DE69607403T2 - Durchflussregelvorrichtung - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft eine Flüssigkeitdurchflussregelvorrichtung. Sie kann verwendet werden, um den Durchfluss von Flüssigkeiten oder Gasen zu regeln bzw. zu steuern, und kann zum Beispiel verwendet werden, um eine Geschwindigkeitsregelung bzw. -steuerung von unter Hochdruck stehenden Flüssigkeiten vorzusehen. Eine solche Vorrichtung mit den in dem Oberbegriff von Anspruch 1 festgelegten Eigenschaften ist aus der Druckschrift US-A-3 908 698 bekannt. Andere Vorrichtungen sind mitunter als variable Flüssigkeitsbegrenzungsregelventile bekannt und werden beispielhaft von den US Patenten Nr. 3 451 404 und Nr. 3 514 074, wobei sie Reibungsdurchgangswege haben, und von dem US Patent Nr. 3 513 864 genannt, wobei sie ringförmige mehrfach abrupt abbiegende Durchgangswege haben.
• Bei der Handhabung von unter Hochdruck stehenden fließenden Flüssigkeiten war es üblich, eine Ausflussöffnungseinrichtung mit einem kurzen Engstellenabschnitt hoher Geschwindigkeit zu verwenden, so dass sich Energieverluste oder große Druckabfälle ergaben. Wenn die Flüssigkeit in einem flüssigen Zustand vorliegt und es wahrscheinlich ist, dass sie schnell verdampft, das heißt, dass es an der stromabwärtigen Seite der Ausflussöffnung oder der Ventilöffnung verdampft oder in einen gasförmigen Zustand gelangt, kann sie implosionsartig kondensieren und schädigende Stoßwellen auslösen, Erosion verursachen etc. Auch wenn die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in dem Ventil die Geschwindigkeit in der Leitung übersteigt, treten zahlreiche störende Reaktionen auf. Das ernsthafteste Problem ist die rasche Erosion der Ventilflächen durch direkten Stoß der Flüssigkeit und allen darin suspendierten Fremdpartikeln. Zusätzliche Erosion ergibt sich aus der Kavitation. Kavitation kann als Hochgeschwindigkeitsimplosion von Dampf gegen jene inneren Teile des den Durchfluss regelnden Ventils (der Ventiltrimmung) und des Ventilkörpers definiert werden.
• Zusätzlich zu den ernsthaften Problemen, die sich aus der Erosion ergeben, verursacht die gesteigerte Geschwindigkeit auch, dass die Durchflusscharäkteristik des Ventils unvorhersehbar und regellos wird.
• Andere Probleme, die durch die hohe Flüssigkeitsgeschwindigkeit in dem Ventil erzeugt werden, sind starke Geräuschentwicklung, Trimmungsermüdung und eine mögliche Schädigung des fließenden Flüssigkeitsmaterials wie z. B. Polymere.
• Ein von der Flüssigkeit herrührendes Geräusch stromabwärts des Regelventils ist oft sehr hoch. Dieses Geräusch kann Schalldrücke von 110 bis 170 dB ungefähr 0,9 m (drei Fuß) von dem Ventilausgang ergeben, wenn es nicht behandelt oder von dem Rohr eingeschlossen wird. Schallquellen von dieser Größenordnung sind gefährlich für das Personal und ergeben häufig Beschwerden von örtlichen Anwohnern.
• Schalldämpfer und Geräuschminderer können typischerweise das von der Flüssigkeit stammende Geräusch nur um 20 bis 30 dB vermindern. Daher wurde mit diesen nur teilweiser Erfolg beim Erhalten von gewünschten Schalldrücken erreicht.
• Des weiteren ist ein typisches Wegbehandlungssystem wie zum Beispiel der Schalldämpfer, ein Überzugstützaufbau usw. sehr hinderlich und kostspielig, oft können die Gesamtkosten der Wegbehandlung hinsichtlich des Geräusches die Ventilkosten um das mehrfache übersteigen.
• Um die oben genannten Probleme zu bewältigen oder zu verbessern, sind Vorrichtungen eingeführt worden, welche Energieverluste bei Hochdruckflüssigkeiten ohne Geschwin digkeitssteigerung und ohne eine Schockwellenreaktion durch Unterteilen des Durchflusses in eine Vielzahl von kleinen langen Durchgängen mit abrupten Abbiegungen bewirken, die Reibung und einen Druckabfall in der Flüssigkeit erzeugen, wobei folglich eine Schädigung und Erosion in der Ausstattung verhindert wird. Eine solche Vorrichtung ist zum Beispiel in dem US Patent Nr. Re 32197 offenbart. Dabei sind die Durchgänge in einem ringförmigen Stapel separater Elemente angeordnet, die Anschlagflächen haben, die eine Vielzahl von individuellen Durchgangswegvertiefungen einschließen, welche zwischen dem Einlass und dem Auslass des Stapels ringförmig sind, um die Flüssigkeit umzulenken und eine im wesentlichen längere Fließlänge vorzusehen als zwischen den Einlass- und Auslassenden des Stapels vorzusehen. Der Stapel ist in dem Flüssigkeitsdurchgang von einem Ventilgehäuse montiert und ein Ventilstopfen, der innerhalb des ringförmigen Aufbaus bewegbar ist, regelt die Anzahl der Durchgangswege in dem Stapel, durch welche die Flüssigkeit fließen kann.
• Eine abgewandelte Vorrichtung dieser Bauart ist in der Druckschrift GB-A-2 273 579 offenbart, bei welcher zumindest ein Durchgangsweg in dem Stapel von Elementen von Scheiben einen Hohlraum zwischen dem Einlass- und Auslassbereich der Scheibe aufweist, wobei der Hohlraum die Querschnittsfläche des Energieverlustdurchgangswegs aufweitet. Ventile, welche eine Durchflussregelvorrichtung mit einem Stapel von Energieverlustdurchgangswegen aufweisen, sind kommerziell sehr erfolgreich geworden, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbesserung der Vorrichtungen dieser Bauart zu schaffen.
• Entsprechend sieht die Erfindung eine Flüssigkeitsdurchflussregelvorrichtung mit einem Stopfen und einem Zylinder vor, wobei der Zylinder ringförmig und der Stopfen zylindrisch und axial innerhalb des Zylinders bewegbar ist, einem Flüssigkeitseinlass, der mit einem Ende des Zylinders zusammenwirkt,
• einem Flüssigkeitsauslass, der mit dem anderen Ende des Zylinders zusammenwirkt,
• einem Flüssigkeitsdurchflussweg, der axial durch die Vorrichtung verläuft und einen Wegeingang von variabler Fläche aufweist, wobei der Flüssigkeitsdurchflussweg eine Vielzahl von an dem Umfang verlaufenden winkligen Abbiegungen hat, und
• einer Bedieneinrichtung zur axialen Bewegung des Stopfens in Bezug zu dem Zylinder,
• wobei diese Anordnung derart ist, dass bei axialer Bewegung des Stopfens die Länge des Flüssigkeitsdurchflusswegs verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder einen äußeren Kreisring und eine innere ringförmige Hülse aufweist und der Flüssigkeitsdurchflussweg zwischen der inneren kreisförmigen Hülse und dem äußeren Kreisring liegt.
• Wenn der Stopfen sich weiter aus dem Zylinder bewegt, wird in geeigneter Weise eine entsprechende Steigerung des Flüssigkeitsdurchflusses beobachtet.
• Folglich können die axialen Durchflusswege mit Abbiegungen als Durchgangswege vorgesehen werden, die als Kanäle in einer Hülse ausgebildet sind, die eine Innenwand von einem ringförmigen Zylinder ausbildet. Die Durchgangswege stehen an einer Vielzahl von bestimmten Öffnungen oder radial ausgerichteten Durchgangswegen entlang ihrer Länge mit dem Innenraum der Hülse in Verbindung und ein Stopfen passt in die Hülse. Ein Einlass ist an einem Ende oder angrenzend an ein Ende von dem Zylinder vorgesehen, um mit dem Innenraum der Hülse in Verbindung zu stehen. Wenn der Stopfen vollständig in der Hülse ist, wird der Durchfluss zu einem Auslass an dem entgegengesetzten Ende oder angrenzend an das entgegengesetzte Ende von dem Zylinder zu dem Einlass abgesperrt. Wenn der Stopfen aus dem Zylinder und seiner Hülse bewegt wird, beginnt der Flüssigkeitsdurchfluss durch die Vorrichtung, wenn der Stopfen einmal den ersten radial ausgerichteten Durchgangsweg freigesetzt hat. Der radial ausgerichtete Durchgangsweg liegt vorzugsweise an dem Ende oder angrenzend an das Ende von dem axialen Durchgangsweg dicht bei dem Einlass, so dass Flüssigkeit entlang der überwiegenden und möglicherweise der gesamten Länge des axialen Durchgangsweges mit Abbiegungen fließt. Wenn sich der Stopfen weiter aus der Zylinderhülse bewegt, setzt er eine oder mehrere von solchen radial ausgerichteten Verbindungsöffnungen frei und daher steigt der Durchfluss durch die Vorrichtung an, aber der gesteigerte Durchfluss läuft entlang einer kürzeren Länge des axialen Durchgangsweges und daher durch weniger Abbiegungen.
• Der Querschnitt der axialen Durchgangswege mit Abbiegungen kann in der Richtung von dem Einlass zu dem Auslass ansteigen.
• Der Zylinder und seine Hülse sind vorzugsweise verjüngt, um eine gute Abdichtungspassung sicherzustellen und die Verjüngung verläuft vorzugsweise von dem Einlass zu dem Auslassende.
• Der Zylinder und seine Hülse können, falls gewünscht, miteinander zum Beispiel durch Löten verbunden sein.
• Vorzugsweise ist eine Vielzahl von axialen Durchgangswegen mit Abbiegungen durch die Hülse vorgesehen. Zum Beispiel kann es 2 bis 12 solcher Durchgangswege geben, vorzugsweise 4 bis 8.
• Die axialen Durchgangswege können gleichmäßig beabstandet um die Hülse sein, aber unter gewissen Umständen kann es als vorteilhaft empfunden werden, sie axial zu staffeln. Dadurch können die die parallelen Durchflüsse ausbildenden Mehrfachdurchgangswege angeordnet werden, um ein einheitli ches Cv-Stoß-Verhältnis vorzusehen und um Toträume zu minimieren.
• Vorrichtungen der Erfindung sind insbesondere für die Verwendung unter Umständen des veränderlichen Druckabfalles geeignet. Obwohl sie nicht darauf beschränkt sind, sind Vorrichtungen der Erfindung auch insbesondere nützlich für eine Anwendung mit Ventilen von relativ kleiner oder mittlerer Kapazität wie zum Beispiel einem Cv von 1 bis 50.
• Sie schaffen die folgenden Vorteile:
• i. Es sind weniger Komponenten als bei den herkömmlichen Mehrfachstufendurchflussregelvorrichtungen erforderlich;
• ii. Es können größere Durchflussdurchgänge an kleineren Ventilen vorgesehen werden;
• iii. Der axiale Durchfluss verteilt den Druckabfall entlang der Länge der Vorrichtung; und
• iv. Die Komponenten können aus Stelliten, Carbiden und verschiedenen anderen Materialien hergestellt werden, da sie relativ einfach zum Beispiel durch Elektroentladungsfräsen zu bearbeiten sind.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Hilfe von Beispielen nur unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
• Fig. 1 eine perspektivische Ansicht von einem Zylinder und seiner Hülse zeigt, welche einen Teil von einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bilden;
• Fig. 2 einen Schnitt an der Linie IV-IV von Fig. 1 zeigt;
• Fig. 3 eine Ansicht in die Richtung des Pfeils A von Fig. 2 zeigt;
• Fig. 4 eine schematische Darstellung von den Durchflusswegen durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt; und
• Fig. 5 eine perspektivische Ansicht von einer Form zeigt, die zum Herstellen der Durchflussdurchgangswege in der Hülse von Fig. 2 verwendet wird.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 1 bis 3 gezeigt.
• Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Drosseln oder ein Strömungswiderstand durch Durchgangswege in einer ringförmigen Hülse 20 vorgesehen, welche in den Zylinder passt, durch welchen der Stopfen beweglich ist.
• Der Außendurchmesser der ringförmigen Hülse 20 verringert sich entlang der axialen Länge der Hülse, so dass die Hülse einen kleineren Außendurchmesser an dessen Ende am nächsten zu dem Flüssigkeitseinlass hat. Die Hülsenverjüngung ist durch die innere Verjüngung des äußeren massiven Zylinders 21 angepasst, in welchem die Hülse 20 auf fluiddichte Weise eingepasst ist. Der Innendurchmesser der Hülse 20 ist konstant, wobei eine innere Bohrung 25 vorgesehen ist, durch welche ein zylindrischer Stopfen sich bewegen kann.
• Die Außenfläche 22 der Hülse 20 ist mit einer Reihe von sich axial erstreckenden Durchgangswegen 23 versehen, wobei jeder Durchgangsweg eine Anzahl von sich am Umfang erstreckenden (z. B. sich in eine im wesentlichen zu einem Radius der Hülse 20 rechtwinklige erstreckenden) rechtwinkligen Abbiegungen 24 hat. Jeder Durchgangsweg 23 steht mit der inneren Bohrung 25 des inneren Kreisringes über eine Vielzahl von axial beabstandeten und radial ausgerichteten Öff nungen 26 in Verbindung, die sich durch die Dicke der Hülse erstrecken.
• Um den Durchfluss zu öffnen, wird der Stopfen angehoben und aus der Hülse 20 ausreichend bewegt, um die oberste Öffnung 26 in jedem Durchgangsweg 23 freizusetzen. Flüssigkeit kann darauf entlang der gesamten Länge von jedem Durchgangsweg 23 zu dem Auslass fließen und überwindet daher alle rechtwinkligen Abbiegungen. Wenn der Stopfen weiter aus der Hülse 20 bewegt wird, werden sukzessive Öffnungen 26 entlang jedes Durchgangsweges freigesetzt, so dass der Durchfluss ansteigt, aber der Durchfluss durch jede sukzessive Öffnung überwindet dann weniger Abbiegungen entlang jedem Durchgangsweg 23. Die für den Flüssigkeitsdurchfluss verfügbare Fläche des Wegeingangs wird folglich variiert, wenn der Stopfen axial bewegt wird.
• Wie in Fig. 3 gezeigt ist, steigt darüber hinaus der Querschnitt jedes Durchgangswegs 23 von seinem Einlassende 23a zu seinem Auslassende 23b, wodurch der Durchfluss weiter ansteigt, wenn der Stopfen sich weiter aus der Hülse 20 bewegt. Die radial ausgerichteten Öffnungen oder Durchgangswege 26 in Richtung des Auslassendes der Vorrichtung können auch eine größere Querschnittsfläche haben als die in Richtung des Einlassendes.
• Dies ist schematisch hinsichtlich des Strömungswiderstandes in Fig. 4 dargestellt, wobei der Stopfen 27 eine größere oder kleinere Anzahl von Öffnungen 26 freisetzt, die zu Abbiegungen 24 in dem Durchgangsweg 23 führen, wenn er nach oben oder nach unten bewegt wird.
• Fig. 5 zeigt eine Form 30, mit welcher ein Durchgangsweg 23 mit Abbiegungen 24 in die Außenfläche der Hülse 20 geschnitten wie zum Beispiel elektroentladungsgefräst werden kann, während ebenso die Öffnungen 26 durch die Wanddicke des Kreisringes geschnitten werden.
• Die Form hat einen verlängerten Körper 31, der in Übereinstimmung mit den Durchgangswegen 23 gestaltet ist, mit rechtwinkligen den Abbiegungen 24 entsprechenden Abbiegungen 32. Sie hat die Tiefe "x" in Übereinstimmung mit der gewünschten Tiefe des Durchgangswegs 23 (so dass "x" entlang der Länge des Körpers 31 variieren kann, wenn gewünscht) und hat entsprechend den gewünschten Verbindungsöffnungen 26 in der Hülse 20 Verlängerungen 33. Die Tiefe "y" des Körpers 31 einschließlich einer Verlängerung 33 ist gleich der Wanddicke der Hülse 20.

Claims (9)

1. Flüssigkeitsflußregler bestehend aus einem Stopfen (27) und einem Zylinder (20, 21), wobei der Zylinder (20, 21) rund und der Stopfen (27) zylindrisch und axial im genannten Zylinder (20, 21) bewegbar ist, einem Flüssigkeitseinlaß der mit einem Ende des genannten Zylinders (20, 21) zusammenwirkt, einem Flüssigkeitsauslaß, der mit dem anderen Ende des genannten Zylinders (20, 21) zusammenwirkt, einem Flüssigkeitsflußweg (23), der axial durch die Vorrichtung verläuft und

einen Wegeingang mit variabler Fläche aufweist, wobei der genannte Flüssigkeitsflußweg (23) mehrere, um den Umfang verlaufende winklige Abbiegungen (24) aufweist und einer Bedienvorrichtung zur axialen Bewegung des Stopfens in Bezug zum Zylinder (20, 21), wobei in dieser Vorrichtung bei axialer Bewegung des Stopfens, die Länge des Flüssigkeitsflußwegs (23) verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder einen äußeren Kreisring (21) aufweist und eine innere kreisförmige Hülse (20) und sich der Flüssigkeitsflußweg (23) zwischen der inneren kreisförmigen Hülse (20) und dem äußeren Kreisring (21) befindet.

2. Flüssigkeitsflußregler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Fläche des Wegeingangs (26), die zum Fluß der Flüssigkeit zur Verfügung steht, ändert wenn der Stopfen axial weiter aus dem Zylinder (20, 21) bewegt wird.

3. Flüssigkeitsflußregler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsflußweg (23) mehrere Durchführungen aufweist.

4. Flüssigkeitsflußregler gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Durchführungen, die den Flüssigkeitsflußweg (23) aufweist, mehrere im wesentlichen rechtwinklige Abbiegungen (24) enthält.

5. Flüssigkeitsflußregler gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Flüssigkeitsflußwegs (23) im Laufe des Verlaufs durch den Stopfen und Zylinder (20, 21) zunimmt.

6. Flüssigkeitsregler gemäß jedem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsflußweg (23) radial auslaufende Durchführungen (26) aufweist, die durch die Innenfläche der Hülse (20) verlaufen und eine Verbindung zu den Durchführungen (23) schaffen, die axial in der Hülse (20) verlaufen.

7. Flüssigkeitsregler gemäß jedem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand der Hülse (20) und die Innenwand des Zylinders (20, 21) kegelig verjüngt sind.

8. Flüssigkeitsregler gemäß jedem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Stopfen (27) im wesentlichen massiv ist.

9. Flüssigkeitsregler gemäß jedem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler einen zum Stopfen (27) und Zylinder (20, 21) zugehörigen Vorschluß aufweist, damit der Flüssigkeitsfluß durch den Regler abgesperrt werden kann.