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Entlastetes Ventil, insbesondere für Dampfturbinenanlagen, mit Kolbenringabdichtung
Die Erfindung bezieht sich auf ein entlastetes Ventil mit einem Verschlußkörper,
der als Hohlkolben mit Entlastungsbohrungen und einer Kolbenringabdichtung ausgebildet
ist. Insbesondere ist die Erfindung bei sogenannten hemmenden, nur für Regelzwecke
geeigneten Ventilen mit kurzzeitig wirkender Ventilkegelabdichtung anwendbar, um
beispielsweise .in Dampfturbinenanlagen bei Lastabwurf, also z. B. bei Ausfall
des Generators, das Auftreten unzulässiger Drehzahlen, d. h. ein Durchgehen
der Maschine, zu verhindern. Besonders ist dabei an Regelventile gedacht, die im
Betrieb vorwiegend in einem Zwischenbereich zwischen der vollen Offenlage und der
vollen Schließlage arbeiten.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, mit möglichst
kleinen Kräften und geringem Verschleiß die Regelbewegungen des Ventils durchzuführen.
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Dies wird dadurch erreicht, daß die Aussparung für den Kolbenring
über radiale Bohrungen mit dem Innenraum des Hohlkolbens verbunden ist, wobei die
Ausdehnung des Kolbenringes durch einen als Anschlag dienenden Ringbord so begrenzt
ist, daß zwischen dem Kolbenring und der Bohrung, in die er beim Schließen des Ventils
hineingleitet, ein Spaft bleibt und der Kolbenring nur im Bereich der Schließstellung
des Ventils an der Innenwand der Bohrung anliegt. Hierbei ist unter dem Begriff
des Bereiches der Schließstellung beispielsweise weniger als ein Viertel des Öffnungshubes
zu verstehen.
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In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise für ein kombiniertes
Schnellschluß-Regelventil veranschaulicht, und zwar zeigt F i g. 1 einen
Längsschnitt durch ein solches Komb;nationsventil in schematischer Darstellung und
F i g. 2 einen Teillängsschnitt durch das Regelventil in geschlossener Stellung
mit vergrößerter Wiedergabe des Kolbenring-Gleitsitzes.
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In F i g. 1 ist mit 1 das Ventilgehäuse des Kombinationsventils
benannt, das den Ventilkörper 2 und das Voröffnungsventil 3 des Schnellschlußventils
und den Ventilkörper 4 des Regelventils aufnimmt, wobei zu dem Schnellschlußventil
der Ventilsitz 5 und zu dem Regelventil der Ventilsitz 6 gehört. Das
Regelventil, welches die Erfindung zum Inhalt hat, befindet sich in dieser Darstellung
in geöffneter Stellung und muß gegen den Strömungsdruck des Mediums, beispielsweise
des Dampfes, geschlossen werden. In dem als Hohlkolben gestalteten Ventilkörper
4 befinden sich die Entlastungsbohrungen 7 und der Ventilsitz 8, während
bei 9 nur schematisch der Kolbenring angedeutet ist, der über die radialen
Bohrungen 10 unter den im Innenraum 11 des Ventilkörpers 4 herrschenden
überdruckeinfluß gelangt, sobald bei 6, 8 der Ventilsitz geschlossen ist.
Der Kolbenring 9 ist wie ein üblicher Kolbenring geschlitzt und bleibt an
sich ein elastisches Element. Der Kolbenring wird durch einen Ringbord, wie er in
F i g. 2 gezeichnet ist, daran gehindert, in der Stellung gemäß F i
g. 1 sich an die Innenwand der Hülse 12 anzulegen, die als eine in den Ventilhals
13
eingesetzte Büchse gestaltet ist, die eine Abschrägung 14 zwecks leichten
Auflaufens des Kolbenringes 9
in die Gleitfläche 14' der Büchse 12 beim Schließen
des Ventils aufweist.
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In den Ventilkörpern solcher Regelventile müssen Entlastungsventile
oder Entlastungsbohrungen vorgesehen sein, um die erforderlichen öffnungs- oder
Schließkräfte in tragbaren Grenzen zu hatten. Wenn auch die Benutzung von Bohrungen
billiger und einfacher ist, so müssen doch diese in ihrem Durchtrittsquerschnitt
so bemessen sein, daß bei geschlossenem Ventil nicht mehr Dampf herausströmt, als
dem Leerlauf der Maschine entspricht. Eine genaue Berechnung dieser Leerlaufdampfmenge
ist aber nicht möglich, weil diese Dampfmenge von Faktoren abhängt, welche nur auf
erfahrungsgemäßen Annahmen beruhen.
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In Fig. 2 ist wiederum mit 4 der Ventilkörper, mit 7 eine der
Entlastungsbohrungen, mit 12 die als Büchse gestaltete Hülse und mit 13 der
Ventilhals bezeichnet, während mit 6 und 8 die beiden Sitzflächen
und mit 10 eine der radialen, zur Kolbenringaussparung
15
führenden Bohrungen benannt ist. Der Kolbenring 9 besitzt eine Ringschulter
17 und eine Gleitfläche 18, deren zum Ventilkörpersitz 8 hin
gelegene Kante bei 19 abgeschrägt ist, damit das Hineingleiten des Kolbenringes
16 in die am Ende verengte, vor der Bohrung gebildete Gleitfläche 14' erleichtert
wird.
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An der Gleitfläche 18 soll. stets ein Spalt 18' vorhanden
sein und bestehenbleiben. Ein solches veränderbares Spaftspiel ist kleiner zu wählen,
als die Leerlaufdampfmenge im Durchtrittsquerschnitt ausmacht. Hinsichtlich einer
Spaltkorrektur wird bemerkt, daß eine solche nicht so einfach möglich ist. Es könnte
nämlich geschehen, daß bei einem zu groß errechneten Spiel entweder der Kegel oder
die Büchse erneuert werden müßte, abgesehen von der Möglichkeit ' daß Kegel
und Büchse einer Wärineverforinung unterliegen können, die mit Sicherheit zu einem
Streifen und dem sogenannten »Fressen« führeit würde.
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Im übrigen ist der Zweitstrom, das ist die Dampfmenge, die durch die
Bohrungen 7 strömt, in dem Bereich, in dem der Kolbenring nicht anliegt,
aber doch noch nicht der »Aussteuerpunkt« erreicht ist, zu groß, um vernachlässigt
werden zu können. Hierbei ist der Aussteuerpunkt der Punkt, bei dem die Durchflußmenge
nicht mehr weiter mit dem Hub anwächst. Es empfiehlt sich deshalb, den Zweitstrom
durch eine Lamellendichtung zu vermindern.
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Der Außendurchmesser des Kolbenringes 9 ist dabei nicht größer
als der Bohrungsdurchmesser der Büchse 12 bzw. des Ventilhalses 13, in die
er beim Schließen des Ventils hineinschlüpfen muß. Für die Aufnahme der Ringschulter
17 und zur gleichzeitigen Ausdehnungsbegrenzung des Kolbenringes
9 sowie zur Regulierung der Spaltbreite dient ein Ringbordanschlag 20 bzw.
20' eines Abdeckringes 21, der mittels Schrauben 22 im Ventilkörper 4 gehalten wird
und noch einen Zentrierbord 23 aufweisen kann.
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In weiterer Ausgestaltung der -Erfindung wird also der einen Teil
der Kolbenringaussparung 15 umgrenzende Ringbord 20 von einem mit zentrischen
Bordrändern 20, 23 versehenen, stirnseitig auf dem Ventilkörper befestigten
Abdeckring 21 gebildet. Ferner ist der Kolbenring 9 in seinem Profil in Bildung
einer Abstufung derart abgewinkelt gestaltet, daß auf seiner der Gleitfläche
18 abgewendeten Seite eine hinter dem Ringbord 20 bzw. 20' der Aussparung
15 bzw. 15' greifende Ringschulter 17 bzw. 17' vorhanden
ist. Es ist also möglich, eine Ringschulter 17' des Kolbenringes
16 an Stelle der Ringschulter 17 und die Aussparung 15 in eine
nur angedeutete Aussparung 15' hineinragen zu lassen, was für die Einwirkung
des Druckes über die Bohrungen 10 auf die Innenfläche 24 des Kolbenringes
16 und damit für die Bildung des sich unter Einwirkung der Begrenzungsanschlagflächen
25 bzw. 25' einstellenden Nullspieles gleichbedeutend ist. Es wird
hierbei einerseits eine ausreichende Ventilkörperabdichtung auf der Entlastungsseite
zwischen Kolbenring und Büchse bzw. Ventilhalsgleitfläche im letzten Schließbereich
des Ventilhubes erreicht, und andererseits werden die Reibungskräfte zwischen Kolbenring
und Büchsengleitfläche so gering als möglich gehalten, so daß sowohl das öffnen
wie auch das Schließen des Ventils mit kleinstmöglichen Kräften vollzogen werden
kann. Sobald nämlich der Kolbenring beim öffnen des Ventils aus der Drosselbohrung
der Büchse oder des Ventilhalses herausgleitet, also diese nur kurze Gleitfläche
verlassen hat, hört die Wandreibung vollständig auf, da jetzt ein großes Spiel zwischen
Kolbenring und der diesem gegenüberliegenden Wandung vorhanden ist und dieser Ring
in seine ursprüngliche spannungsfreie Lage zurückkehren kann.
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Schließlich ist das entlastete Ventil in an sich bekannter Weise mit
einem vorgeschalteten Schnellschlußventil zusammengebaut und in einem gemeinsamen
Gehäuse vorzugsweise gleichachsig untergebracht. Es ist hierbei erwünscht, daß das
Regelventil schon bei geringeren Drehzahlüberschreitungen schließt als das Schnellschlußventil.
Es sollen dabei diese Regelbewegungen in der Weise beherrscht werden, daß die Abdichtung
auf der Entlastungsseite des Ventilkörpers, d. h. eine Dampfdrosselung nur
bis zu einem solchen Maße erfolgt, daß weniger Dampf durchgeht, als dem Leerlauf
der Maschine (Turbine, Dampfmaschine) entspricht. Bei bekannten Kombinationsventilen
wird das Schnellschlußventil beim Anfahren der Turbine geöffnet, es soll erst im
Gefahrenmoment durch Ansprechen eines Sicherheitsreglers schließen. Demgegenüber
dient das außerdem verwendete Regelventil einerseits zur Leistungsregelung für die
Maschine und soll andererseits im Fall eines Lastabwurfes nur vorübergehend schließen,
um ein Durchgehen der Maschine zu verhüten.