der weiter oben erwähnten älteren Patentanmeldung, in der bereits eine Ablenkvorrichtung vorgeschlagen ist, näher erläutert ist, könnten bei einigen Strömungskanalausbildungen für das Ventil die Geschwindigkeitskräfte nicht zu einer wesentlichen unausgeglichenen Niederzugskraft während der Schließbewegung gegen eine Strömung von unterhalb des Dichtsitzes führen. Die vorliegende Erfindung wäre somit offensichtlich auch zur Erzielung eines druckausgeglichenen Betriebs eines solchen Ventiles ohne Ablenkvorrichtung geeignet. Wie im vorherigen Absatz näher erläutert ist, kann die Erfindung darüberhinaus auch die Größe der Auswirkung der Geschwindigkeitskräfte beeinflussen, die noch bestehen könnten. Durch Änderung der axialen Öffnung oder durch Anwendung einer nur teilweisen Ablenkung in unterschiedlicher Ausbildung kann die Erfindung dazu verwendet werden, die Auswirkung der Geschwindigkeitskräfte zu steuern, so daß ein druckausgeglichener Betrieb während der Schließbewegung gegen eine Strömung in jeder der beiden Richtungen erzielt werden könnte. Die Druckfühlkanäle können daher im Einzelfall so ausgelegt werden, daß sich unter Berücksichtigung der Art und der Größe der auf den Schließteil wirkenden Kräfte für jede spezielle Ventilausbildung ein zufriedenstellender Druckausgleich ergibt. Die Größe, Ausrichtung und Anzahl der Kanäle kann hierzu selbstverständlich abgeändert werden. Unter Berücksichtigung des gesamten Bereiches der Druckabfallserscheinungen bei der Vorbeiströmung des Fluids am Haupt— ventilteller und dem Dichtsitz kann auch die genaue Lage des Umfangsbereiches und so der Endpunkt jedes Druckfühlkanales in Bezug auf die Sitzfläche des Hauptventiltellers geändert werden. Hierdurch könnte eine vorbestimmte Größe der Kompensationswirkung gewählt werden, die während der Schließbewegung bei Strömung in einer Richtung im Vergleich zur Strömung

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in der anderen Richtung erzielt vird.

Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, kann die vorliegende Erfindung für druckausgeglichene Ventile in Ausbildung als Ein-Richtungsventil oder als Zwei-Richtungsventil Verwendung finden. Obwohl die vorliegende Erfindung selbstverständlich für größere Ventile, bei denen größere unausgeglichene Kräfte auftreten, von besonderer Bedeutung ist, ist eine Anwendung auch bei kleineren Ventilen sinnvoll, da dann die Größe und/oder das Gewicht des Betätigungsmechanismus entsprechend vermindert werden kann. Weitere Abwandlungen und Veränderungen sind möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

\h J Druckausgeglichenes Ventil mit einem Ventilgehäuse mit einer zylindrischen Ventilkammer und einem Paar von in einem unteren Teil der zylindrischen Ventilkammer einmündenden Strömungskanälen, mit einem ringförmigen Dichtsitz zwischen dem unteren Teil der Ventilkammer und einem ersten der Strömungskanäle, wobei der Dichtsitz koaxial zur zylindrischen Ventilkammer ausgerichtet ist, mit einer axial in der zylindrischen Ventilkammer beweglichen,selektiv mit einem Hauptventilteiler an den Dichtsitz anlegbaren Hauptventiltelleranordnung, welche neben dem Hauptventilteller einen konzentrischen Körper aufweist, der sich vom Hauptventilteller in Richtung weg vom Dichtsitz erstreckt und in einem eingepaßten Kolben endet, welcher gleitbeweglich in einem oberen . Teil der zylindrischen Ventilkammer angeordnet ist, mit einem koaxialen, von einem oberhalb des Ventils liegenden Betätigungsmechanismus durch den oberen Teil der Ventilkammer, den Kolben und den hohlen Körper erstreckenden Ventilstange welche an einem Hilfsventilteller endet, und mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer Strömungsverbindung zwischen einem Bereich über der Hauptventiltelleranordnung und einem Bereich unter dem Hauptventilteller zur Steuerung der auf die gegenüberliegenden Seiten der Hauptventiltelleranordnung wirkenden Kräfte zur Erleichterung der öffnungs- und Schließbewegung des Ventils unabhängig von der Durchflußrichtung durch das Ventil, wobei die Verbindungseinrichtung mit einer vorbestimmten axialen Positionierung des Hilfsventil-

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ORIGINAL INSPECTED

tellers während des Betriebs des Ventilschaftes zum öffnen und Schließen der axialen Öffnung durch die Hauptventiltelleranordnung arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Druckfühlkanal im Hauptventilteller vorgesehen ist,, der sich von einem Umfangsbereich des Hauptventiltellers zu einer Stelle in der axialen Öffnung unterhalb des Hilf'sventiltellers erstreckt, daß der Umfangsbereich des Hauptventiltellers in dem ersten Strömungskanal und in der Nachbarschaft des"Dichtsitzes liegt, venn der Hauptventilteller am Dichtsitz anliegt, und daß der Druckfühlkanal mit dem Paar der Strömungskanäle im wesentlichen fluchtet und die Fluidströmung zwischen den Strömungskanälen bei Annäherung des HauptventilteUers an den Dichtsitz möglichst unmittelbar erfühlt.
2. Ventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Vermeidung einer Beaufschlagung der axialen Öffnung der Hauptventiltelleranordnung während der Schließbewegung des Ventils durch die Fluidströmung aus dem ersten Strömungskanal zur Verminderung der Auswirkungen des Geschwindigkeitsdruckes auf die axiale Öffnung.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Druckfühlkanälen in einer sich von der axialen Öffnung aus nach außen erstreckenden Anordnung vorgesehen ist.
4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfühlkanäle gleichmäßig verteilt angeordnet sind und sich von der axialen Öffnung aus radial erstrecken.
5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Öffnung eine Erweiterung aufweist, in welche die Druckfühlkanäle münden.

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6. Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Vermeidung einer Beaufschlagung der axialen Öffnung durch Strömung aus dem ersten Strömungskanal eine Strömungsablenkvorrichtung in Form einer kreisförmigen Ablenkplatte mit einem angesetzten Kragenabschnitt aufweist, der in die Erveiterung der axialen Öffnung fluchtend eingeschraubt ist.
7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Positionierung der Ablenkplatte gegenüber dem Hauptventilteller und zur Vermeidung einer Drehung der Ablenkplatte gegenüber dem Hauptventilteller beim Betrieb des Ventils vorgesehen ist.
8. Ventil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragenabschnitt zur Erleichterung der Fluidströmung von unterhalb des Hauptventiltellers in die axiale Öffnung eine Mehrzahl von sich axial erstreckenden Durchbrüchen aufveist,
9. Ventil nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Erveiterung der axialen Öffnung eingeführte Kragenabschnitt die Mündung der Druckftihlkanäle überdeckt und eine mit der Mündung der Druckfühlkanäle fluchtend ausgerichtete Umfangsnut sovie eine Mehrzahl sich radial erstreckender Durchbrtiche aufveist, die sich von der Umfangsnut bis zu einem Außenbereich der axialen Öffnung erstrecken.

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