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Federbelastetes Sicherheitsventil mit Hochhubkammer Bei federbelasteten
Hochhubsicherheitsventilen besteht die Gefahr, daß das Ventil sich nach dem jeweiligen
Abblasen nur mit großer Verzögerung wieder schließt, was ein :starkes Absinken des
Kesseldruckes unter den Normaldruck zur Folge hat. Diese Gefahr besteht insbesondere
bei Ventilen, die mit großen Hochhubflächen ausgestattet sind. Zur Vermeidung dieses
Übelstandes sind neuerdings Einrichtungen vorgeschlagen worden, welche ein allseitig
gleichmäßiges Ablassen des Druckes aus der Hochhubkammer ermöglichen, wenn eine
vorzeitige Beendigung der Hochhubwirkung erforderlich ist. Diese Einrichtungen ermöglichen
ein besseres Arbeiten auch bei Anwendung großer Hochhubflächen. Die Erfindung betrifft
nun weitere Verbesserungen für Sicherheitsventile der erwähnten Bauart, und zwar
wird erfindungsgemäß die Hochhubkammer in eine Vorkammer und eine Hauptkammer unterteilt.
Dabei kann die Einrichtung so getroffen werden, daß die Größe der Vorkammer veränderlich
ist, vorzugsweise unabhängig von einer etwa ebenfalls vorgesehenen Veränderlichkeit
der Abmessungen der Hauptkammer.
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Diese Unterteilung der Hochhubkammer in eine von dem Kesseldampf zunächst
zu durchströmende Vorkammer und eine daran anschließende Hauptkammer hat verschiedene
Vorteile. Handelt es sich um Sicherheitsventile der eingangs erwähnten Bauart mit
Einrichtungen zum willkürlichen Ablassen
des' Druckes aus der --Hoehhubkammer;
so wird die Anordnung so getroffen, daß diese Druckentspannungseinrichtungen in
der Hochhubhauptkammer liegen. Bei einem etwaigen Versagen der Druckentspannungseinrichtung
derart, daß die Einrichtung nicht wieder in die Schließlage zurückkehrt, bleibt
dann durch die Wirkung der Vorkammer' trotzdem ein Mindesthochhub gewährleistet,
der durch entsprechende Dimensionierung der Vorkammer so bemessen werden kann, däß
auf jeden Fall ein Mindesthochhub erzielt wird, der den gesetzlichen Anforderungen
entspricht.
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Auch bei Sicherheitsventilen ohne Druckentspannungseinrichtungen für
die Hochhubkammer hat sich die Unterteilung der Höchhübkammer in Vor- und Hauptkammer
gemäß der vorliegenden Erfindung als günstig erwiesen, .da berei.tshierdurch die
Verzögerung im Schließen des Hochhubventils erheblich verringert wird. Eingehende
Versuche, die mit dem Sicherheitsventil nach der Erfindung ohne Betätigung eines
Druckentspänners durchgeführt wurden, haben gezeigt, daß für den gesamten Schließbeginn
der Schließbeginn der Hochhubfläche der Vorkammer maßgebend ist. Sobald das Ventil
auf Grund der Strömungsverhältnisse dieser Hochhubvorkammer zu schließen-beginnt,
wird auch die Hochhubwirkung der Haupthochhubkammer ausgeschaltet: Die Verzögerung
im Schließen ist also trotz der- großen Haupthochhubfläche nicht stärker als sie
bei einer kleinen Hochhubfläche bzw. kleinen Hochhubkammer sein würde. Vermutlich
beruht diese günstige Beeinflussung auf einer dynamischen Einwirkung, die durch
die Änderung der Dampfströmung aus der Vorkammer in die Hauptkammer ausgelöst wird.
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Die beschriebenen Wirkungen des neuartigen Ventils sind für die Brauchbarkeit
der in Frage stehenden Sicherheitsventile in der Praxis von ausschlaggebender Bedeutung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ferner dafür
Sorge getragen, daß der volle Hochhub nicht stetig, sondern absatzweise erreicht
wird, und zwar in -der Regel derart, daß zunächst ein Teilhochhub bewirkt wird,
der dann eine gewisse kürzere Zeit hindurch ungeändert aufrechterhalten bleibt,
auch wenn der Kesseldruck etwa weiter steigt. Erst nach Ablauf eines gewissen jeweils
geeignet zu bemessenden Zeitintervalls bzw. bei Überschreiten eines vorbestimmten
höheren I,'-esseldruckes, geht das Sicherheitsventil von Teilhub auf den vollen
Hochhub über. Dies ermöglicht es dem Heizer in vielen Fällen während der Teilhubperiode
durch Nachspeisen von Kesselwasser dafür Sorge zu tragen, daß der volle Hub überhaupt
nicht in Tätigkeit tritt und damit das unwirtschaftliche starke Abblasen -großer
Dampfmengen vermieden wird. Es bleibt jedoch andererseits gewährleistet; daß für
den Gefahrfall ein ausreichender Hub zur Verfügung steht, durch den auch die größte
Dampfmenge sicher abgeblasen wird. Gegebenenfalls kann auch eine Unterteilung in
mehr als zwei Hochhubstufen vorgesehen werden. Dabei kann die Einrichtung so getroffen
sein, daß die erste oder Teilhochhubstufe nur unter Einwirkung der Hochhubfläche
der Vorkammer eingestellt wird, oder es kann zur Erreichung dieser Teilhochhubstufe
auch bereits- ein gewisses Anheben der Hochhubfläche der Hauptkammer stattfinden.
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Das stufenweise Öffnen von Ventilen ist 'an sich bereits bekannt,
insbesondere das Vorschalten eines Warnstadiums (Vorblasen) vor dem eigentlichen
Abblasen. Doch ermöglichten die bisherigen Konstruktionen nicht die Kombination
des jeweils steilen Übergangs auf Abblasteilhub und Abblasv ollhub in der Öffnungsperiode
mit einem schlagartigen Schließen bei geringem Unterschreiten des vorbestimmten
Kesseldruckes in der Schließperiode, wie dies in dem unten noch näher erläuterten
Diagramm (Fig. 3) veranschaulicht ist.
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Ein konstruktiver Vorteil der vorliegenden Bauart liegt auch in der
Vermeidung der bei älteren Bauarten vorgeschlagenen komplizierten Hochhubg locken.
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Die Vorkammer kann auch so ausgebildet werden, daß sie in Schließstellung
nur die Gestalt eines verhältnismäßig schmalen Spaltes einnimmt, daß: also die Vorkammerhochhubfläche
und deren Gegenflache im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Auch bei dieser
Ausführungsform ist darauf zu achten, daß die Druckentspannungsvorrichtungen nur
in der Hochhubhauptkammer vorgesehen sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Vorkammer so
gestaltet, daß der Dampfaustritt aus der Vorkammer schräg nach oben, und zwar vorzugsweise
in Richtung auf die Hochhubfläche der Hauptkammer hin erfolgt.
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Die Erfindung wird in folgendem an Hand der Zeichnungen in zwei Ausführungsbeispielen
beschrieben. Bei beiden Ausführungsbeispielen sind in der Hochhubhauptkammer willkürlich
bedienbare Druckentlastungsvorrichtungen vorgesehen. Doch ist die Erfindung, wie
schon erwähnt, mit Vorteil auch für Ventile brauchbar, die eine solche willkürliche
bedenbare Druckentlastungsvorrichtung nicht besitzen. Es sind ferner in den Zeichnungen
die gegebenenfalls vorzusehenden Vorrichtungen zum Verstellen auf verschiedene Vorkammergrößen
nicht besonders dargestellt worden. Die Verstellung kann sowohl durch Einstellung
der Vorkammerhochhebfläche wie auch der zugehörigen Gegenfläche erfolgen, beispielsweise
mit Hilfe eines an dem betreffenden Bauteil vorzusehenden Gewindes.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. i ist in dem Ventilgehäuse i in
bekannter Weise eine Feder 2 angeordnet, die über einen Federteller 3 auf den Absperrkegel
4 des Sicherheitsventils preßt und dem normalen Dampfdruck das Gleichgewicht hält.
Der Kegel 4 ist in einer Sitzbohrung 5 geführt und schließt auf der Dichtungsfläche
des Sitzes 6.
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Der Federteller 3 :enthält die Haupthochhubfläche 7, auf welche der
ausströmende Dampf seine Hochhubwirkung ausübt. Die zugehörige Haupthochhubkammer
ä wird durch den Kragen 9 eines Drehschiebers io begrenzt, dessen Austrittsöffnungen
i i bei normaler Funktion des Sicherheitsventils
geschlossen sind.
Nur dann, wenn die Hochhubw-irkung ausgeschaltet werden soll, wird der Drehschieber
so verstellt, daß seine Austrittsöffnungen i i sich mit dem Austrittsquerschnitt
r2 der Hochhubhauptkammer 8 decken, so daß dann der Druck aus der Hauptkammer 8
entweichen kann.
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Erfindungsgemäß ist der Hochhubhauptkammer 8 eine Vorkammer 13 vorgelagert,
die mit einer kleineren Hochhubfläche i-. ausgerüstet ist, die mit einer vorzugsweise
verstellbaren Gegenfläche 15 zusammenwirkt. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist,
werden bei Betätigung des Drehschiebers, der eine willkürliche Druckentspannung
in der Hauptkammer 8 ermöglicht, die Flächen 1d. und 15 der Vorkammer mechanisch
nicht beeinflußt. Wenn also der Drehschieber infolge irgendwelcher Umstände in seiner
Bewegung gehemmt ist, vor allem sich nach der Betätigung nicht wieder zurückbewegt,
bleibt die Vorkammer 13 trotzdem in Funktion.
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Die Vorkammer wird vorzugsweise so dimensioniert, daß die erzielte
Hochhubwirkung der gesetzlich vorgeschriebenen Mindestabblaseleistung entspricht.
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Für wichtige praktische Anwendungszwecke, beispielsweise für die Anwendung
im Lokomotivbau, wird eine sich aus drei Arbeitsstadien zusammensetzende Wirkungsweise
des Ventils verlangt, wie sie in Fig. 3 schematisch veranschaulicht ist. Das Stadium
I ist das sogenannte Vorblasen, im Stadium II erfolgt ein Abblasen bei einem Teilhochhub
und erst im Stadium III das Abblasen bei vollem Hochhub. Im Stadium II strömt daher
noch wesentlich weniger Dampf in der Zeiteinheit ab als im Stadium III. Für das
Schließen des Ventils wird in der Praxis ein Verlauf gewünscht wie er in Fig. 3
durch die gestrichelte Kurve angedeutet ist. Es soll also das Ventil bis zur Erreichung
des vorbestimmten Kesseldruckes sich langsam etwas schließen und dann kurz nach
Unterschreiten des vorbestimmten Kesseldruckes mit scharfem Schlag die eigentliche
Schließbewegung vollziehen.
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Maßgebend für die Erreichung dieser Wirkung ist die gegenseitige Abstimmung
der Abblasequerschnitte der Hochhubvorkammer und der Hochhubhauptkammer. Der Austrittsquerschnitt
aus der Hochhubhauptkammer muß so groß bemessen werden, daß bei Beginn des Hochhubes,
der durch die Hochhubvorkammer erzielt wird, in der Hochhubhauptkammer noch nicht
der genügende Zusatzdruck entsteht, sondern daß der Druck in der Hauptkammer erst
bei weiterem Ansteigen des Kesseldruckes so weit ansteigt, daß ein weiteres Öffnen
des Sicherheitsventils auf vollem Hub erzielt wird.
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Durch Einbau einer Zusatzfeder oder eines Zusatzgewichtes, das erst
mit dem unteren Federteller bzw. dem Ventilkegel in Berührung kommt, wenn der Teilhochhub
erreicht ist, wird die sichere Arbeitsweise wesentlich erhöht, da dann die Überwindung
einer zusätzlichen Kraft notwendig ist, bevor der volle Hub eintreten kann. Die
Überwindung dieser zusätzlichen Kraft ist aber erst möglich nach gewissem Steigen
des Kesseldruckes und der dadurch bedingten Erhöhung des Druckes in der Hochhubhauptkammer.
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Ein so arbeitendes Sicherheitsventil veranschaulicht die Fig. :2.
Das Sicherheitsventil a, das mit einer Hauptschließfeder b einen Ventilkegel
d und dem Ventilsitzkörper f ausgerüstet ist, besitzt eine durch den Ventilkegel
d zusammen mit dem Kragen ia gebildete Hochhubvorkammer c. Diese Vorkammer c schließt
sich nach dem Kegel hin an die Hochhubhauptkammer g an, die ihrerseits durch einen
Kragen la begrenzt wird. Der Kragen h kann mit einem von außen bedienbaren
Drehschieber i in Verbindung stehen, der Austrittsöffnungen k trägt, die durch Verdrehung
des Drehschiebers mit Austrittsöffnungen l des Sicherheitsventils zum Zusammenfallen
gebracht werden können, so daß eine willkürliche Druckentlastung der Hochhubhauptkammer
durch den Heizer während des Betriebes möglich ist.
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Im Stadium I (Vorblasen) ist der Ventilkegel nur ganz schwach geöffnet.
Der durchströmende Dampf trifft beim Austritt aus den beiden Hochhubkammern auf
so große Ausflußquerschnitte, daß nur ein geringer Druck entsteht, der nicht in
der Lage ist, das Ventil stark zu öffnen. Die Hochhubwirkung ist also noch nicht
in Tätigkeit, sondern der Ventilkegel öffnet mit so geringem Hub, als wenn die Hochhubkammern
überhaupt nicht vorhanden wären.
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Während des Stadiums II (Abblasen in Teilhub) wirkt die Kammer c,
während die Kammer g noch nicht wirkt, da der Ausströmquerschnitt zu groß ist und
sich kein ausreichender Druck bilden kann. Die Öffnung des Ventils erfolgt also
ungefähr in der gleichen Weise, als wenn nur die kleinere Kammer c vorhanden wäre.
Die größere Kammer g wirkt zwar etwas mit, jedoch kann ihr Einfluß praktisch vernachlässigt
werden.
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Der aus der Hochhubv orkammer in die Hochhubhauptkamm@er g gelangende
Dampf entweicht aus dieser Hochhubhauptkammer durch einen Ringspalt, dessen Querschnitt
im Vergleich zu dem Ausströmquerschnitt des Ringspaltes o der Hochhubvorkammer so
bemessen ist, daß erst bei weiterem Ansteigen des Kesseldruckes (also nach Erreichen
des ersten Teilhochhubes) der Druck in der Hochhubbauptkammer g so weit ansteigt,
daß der zunehmende Druck der Feder b überwunden wird. Dann erreicht das Ventil das
Stadium III und bläst mit vollem Hochhub ab.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist noch eine Zusatzfeder
p vorgesehen, die durch eine Spannmutter q so unter Vorspannung gehalten wird, daß
der untere Federteller r einen Abstands vom . unteren Federteller i der Hauptfeder
b hat. Erst nach Erreichen des Teilhochhubes erfolgt daher ein Zusammentreffen des
Federtellers r und des Hauptfedertellers e, und erst von diesem Zeitpunkt ab braucht
die Kraft der Zusatzfeder p überwunden zu werden. Die Teile d und 2 sind nicht gegeneinander
beweglich, sondern bewegen sich gemeinsam, ohne daß sie fest miteinander verbunden
sind. Die Verbindung erfolgt vielmehr durch die auftretenden
Drucld<:räfte,
d. h. während des Schließens drückt die Feder von oben beide Teile zusammen und
während des Offnens drückt der von unten durchströmende Dampf die Teile gegeneinander.
Es ist also eine kraftschlüssige Verbindung vorhanden und keine mechanische. Es
wäre aber auch möglich, beide Teile fest miteinander zu verbinden, also aus einem
Stück herauszustellen.
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Die Vorkammer c ist so gestaltet, daß der Dampf schräg nach oben austritt,
um eine noch ausgesprochenere Ausströmung in dieser Richtung zu erzielen, können
die Begrenzungsflächen der Vorkammer auch noch entsprechend abgeschrägt werden.