DE1550435A1

DE1550435A1 - Drosselvorrichtung

Info

Publication number: DE1550435A1
Application number: DE19661550435
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Odendahl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1966-02-25
Filing date: 1966-02-25
Publication date: 1970-08-13
Also published as: JPS4820049B1; NL6615390A; US3469591A; GB1142379A; NL151486B; FR1504819A

Description

W. ODENDAHL . " Blott \ ium Schreiben vom 22· 2. 1966

Y-C/a/O/Sch'd.

Ί550Α35

"Drosselvorrichtung"

Die Erfindung- betrifft' eine Drosselvorrichtung für strömende Me— dien, insbesondere Flüssigkeiten, die unter hohem .Jruck stehen und entspannt werden sollen, wobei das Druckgefälle überwiegend in der Drosselvorrichtung vernichtet wird« Die drosselvorrichtung kann als Drossel- und/oder Absperrventil oder Kaskadendrossel eingesetzt werden.

Drosselventile, bei denen durch Verschiebung eines kolbenförmigen Verschlußstückes der freie Durcbflußquerschn'itt und damit die durchfließende Äienge verändert wird, sind bekannt, ii^s ist auch bekannt, die Drosselkolben mit Längsnuten von dreieckigem oder .tratiezförmigem querschnitt zu vergehen. Ferner ist es bekannt," die Jrosselschlitze als schräge Ringnuten oder als üewindegänge auszubilden. Darüberhinaus ist es bekannt, solche Jrosselvorrichtungen mehrstufig auszuführen und dabei den ./in dungs sinn der Üewindegänge .von .-Jtufe zu otufe zu wechseln,, Bekannt ist außerdem, die V/irkung einer Drosselvorrichtung durch erzeugen einer ..irbelströüiung mit zentralem Austritt zu erhöhen, sowie mittels eines Drosselkolbens eine Vielzahl von langen und engen Brosselkanälen oder Kapiliarröhren zu- oder abzuschalten, um die Durchflußmenge zu verändern.

Diese bekannten Drosseivorrichtungen werden den heutigen Anforderungen an liochdruckentspannungsventilen nicht voll gerecht, teils weil sie schnell verschleißen und dadurch ihre Charakteristik verändern oder sogar ganz versagen, teils weil sich die engen i/rosselnuer schnitte durch ..us füllung en von gelösten ο t offen .jtj. . ürchJ auf en des Druckgof all et, in bestimmten Temperaturbereichen verstopfen und teils-weil ihre Herstellung so kompliziert ist, daß sie kostenaufwendig sind und die -ceproduzierbarkeit der Ventilcharakteristik nicht gewährleistet ist.

Durch die .-rf indunp; werden die i\aci: teile der bekannten Vomch-

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tungen vermieden. Die erfindungsgemäße Drosselvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß sie einfach und biJLLig hergestellt und die Ventilcharakteristik genau reproduziert werden kann, daß mit einfachen V/erkzeugen alle regeltechnisch verlangten Ventilcharakteristiken erzeugt werden können, und ganz besonders dadurch, daß auf dem ütrömungsweg durch .'-irbei die für den Lrosionsverschleiß verantwortlichen hohen btrbmun^sgeschwindigkeiten und die für die Kavitation verantwortlichen Unterdruckbereiche von den '..caidungen ferngehalten werden. Die Erfindung ergibt stabile und insbesondere biegesteife Drosselkolben, die den beträchtlichen ünergieumsatzen gewachsen sind.

Die Vorteile der Erfindung werden dadurch erzielt, daß in einer Drosselvorrichtung mit zur Einströmrichtung konzentrischen itotationshohlräumen, in denen konzentrisch ein kolbenförmiger Einsatz mit schräg verlaufenden Drosselschlitzen steckt, die die Rotationshohlräume miteinander verbinden, die Drost-elschlitzo eegmental eingeschnitten sind. Derartige urosselschlitze können durch geradlinige Bearbeitung exakt und billig hergestellt werden. Trotz ihrer Geradlinigkeit sind sie aber Teil einer doppelt gekrümmten Fläche, nämlich eines einschaligen Hyperboloids, so daß die Strömung ohne plötzliche Richtungsänderung in die :<otationshohlräume eintreten kann, insbesondere wenn die eSntrittseitige Fläche des iiotationshohlraums als entsprechendes iiyi>erboloid ausgebildet ist.

Die Ausführung einer Flanke der Drosselschlitze als gekrümmte Fläche ermöglicht die Verwirklichung jeder re^eltechnisch in frage kommenden Ventilcharakteristik mit einfachsten rütteln, Die örtliche Tiefe des Jrosselschlitzes ist durch das eegmeatale Einschneiden gegeben; der hubabhäniige freie otrömuniis-~ querschnitt hängt somit vom Verlauf des tr of ils ab. «üenn keine entsprechenden Profilformfräser vorhanden sind, kann notfalls sogar eine Herstellung durch stoßen mit Profilstählen erfolgen. Dadurch, daß die eintrittseitige Flanke der wrosselschlitze als ebene Fläche ausgebildet wird, erzielt man eine gute jtröaiun-,ο-führung auch bei stark gekrümmter zweiter Flanke. Wenn der irufilformfräser segmental nicht ganz durchschneidet, bleibt im

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Auslauf ein Teil der Grundlinie kreisförmig gekrümmte Eintrittseitig v;ird dadurch die Ventilcharakteristik so verändert, daß der Ventiidurchfluß im unteren Verstellbereich relativ steiler ansteigt.

Da ein einschaliges Hyperboloid durch zwei Scharen von Geraden erzeugt werden kann, die sich nur durch ihre Schräglage unterscheiden, besteht die Möglichkeit, die ..Schräglage der Drosselschlitze bei mehrstufiger Ausführung von »Stufe zu otufe zu wechseln und so die Reaktionskräfte sich gegenseitig aufheben zu lasten«

Wird der Rotationshohlraum so ausgebildet, daß ein Ringkanal entsteht, der annähernd so tief wie breit ist, bildet sich ein stabiler Ringwirbel, in dem die Lnergieumsetzung in härme durch Flüssigkeitsreibung erfolgt.

Durch die Ausbildung der Austrittsöffnung als ..irbeldüse wird ' gewährleistet, daß eventuelle Darapfblasen fern von der .Lm ¹SjL r Beikern abgeführt werden. Dadurch werden in der Abströmleitung Kavitationsschäden und unangenehme Kavitationsgeräusche vermieden.

Die Ausführung der Drosselvorrichtung als Doppelsitzventil führt zu relativ kleinen Ventilen mit weitgehend entlastetem VerschluL-stück» Ganz besonders vorteilhaft ist aber, daß bei dem seitlichen Austritt der Strömung durch eine nirbeldüse das Lntstehen einer Karman-Wirbelstraße mit den gefürchteten periodischen iiiickwirkungen auf den Ventilschaft vermieden wird. Durch .»bstimmun«, der Ventildurchraesser, kann man'infolge der Differentialkolbenwirkung den vom Medium herrührenden Differenzdruck in eine üchließ- oder auch in eine üffnungskraft umwandeln und so die Betätigung des Verschluiistückes erleichtern

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Die Fig. 1 zeigt die jJrosselvorrichtung als einstufiges Drosselventil. Am Ventilschaft 1 befindet sich der Ventilsitz 2, an den sich

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der urosselkolben 3 anschließt. Im Ventilgehäuse 4 ist der Gegensitz 5 mit anschließendem Ringkanal G untergebracht. Im urosselkolben 3 sind segmental und schräg zur Ventilachse auf dem Umfang gleichmäßig verteilt Drosselschlitze 7 eingearbeitet. Deren Grundlinien sind als Geraden die Erzeugenden eines einschaligen Hyperboloids. Die i^rosselschlitze 7 lassen sich beispielsweise mit einem Profilformfräser auf einfache Vteise herstellen, indem der Ventilschaft 1 schräg zur Bewegungsrichtung des Frästisches aufgespannt und bearbeitet wird. Der freie Querschnitt der Drosselschlitze 7 nimmt von null bis zu einem ivlftximum zu und anschließend wieder bis null ab. Die Blendenöffnung 8 zwingt die strömung; durch die Drosselscblitze 7, wodurch eine Drehbewegung der »Strömung um die Ventilachse erzeugt wird. Die Fläche 9, die kegelig und in ihrem Verlauf passend zum einschaligen Hyperboloid der Drosselschlitze 7 hergestellt ist, führt die Strömung in den Ringktmal 6, wo sich ein um die Ventilachse rotierender Kingwirbel Io ausbildet. Ringwirbel sind sehr stabile Gebilde und zehren ihre Energie durch innere -ieibung auf. uie ...aximalgeschuindigkeiten herrschen im Kern 11, der rotiert und rechts aus eier Zeichnun^-sebene heraustritt sowie links in sie eintritt. Der Umsatz von Strömungsenergie in ",?ärme findet hauptsächlich in der Nähe des Kern 11 also fern von den ..aiidungen statt, so daß kein Verschleiß auftritt und Entspannungsgerlusche veitestgehend vermieden werden. Die .austrittsblende 12 hält den Ringwirbel Io im Ringkanal 6 und läßt je nach Größe des Ringspaltes Io, der durch den Drosselkonus 14 verändert wird, die Strömung' mehr oder weniger gehindert abfließen.

Die Fig. 2 zeigt den Ventilschaft 1 mit Ventilsitz 2 und Drosselkolben 3 von der Abströmseite aus gesehen. Die Grundlinien 15 der Drosselschlitze 7 bilden eine polygonale Kernzone 16 im Drosselkolben 3. Durch diese Kernzone 16 werden die Zug- und Druckkräfte aufgenommen, während die zwischen den Drosselschlitzen 7 verbleibenden dte&e 17 den. Drosselkolben 3 biegesteif machen.

Die Fig. 3 zeigt die Drosselvorrichtung als mehrstufiges, hier zweistufiges, Drosselventil. Die ürosselschlitze 7 sind mit von Stufe zu Stufe wechselnder Schräglage angeordnet. Damit sich die iieaktionskräfte gegenseitig aufheben, werden gerade btufenzahlen gewählt. Der _>trömuni-^rsaustritt ist als iVirbeldüse 18 ausgebildet.

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Die Strömung muß somit aus dem letzten liingkanal 6 zentral zur Ventilachse hin abströmen, weil das Produkt aus Drehgeschwindigkeit und Krümmungsradius konstant bleibt, ergibt sich dadurch eine starke Beschleunigung der Drehgeschwindigkeit. Da deren Richtung senkrecht zum Austritt steht, kann sie sich nicht in Druck zurückverwandeln, sondern setzt ihren Energieinhalt in Wärme um. Der Be-r reich der itfaximalgeschwindigkeit liegt auch hierbei fern von den wandungen im Wirbelkern, so daß Verschleiß und Geräusche vermieden werden.

Die Fig. 4A bis 4D zeigen beispielsweise verschiedene Querschnittformen der urosselschlitze 7, die sich mit Profilformfräsern leicht herstellen lassen. Die Dreiecks!'orm nach Fig. 4A und die Zahnprofilform nach Fig. 4B sind günstig für relativ große Durchsätze« Die Querschnittsformen nach Fig. 4C mit der oteilflanke 19 und der konkaven Flanke 2o, sowie nach Fig. 4ß mit der Steilflanke 19 und der konvexen Flanke 21 gestatten de!» Verwirklichung der für die jeweiligen 2egelaufgaben optimalen Ventilcharakteristik durch geradliniges Fräsen. vV'enn die juerschnittsi'ürmen einmal festliegen, sind die Ventilcharakteristiken immer wieder genau reproduzierbar und durch die bekannten iihniichkeitsgesetze auf andere Ventilgrößen übertragbar=

Die Fig. 5 zeigt eine Variante der Figo 2„ Die Grundlinien 15 haben ein gekrümmtes otück ii2, das durch den kreisbogenförmigen Auslauf des Profil formfräser s erhalten wird* Die Ventilc-harakteristiken, die mit den v^uerschnittsformen nach Fig. 4a bis 4 U bei vollständigem segmentalen Durchfräsen-erreicht werden, können also variert werden, iniem man den Auslauf des i-rofilfornifrasers mehr oder weniger im i>rosselkolben 3 halt,'Die Zähl der erforderlichen ProfilforiafrLsei·^ kann dadurch begrenzt gehalten werden«

Die RLtV. 6 zeigt ein einstufiges Dru^el ventil mit gekürzt ens Dros- -selkolben ;*3 und austrittsei tig offenen nirosseischlitzen ä4_o uer Riaglsunai 25 umgibt die vorgestülpte wirbeldüse 26, deren .jtirnflache die Gegensitzflache 27 für den Ventilsits 28 ist» jifegen des kleineren Durchmesiera des Ventilsitzes 28 ist die für das öffnen i-rforderlich-c Kraft gering.

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üie Fig. 7 zeigt die Kombination von zwei Drosselventilen mit dem gemeinsamen Ringkanal 29. Der ürosselkolben 3 ist unten mit dem Ventilsitz 3o, sowie dem Drosselkolben 31 mit den Drosselschlitzen 32 versehen. Der Gegensitz 33 und die Blendenöffnung 34 sind so gearbeitet, daß das Drosselventil als Doppelsitzventil arbeiten kann. Außer dem Ringwirbel Io bildet sich_„im Ringkanal 29 der gegenläufige Ringwirbel 35 aus. Der Strömungsaustritt erfolgt durch die seitliche wirbeldüse 36 und ist wegen der Gegenläufigkeit der Ringvvirbel Io und 35 drehend» Bei der Kombination nach Fig. 7 ist die innere Reibung der Strömung innerhalb des Ringkanales 29 besonders intensiv. Durch entsprechende Ausbildung der Drosselschlitze 7 und 32 heben sich die Reaktionskräfte gegenseitig auf. Die Wirbeldüse 32 vermeidet das Entstehen der Karmän-iVirbelstraße und deren periodische Rückwirkung auf den Ventilschaft 1. Die Kombination nach Fig. 7 ist deshalb ganz besonders als Speisewasserregelventil geeignet.

Die Fig. 8 zeigt die Drosselvorrichtung als zweistufige Kaskudenclrossel mit nachgeschalteter wirbeldüse 18. Der Drosseleinsatz 37 im Topf 38 ist mit Drosselschlitzen 39 versehen. Die strömung ^ritt durch die Bohrungen 4o ein und durch die Wirbeldüse 18 aus» Der Durchfluß wird wesentlich durch die Größe der Ringspalte 41 beeinflußt. Die Kaskade nach Fig. 8 ist in der Lage, insbesondere in vierstufiger Ausführung, die größten Druckgefälle auszuhalten; sie zeichnet sich durch ihre sehr kleine Baulänge aus.

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Claims

W. ODENDAHL Bloll *^" ium Sdirelbtn vom 22.2.1966 PATENTANSPRtCHE:

1.) Drosselvorrichtung zur Entspannung von unter hohem Druck stehenden Medien, bestehend aus zur Einströmrichtung koaxialen Rotati-

in die Zylinderfläche eingearbeiteten Drosselschlitzen, dadurch gekennzeichnet , daß die Drosselschlitze (7, 24, 32, 39) segmental eingeschnitten sind.

2.) Drosselvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dali die Drosselschlitze (7, 32) je Stufe in einen Ringkanal (6, 29) ausgießen, der eintrittseitig durch die Teilfläche (9) eines mit den geraden Stücken der Grundlinien (15) der ürosselscfelitze (7, 52) er- ; zeugten einschaligen Hyperboloids begrenzt ist.

3«) Drosselvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Flanke (2o, 21) der Drusselschlitze (7, _4, 32, 39) gekrümmt ist.

4.) Drosselvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dab jeweils eine Flanke (19) der Drosselschlitze (7,,.24, 32, 39) eine ebene Fleiche ist.

5.) Drosselvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundlinien der Drosselschlitze (.7, 24, 32, 39) jeweils ein kreisförmig gekrümmtes stück (22) aufweisen.

6.) Drosselvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrstufig ist und die Drosselschlitz e (7, 139) mit von Stufe zu Stufe wechselnder Schräglage in den kolbenförmigen Einsatz (3) eingearbeitet sind CFig. 3 und 8).

7.) Drosselvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselschlitze (7, 24, 32, 39) je stufe in einen Hingkanal (6, 25) ausgießen, der annähernd so tief wie breit ist.

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8.) Drosselvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen zu ihrer Achse konzentrischen kreisförmigen Austritt (18, 26) hat, dessen Durchmesser kleiner als der des kolbenförmigen Einsatzes (3) ist.

9.) Drosselvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium von zwei Seiten aus in Richtung des Einsatzes (3) auf einen Ringkanal (29) zuströmt, der doppelt so breit wie tief ist und eine seitliche kreisförmige Austrittsöffnung (36) hat.

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