DE2757352B2

DE2757352B2 - Selbsttätig arbeitendes Rückschlagventil

Info

Publication number: DE2757352B2
Application number: DE2757352A
Authority: DE
Inventors: Carl Heinz Dipl.-Ing. 4050 Mönchengladbach Häfele
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-12-22
Filing date: 1977-12-22
Publication date: 1981-06-19
Also published as: FR2412770A1; DE2757352A1; FR2412770B1; GB2011033A; US4274434A; GB2011033B

Description

2. Rückschlagventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Dämpfungsphase der Restquerschnitt für den Durchtritt des Strömungsmediums etwa 10 bis 20% des Nenndurchflußquerschnittes beträgt.

3. Rückschlagventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den Dämpfungszylinder (13) umgebende Raum (16) gegenüber dem Innenraum des Ventilgehäuses (1) abgeschlossen ist und daß mit dem Kolben (12) auf dessen Rückseite ein in einer Bohrung geführter Verdrängungskörper (24) verbunden ist, der den gleichen Durchmesser wie die den Kolben mit dem Absperrkörper (9a) verbindende Kolbenstange (8) hat.

4. Rückschlagventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den Dämpfungszylinder (13) umgebende Raum (16) über Kanäle (19) mit dem Innenraum des Ventilgehäuses (1) in Verbindung steht.

5. Rückschlagventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge der Verbindungskanäle (19) unabhängig vom Kolben bewegbare, fliegend gelagerte Kolben (22) als Verdrängungskörper vorgesehen sind.

Die Erfindung betrifft ein selbsttätig arbeitendes Rückschlagventil, insbesondere Rohrbruchventil, mit axial frei beweglichem Absperrkörper, der durch das Strömungsmedium in der Offenstellung gehalten wird, ein gegenüber seiner Dichtfläche vorstehendes Profil aufweist und mit einem Kolben eines auf der Ventilauslaßseite befindlichen Dämpfungszylinders fest verbunden ist.

Steht ein Leitungssystem unter hohem Druck, so stellt sich bei einem Bruch in der Zuführungsleitung sofort ein großes Druckgefälle ein, welches die Strömung umkehrt, das Medium stark beschleunigt und gegenüber Normalbetrieb einen wesentlich größeren Massenstrom

ίο verursacht. In solchen Störungsfällen können Rückschlagventile schadhafte Leitungen schnell absperren und dadurch den Abfluß größerer Medienmengen aus der Bruchstelle verhindern helfen. Damit möglichst wenig Medium austreten kann, ist es erforderlich, daß die schadhafte Leitung in kürzester Zeit abgesperrt wird. Ein zu schneller Abschluß führt aber andererseits zu einer entsprechend großen Verzögerung der Strömung und ruft damit vor allem bei flüssigen Medien die Gefahr von Drucksiößen hervor, die sich schädlich auf die noch einwandfreie Rohrleitung oder andere Anlagenteile auswirken können.

Bei üblichen Rückschlagventilen hat der Absperrkörper im wesentlichen die Form einer Scheibe, und der Schließhub eines solchen Ventils ist verhältnismäßig kurz, er beträgt in der Regel etwa '/3 des Scheibendurchmessers. Entsprechend kurz ist auch die Schließzeit. Bei einer Strömungsumkehr infolge Rohrbruch wird die Schlicßzeit wegen des gegenüber Normalbetrieb höheren Druckgefälles weiter verkürzt. Druckstöße durch zu hartes Aufschlagen des Verschlußstückes sind daher unvermeidbar. Im Armaturenbau ist es an sich bekannt, unerwünschten Druckstößen in Flüssigkeitsströmungen als Folge zu schneller Bewegungsänderung durch Dämpfungsvorrichtungen entgegenzuwirken.

Ein Rückschlagventil in der eingangs beschriebenen Art mit einem relativ kleinen Dämpfungskolben ist aus der DE-AS 10 43 737 bekannt. Der bei diesem Ventil mit dem Absperrkörper fest verbundene Dämpfungskolben ist auf der ganzen Länge des Hubweges im Dämpfungszylinder geführt und als Manschettenkolben mit Durchströmkanälen ausgebildet, die die auf beiden Seiten des Kolbens befindlichen Zylinderräume ständig miteinander verbinden. An der Oberfläche der Kolbenstange ist im Bereich zwischen dem Zylinderraum und dem Innenraum des Ventilgehäuses eine achsparallele Nut angeordnet, die auf einem ersten Teil des Schließweges des Absperrkörpers ein Abströmen der Flüssigkeit vom Zylinderraum in das Ventilgehäuse

->n ermöglicht. Nach dem Überfahren dieser Nut kann die eingeschlossene Flüssigkeit nur noch durch die vorerwähnten Durchströmkanäle von der einen Seite des Zylinderraumes auf die andere gelangen. Bei diesem Rückschlagventil wird die erzielbare Schließzeit wegen

v, der auf der ganzen Länge des Schließweges wirkenden Strömungswiderstände und auch wegen der Manschettenführung des Kolbens relativ groß sein. Den hohen Anforderungen an modernere Rückschlagventile, welche die Aufgabe haben, in einem Störungsfall Leitungssysteme schnellstmöglich, jedoch ohne unerwünschte Druckstöße, abzusperren, dürfte das vorbekannte Rückschlagventil nicht gewachsen sein, wie aus den nachfolgenden Darlegungen noch deutlich wird.

Ein anderes Rückschlagventil mit Dämpfungscinrich-

b5 tung zeigt die DE-PS 12 83 053. Nach der Beschreiben l' geht es bei diesem für Meß- und Regelzweeku vorgesehenen Ventil darum, die Bewegung des Riickschlagorgans zu dämpfen, wobei plötzliche Druckwellen

nicht zu schnellen Ausschlägen in Öffnungs- oder Schließrichtung führen sollen. Das Verschlußstück ctoses Ventils enthält unterhalb der Dichtungspartie ein Kegelstück und in axialer Verlängerung desselben einen Dämpfungskolben, der über den ganzen Ventilhub in einem Dämpfungszylinder mit Spalt verläuft. Im Verschlußstück sind Kanäle enthalten, die den Innenraum des Dämpfungszylinders mit der Wandung des Kegels verbinden. Der Dämpfungseffekt während der Regelstellung des Ventils bei Druckstößen «us der Anlage soll u. ε dadurch erreicht werden, daß bei hohen Durchströmgeschwindigkeiten im Ringspalt zwischen Gehäuse und Kegel eine Druckabsenkung über die vorgenannten Kanäle im Dämpfungszylinder herbeigeführt wird. Bei der Öffnungsbewegung werden vor Erreichen der Offenstellung Bohrungen in der Wandung des Dämpfungskolbens freigegeben, um mit Hilfe des Sirömungsmittels unter dem Dämpfungskolben einen höheren Druck zu erzeugen und damit eine konstante Offenhaltung des Ventils zu erreichen.

Für eine Verwendung als gedämpftes Rohrbruchventil ist dieses Rückschlagventil ungeeignet. Vor allem deshalb, weil die Dämpfungseinrichtung auf der Eintrittsseite im Gehäuse angeordnet ist. Tritt nämlich auf der Eintrittsseite ein Rohrbruch auf, entleert sich der Raum im Unterteil des Ventils, womit der Druck in diesem Bereich schlagartig zusammenbricht. Damit steht aber für die in diesem Bereich befind iche Dämpfungseinrichtung kein Druckmittel mehr für die nunmehr notwendige Dämpfung der Schließbewegung des Verschlußstückes zur Verfügung. Die durch den Ringspalt in der Nähe des Sitzes nachströmende Druckmittelmenge ist verhältnismäßig klein und wird mit zunehmender Schließbewegung weiter verringert. Eine ausreichende Dämpfung ist somit in der besonders wichtigen letzten Phase der Schließbewegung gar nicht erreichbar, weil ein großes Druckgefälle zwischen Dämpfungsraum und umgebendem Gehäuseraum vorliegt und das Medium schnell durch die Kanäle im Verschlußstück abtließen kann. Das Verschlußstück wird zwangsläufig hart aufschlagen und dabei einen entsprechenden Druckstoß hervorrufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rückschlagventil zu entwickeln, welches eine schadhafte Leitung in kürzester Zeit absperrt und bei dem zugleich mit konstruktiv einfachen Mitteln eine gezielte Dämpfung der Schließbewegung, insbesondere in der letzten Phase vor dem Erreichen der Schließstellung, gewährleistet ist, so daß unerwünschte Druck^ctöße in der abgesperrten Rohrleitung zuverlässig verhindert werden. Darüber hinaus strebt die Erfindung an, den Absperrkörper leicht beweglich zu gestalten, so daß er selbsttätig die Schließstellung einnimmt, wenn Druckausgleich zwischen Ventileintritt und -austritt vorliegt oder die angeschlossenen Leitungen drucklos sind. Wären zur Betätigung größere Verstellkräfte erforderlich, könnte ein selbsttätiges Schließen nur durch Zusatzkräfte, beispielsweise Federkräfte, erreicht werden. Dies würde aber zu einer Vergrößerung der beim öffnen erforderlichen Kraft führen und damit auch eine größere Druckdifferenz zwischen Ventileintritt und -austritt erfordern.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch ein selbsttätig arbeitendes Rückschlagventil, insbesondere Rohrbruchventil, mit axial frei beweglichem Absperrkörper, der durch das Strömungsmedium in der Offenstellung gehalten wird, ein gegenüber seiner Dichtfläche vorstehendes Profii aufweist und mit einem

Kolben eines auf der Ventilauslaßsdie befindlichen Dämpfungszylinders verbunden ist, welches erfindungsgemäß durch nachstehende Merkmale gekennzeichnet ist:

^D a) der Dämpfungszylinder ist ir. bezug auf den gesamten Schließweg des Absperrkörpers so angeordnet, daß der Kolben zu Beginn der zweiten Phase des Schließweges (Dämpfungsphase) in diesen eintaucht,

b) zwischen der Innenwandung des Dämpfungszylinders und dem Kolben befindet sich ein Ringspalt mit vorgegebenem Abströmwiderstand für den Austritt des eingeschlossenen Strömungsmediums, so daß der Dämpfungskolben bis zum Erreichen der Endlage berührungsfrei im Dämpfungszylinder bewegbar ist und

c) der Absperrkörper hat ein Profil in Gestalt eines Kegelstumpfes und ist in bezug auf den Schließweg so angeordnet, daß bei geöffnetem Ventil der Durchflußquerschnitt am Ventilsitz frei ist und zu Beginn der Dämpfungsphase die Stirnfläche des profilierten Absperrkörpers etwa in Höhe der Ebene der Gehäusesitzfläche liegt und der Slrömungsquerschnitt zwischen Gehäusesitzfläche und Profil nur noch einen Bruchteil des Nenndurchflußquerschnittes beträgt.

Nach einer zweckmäßigen weiteren Ausgestaltung ist die Profilierung des Absperrkörpers so bemessen, daß zu Beginn der Dämpfungsphase der Restquerschnitt für den Durchtritt des Strömungsmediums etwa 10 bis 20% des Nenndurchflußquerschnittes beträgt.

Hinsichtlich der konstruktiven Gestaltung kann es zweckmäßig sein, den den Dämpfungszylinder umgebenden Raum vom Innenraum des Ventilgehöuses zu trennen. Um bei einer solchen Ausgestaltung dem für das Strömungsmittel durch das Eintauchen des Kolbens sich vergrößernden Füllvolumen Rechnung zu tragen, ist es zweckmäßig, auf der Rückseite des Dämpfungskolbens einen zur Zylinderachse koaxialen Verdrängungskörper anzuordnen, der den gleichen Durchmesser wie die Kolbenstange hat.

Es kann andererseits auch vorteilhaft sein, den den Dämpfungszylinder umgebenden Raum über Kanäle mit dem Innenraum des Ventilgehäuses zu verbinden und im Zuge der Verbindungskanäle unabhängig vom Kolben bewegbare, fliegend gelagerte Kolben als Verdrängungskörper vorzusehen.

Wie durcn Versuche festgestellt wurde, werden mit dem Rückschlagventil nach der Erfindung die genannten Hauptforderungen, nämlich einerseits im Störungsfall eine schadhafte Leitung in kürzester Zeit abzusperren und andererseits unerwünschte Druckstöße in der abgesperrten Leitung zu verhindern, voll erfüllt.

Erreicht wird dies vor allem dadurch, daß der Dämpfungskolben erst zu Beginn der letzten Phase des Schließweges in den Dämpfungszylinder eintaucht, d. h., daß der Absperrkörper den größeren Teil des Schließweges nahezu verzögerungsfrei zurücklegen

bo kann. Mit dem Beginn der Dämpfungsphase ist der Durchflußquerschnitt des Ventils bis auf einen Bruchteil abgesperrt, was durch die besondere Ausgestaltung des Kegelstumpfprofils am Absperrkörper bewirkt wird, welches bei voll geöffnetem Ventil den Durchflußquer-

b5 schnitt nicht behindert. Die Dämpfung beginnt mit dem Eintauchen des Dämpfungskolbens in den Dämpfungszylinder und wird durch die Verdrängung des Strömungsmittels durch den Ringspalt zwischen Kolben und

Zylinderwandung und dem damit gegebenen Abströmwiderstand bewirkt.

Da das Ventil bei Strömungsstillstand oder auch bei druckloser Leitungsanlage allein durch das Eigengewicht der beweglichen Teile selbsttätig schließen soll und weiterhin höchste Reproduzierbarkeit für den zeitlichen Ablauf der Schließbewegung gefordert wird, ist nach einem wesentlichen Gedanken der Erfindung eine mechanisch berührungsfreie Bewegung des Dämpfungskolbens im Dämpfungszylinder vorgesehen. Das Freilassen eines Ringspaltes zwischen Dämpfungskolben und -zylinder hat auch den Vorteil, daß das Ventil jederzeit funktionsbereit ist, weil keine mechanischen Behinderungen, insbesondere nach längerer Betriebszeit, auftreten können.

Je enger der Spalt zwischen Dämpfungskolben und Dämplungszylinder praktisch ausgeführt werden kann, desto intensiver ist die Dämpfung der Schließbewegung. Bei wirtschaftlich vertretbarem Durchmesser des Dämpfungskolbens wird somit die kleinste erreichbare Schließgeschwindigkeit durch den Abströmwiderstand bestimmt, welcher mit dem kleinstmöglichen Spalt erzielbar ist. Ausgehend von einer vorgegebenen Schließgeschwindigkeit (kleinstmöglicher Spalt) für die Dämpfungsphase kann mit Hilfe der Profilierung des Absperrkörpers die Schließzeit für das Absperren des Restquerschnittes in gewünschten Grenzen verändert, insbesondere verlängert werden, um so ein langsames Absperren der letzten 10 bis 20% des Durchflußquerschnittes zu erreichen und somit durch diese Maßnahme einen Druckstoß mit seinen schädlichen Folgen weitgehend und zuverlässig zu vermeiden.

Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind, näher erläutert. Die bei diesen Ausführungsbeispielen vorgesehene Gehäuseart eines Eckventils ist für das Wesen der Erfindung bedeutungslos. Die Erfindung ist gleichermaßen bei anderen Gehäusebauarten wie beispielsweise in Durchgangsform, Schrägsitzform oder auch bei axial durchströmten Ventilgehäusen anwendbar. Es zeigt

F i g. 1 einen Axialschnitt eines Rückschlagventils nach der Erfindung in einer ersten Ausführungsform,

F i g. 2 einen Axialschnitt eines Rückschlagventils in einer abgewandelten Ausgestaltung und

F i g. 3 einen Axialschnitt eines Rückschlagventils mit einem Verdrängungskörper auf der Rückseite des Dämpfungskolbens.

Bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen enthält das Ventilgehäuse 1 im wesentlichen einen Ventileintritt 2, einen Ventilaustritt 3, eine Gehäusesitzfläche 4 und einen koaxial zum Ventileintritt 2 stehenden Gehäusehals 5 zur Aufnahme der Innenteile, die zu einem Einbausatz vereinigt sind, der als Ganzes in den Gehäusehals 5 einsetzbar ist. Hauptbestandteile dieses Einbausatzes sind ein Gehäuseeinsatz 6 mit einer Axialbohrung 7, eine in der Axialbohrung längs verschiebbar geführte Kolbenstange 8 und ein am unteren Ende der Kolbenstange befestigter Absperrkörper 9. Der Gehäuseeinsatz 6 ist mit einem Ventilverschluß 10, der als Flanschdeckel ausgebildet ist. mit Hilfe einer nicht dargestellten Verschraubung (bei 11) fest verbunden. In der Gebrauchslage des Ventils zeigt der Ventileintritt 2 etwa senkrecht nach unten.

Am rückwärtigen Ende der Kolbenstange 8 ist ein Kolben 12 befestigt, der in der letzten Phase der Schließbewegung berührungsfrei, d. h. mit Spiel in einen Dämpfungszylinder 13 eintaucht Der Absperrkörper 9 ist mit einem gegenüber seiner Dichtfläche 14 vorstehenden Profil 15 in Gestalt eines Kegelstumpfes ausgestattet.

Wie F i g. 1 zeigt, ist bei diesem Ausführungsbeispiel ■·> der Innenraum 16 des Gehäuseeinsatzes 6 über Kanäle

19 mit dem Innern des Ventilgehäuses 1 verbunden. Im Zuge der Verbindungskana'le sind geeignete Siebkörper

20 angeordnet, die das Eindringen von Schmutz in den Raum 16 verhindern sollen.

in Bei normaler Strömung des Betriebsmediums wird der Absperrkörper 9 durch den dynamischen Strömungsdruck in der Offenstellung gehalten. Der Absperrkörper 9 liegt dann mit seiner Anschlagfläche 21 an einer entsprechend ausgebildeten Anschlagfläche des

ι ·, Gehäuseeinsatzes 6 an. Das Innere des Ventilgehäuses 1 und ebenso der Innenraum 16 des Gehäuseeinsatzes 6 sind mit dem Betriebsmedium gefüiit und stehen unter dem Druck desselben. Eine mechanische Führung des Absperrkörpers ist nur an der Kolbenstange 8 in der Axialbohrung des Gehäuseeinsatzes 6 gegeben. Diese leichtgängige Gleitführung gewährleistet, daß bei Druckausgleich zwischen Ventileintritt 2 und Ventilaustritt 3 der Absperrkörper 9 durch sein Eigengewicht und das Gewicht der mit ihm verbundenen Teile selbsttätig in die Schließlage fallen kann. Hierbei entsteht im Innenraum 16 eine Vergrößerung des Füllvolumens, die dadurch ausgeglichen wird, daß Betriebsmedium durch die Kanäle 19 nachströmt, so daß keine Druckabsenkung entstehen kann.

κι Wenn ein Übergang von Betriebsmedium in den Innenraum 16 und zugleich eine Druckabsenkung verhindert werden sollen, kann dies dadurch erreicht werden, daß im Zuge der Kanäle 19 Verdrängungskörper 22 als fliegende Kolben angeordnet werden, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Kolben 22 sind in geeigneten zylindrischen Ausnehmungen 23 in axialer Richtung frei beweglich gelagert. In der Offenstellung des Ventils nehmen die Kolben 22 die in bezug auf den Innenraum 16 entferntere Stellung ein. Mit der Schließbewegung des Absperrkörpers 9 werden die Kolben 22 als Ausgleich für die Vergrößerung des Füllvolumens im Innenraum 16 näher an diesen herangezogen.

F i g. 3 zeigt eine Ausführung, bei der zwischen dem Innenraum 16 und dem Innern des Ventilgehäuses 1 keine Verbindung vorgesehen ist. Zum Ausgleich der Änderung des Füllvolumens ist hier auf der Rückseite des Dämpfungskolbens 12 ein Verdrängungskörper 24 an diesem befestigt, der in einer Sackbohrung des

so Ventilverschlusses 10 geführt ist. Der Verdrängungskörper 24 hat den gleichen Querschnitt wie die Kolbenstange 7, so daß bei den Bewegungen des Absperrkörpers 9 das Füllvolumen im Innenraum 16 unverändert bleibt.
Zur Funktionsweise des Rückschlagventils ist folgendes zu bemerken:

Wie die zeichnerischen Darstellungen zeigen, nimmt der Absperrkörper 9 in der Offenstellung des Ventils eine Lage ein, in der die Stirnfläche des Profils 15 der Gehäusesitzfläche 4 mit einem solchen Abstand

bo gegenübersteht daß für den Durchfluß des Mediums der volle Nennquerschnitt zur Verfugung steht Bewegt sich der Verschlußkörper in Schließrichtung, bewirkt das Profil 15 eine zunehmende Verengung des Durchflußquerschnittes bis auf einen Wert von etwa 10 bis 20% des Nennquerschnittes beim Erreichen einer Stellung, in der die Stirnfläche des Profils 15 etwa die Ebene der Gehäusesitzfläche 4 erreicht hat (in den Figuren gestrichelt dargestellt). Der Kolben 12 hat nach Ablauf

dieser ersten Phase des Schließweges eine Stellung etwa in Höhe des Dämpfungszylinders 13 erreicht. Bis hierhin kann somit unter der Einwirkung der Strömungskräfte eine hohe Geschwindigkeit des Absperrkörpers erreicht und folglich dieser Teil des Schließweges in kürzester Zeit zurückgelegt werden. Damit ist gewährleistet, daß das Ventil im Störungsfall eine schadhafte Leitung schnellstmöglich bis auf einen Restquerschnitt von etwa 10 bis 20% des Nennquerschnittes absperrt.

Mn dem Eintreten des Kolbens 12 in den Dämpfungszylinder 13 beginnt die zweite Phase des Schließweges, in der durch die nunmehr einsetzende Dämpfungswir-

kung die Bewegung des Absperrkörpers 9 abgebremst wird. Hierbei ist die Verringerung der Schließgeschwindigkeit abhängig vom Abströmwiderstand, den das Medium bei seiner Verdrängung aus dem Innenraum des Dämpfungszylinders 13 zu überwinden hat. Der verbleibende Restquerschnitt von etwa 10 bis 20% des Nennquerschnittes wird nun über einen größeren Anteil des Gesamthubes mit einer relativ kleinen Schließgeschwindigkeit verschlossen. Auf diese Weise werden Druckstöße, die bei einer zu schnellen Verminderung des Massenstromes auftreten, weitgehend und zuverlässig vermieden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

t. Selbsttätig arbeitendes Rückschlagventil, insbesondere Rohrbruchventil, mit axial frei beweglichem Absperrkörper, der durch das Strömungsmedium in der Offenstellung gehalten wird, ein gegenüber seiner Dichtfläche vorstehendes Profil aufweist und mit einem Kolben eines auf der Ventilauslaßseite befindlichen Dämpfungszylinders fest verbunden ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der Dämpfungszylinder (13) ist in bezug auf den gesamten Schließweg des Absperrkörpers (9a) so angeordnet, daß der Kolben (12) zu Beginn der zweiten Phase des Schließweges (Dämpfungsphase) in diesen eintaucht,

b) zwischen der Innenwandung des Dämpfungszylirrders (13) und dem Kolben (12) befindet sich ein Ringspalt mit vorgegebenem Abströmwiderstand für den Austritt des eingeschlossenen Strömungsmediums, so daß der Dämpfungskolben bis zum Erreichen der Endlage berührungsfrei im Dämpfungszylinder (13) bewegbar ist und

c) der Absperrkörper (9a) hat ein Profil (15) in Gestalt eines Kegelstumpfes und ist in bezug auf den Schließweg so angeordnet, daß bei geöffnetem Ventil der Durchflußquerschnitt am Ventilsitz frei ist und zu Beginn der Dämpfungsphase die Stirnfläche des profilierten Absperrkörpers (9a) etwa in Höhe der Ebene der Gehäusesitzfläche (4) liegt und der Strömungsquerschnitt zwischen Gehäusesitzfläche (4) und Profil nur noch einen Bruchteil des Nenndurchflußquerschnittes beträgt.