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Ventil Die Erfindung bezieht sich auf Ventile zur Regelung der Durchflußgeschwindigkeit
von in großen Mengen strömenden Flüssigkeiten nach dem Druck der Flüssigkeit an
dem Austrittspunkt aus der Rohrleitung, nachfolgend Lieferdruck genannt. "Zweck
der Erfindung ist, ein Ventil zu schaffen, das die Strömung einer in großen Mengen
mit hohen Geschwindigkeiten zu fördernden Flüssigkeit wirksam auf einen Lieferdruck
regeln kann, der trotz der vom Pumpen der Flüssigkeit herrührenden Schwankungen
in der Druckhöhe bzw. der Änderungen der Strömungswiderstände innerhalb eines engen
Bereichs gehalten werden muß. Diese Forderung besteht beispielsweise bei Kraftstoffauftankeinrichtungen
für Flugzeuge, wo es erforderlich ist, den Brennstoff mit einer Geschwindigkeit
von ein oder mehreren tausend Litern je Minute zu fördern, dabei aber trotz der
Schwankungen, die in dem Pumpendruck und/oder dem von solchen Geräten, wie Filter,
Luftabscheider, Meßgeräte u. dgl., der Strömung entgegengesetzten Widerstand auftreten
können, zu gewährleisten, daß der Lieferdruck nicht den Wert überschreitet, bei
dem der Brennstoff noch ohne Gefahr in den Tank gedrückt werden kann Die Erfindung
besteht in einem Ventil zur Regelung der Durchflußgeschw indigkeit voll in großen
Mengen strömenden Flüssigkeiten in einem Rohr, welches einen innerhalb des Rohres
befindlichen Ventilsitz, der gegen den Strom gerichtet ist und in einer mit der
Richtung des Flüssigkeitsstromes einen wesentlichen Winkel bildenden Ebene liegt,
einem Ventilverschlußteil, der,dem Sitz angepaßt ist und eine von seiner gegen den
Strom gerichteten
Fläche aus sich erstreckende Spindel und eine
von seiner mit dem Strom gerichteten Fläche aus sich erstreckende Spindel aufweist,
einer Membran oder einem Kolben, der an der gegen den Strom gerichteten Ventilspindel
befestigt und so. angeordnet ist, daß er an einer Seite dem Flüssigkeitsdruck vor
dem Ventil und "an der anderen Seite dem Lieferdruck oder einem zu diesem proportionalen
Druck ausgesetzt ist, wobei dieser Druck schließend auf das Ventil wirkt, und eine
Membran oder einen Kolben besitzt, der an der mit dem Strom gerichteten Ventilspindel
befestigt und so angeordnet ist, daß er an einer Seite dem Flüssigkeitsdruck hinter
dem Ventil und an der anderen Seite einem Regeldruck ausgesetzt ist, wobei dieser
: Regeldruck öffnend auf das Ventil wirkt und die wirksamen Flächen des Ventilverschlußteiles
und der Kolben bzw. Membranen, die den'Flüssigkeitsdrücken vor und hinter dem Ventil
ausgesetzt-sind, alle einander im wesentlichen gleich sind.
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Dadurch, daß, wie oben. festgestellt, vorgesehen ist, daß die wirksamen
Flächen des Ventilverschlußteiles und der Kolben bzw. Membranen alle im wesentlichen
gleich sind, ist der an dem Ventilverschlußteil wirkende statische Längsdruck, der
sich aus der an jeder Seite des Ventils in dem Rohr befindlichen Flüssigkeit ergibt,
im wesentlichen Null mit dem Ergebnis, daß ein geringes Absinken des Lieferdrucks
unter dem Regeldruck ausreicht, um das Ventil zu öffnen, und daß, beispielsweise
am Beginn der Förderung, ein schnelles Öffnen erhalten wird. Andererseits gewährleistet
die Tatsache, daß die Ventilsitzebene unter einem wesentlichen Winkel zu der Strömungsrichtung
der Flüssigkeit an der Absperrstelle steht, daß die gegen den Strom gerichtete Fläche
des Ventilverschlußteiles, wenn das Ventil offen ist und durch das Rohr eine Flüssigkeit
strömt; einem größeren hydrodynamischen Längsdruck ausgesetzt ist als die mit dem
Strom gerichtete Fläche; so daß die Schließbewegung des Ventils unter dem Einfluß
eines zu hohen Lieferdrucks beschleunigt wird; wodurch der Lieferdruck schnell auf
einen ungefährlichen Wert verringert wird. Diese Wirkung hat ein Maximum, wenn die
Ventilsitzebene im rechten Winkel zur Strömungsrichtung steht; aus Konstruktionsgründen
erfordert eine solche Anordnung jedoch gewöhnlich, daß, um eine brauchbare Anordnung
der Ventilspindeln und der Kolben bzw. Membranen zu erreichen, das Rohr' mit einer
doppelten Krümmung ausgeführt wird, und das ergibt einen Strömungswiderstand. Vorzugsweise
wird die Ventilsitzebene unter einem spitzen Winkel, beispielsweise einem Winkel
zwischen 30 und 6o°, angeordnet, der es erlaubt, die Ventilspindeln und die
an diesen befestigten Membranen bzw. Kolben seitlich der Rohre unterzubringen; auf
diese Weise ist ein Krümmer n dem Rohr nicht erforderlich. _ Die Erfindung ist im
folgenden an Hand schematischer: Zeichnungen an drei Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
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Fig: r ist ein Längsschnitt durch ein "Ventil zur Regelung einer Flüssigkeitsströmung;.
Fig. 2 ist eine gleiche Ansicht eines- abgewandelten Ventils, und - - -Fig. 3 ist
eine Teilansicht, die eine alternative Einrichtung zur Ausübung des Regeldrucks
-darstellt.
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Gleiche Teile sind in den einzelnen Figuren mit denselben Bezugsziffern
bezeichnet.
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Die in den Zeichnungen dargestellten Ventile sind für den Gebrauch
in Rohren zum Kraftstoffauftanken bei :Flugzeugen geeignet. In Fig. r ist das Rohr,
durch das der Brennstoff fließt, mit z bezeichnet und die Strömungsrichtung durch
Pfeile angedeutet. Die Strömung wird durch ein Ventil geregelt, das einen Ventilsitz
2 besitzt; der in der Rohrleitung i- an: der gegen den Strom gerichteten Seite eines
inneren Flansches 6 gebildet ist, so daß der Sitz gegen den- Strom gerichtet ist.
Ein Ventilverschlußteil3 von kreisförmigem Querschnitt ist so angeordnet; daß er
auf demVentilsitz 2 aufsitzen kann, wobei die Ebene dieses letzteren unter einem
wesentlichen Winkel, in der Zeichnung unter einem Winkel von 45°, zu der Strömungsrichtung
an der Absperrstelle. liegt. Es versteht sich, daß es geometrisch genau sein würde,
von der Ebene des Ventilsitzes nur dann zu sprechen, wenn die Berührung zwischen
dem Ventilteil 3 und ,dem Sitz, streng genommen, linienförmig wäre. Praktisch findet
diese Berührung jedoch auf einer Fläche statt, und der Ausdruck die. Ventilsitzebene,
wie er in dieser Beschreibung- gebraucht wird, ist so zu verstehen, daß damit eine
Ouerschnittsebene der durch die Sitzfläche gebildeten Körpergestalt gemeint ist.
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Der Ventilverschlußteil 3 ist mit zwei Spindeln, einer gegen den Strom
gerichteten Spindel 4 und einer mit-- dein- Strom gerichteten Spindel 5, versehen.
Die Enden der Spindel 4 und 5 sind an den entsprechenden Membranen 7 und 8 befestigt
und ragen in Kammern g und zo hinein, die zwischen diesen Membranen 7 und S und
an gegenüberliegenden Seiten des Rohres r auf Flanschen festgeschraubten Abschlußteilen
z r und 12 gebildet sind. Die Membranen sind, wie ersichtlich, in solcher Weise
befestigt, daß zwischen dein- Innern des Rohres r und den Kammern g und zo ein flüssigkeitsdichter
Abschluß besteht. Die Kammer 9 ist mit einem Anschluß 13 versehen, an dem das eine
Ende einer nicht gezeigten Druckentnahmeleitung befestigt werden kann, deren anderes
Ende mit dein Austrittspunkt des Kraftstoffes aus der Rohrleitung in Verbindung
steht. Der Anschluß 13 steht mit der Kammer 9 "über ein kleines Ventil in
Verbindung, das eine freie Strömung der Flüssigkeit in die Kammer, jedoch nur eine
gedrosselte Strömung aus der Kammer in die Entnahmeleitung zuläßt. Dadurch wird
die Betätigung des Hauptventils gedämpft. In der Zeichnung hat dieses kleine Ventil
die-Form eines mit Nuten 17 versehenen Sitzes 15 und einer Kugel 14, die sich frei
vom Sitz abheben kann, wobei diese Bewegung durch einen Teil 16 begrenzt ist.
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Die-Kammer so ist init zwei kleinen federbelasteten Ventilen (Reifenventilen
18 und z9) und einem Druckmesser 2o versehen. Im Betrieb wird durch
eines
dieser Ventile in die Kammer io Luft gepumpt, bis ein vorbestimmter Regeldruck erreicht
ist. Das andere Reifenventil bildet eine geeignete Einrichtung, um den Druck einzustellen,
wenn zuviel Luft in die Kammer gepumpt ist. Angenommen, der V entilverschlußteil
3 ist offen und durch das Rohr i fließt Kraftstoff, um einen Flugzeugtank aufzutanken,
und weiter angenommen, der Druck am Austrittsende des Rohres i hat aus irgendeinem
Grund gerade einen Grenzwert erreicht, bei dem es gefährlich ist, Kraftstoff in
den Tank zu drücken. Dieser Druck wird über die Entnahmeleitung auf die Kammer 9
übertragen. Der Regeldruck in der Kammer io war so eingestellt worden, daß, wenn
der Druck in der Kammer 9 diesen Grenzwert erreicht, die Membran 7 den Ventilteil
3- zu der geschlossenen Stellung hin bewegt. Es ist ersichtlich, daß der Ventilverschlußteil
3 im Flansch 6 durch Führungsrippen 21 geführt wird, die seine freie Bewegung in
axialer Richtung zulassen. Die Bewegung des Ventilteiles zu der geschlossenen Stellung
hin wird dann durch den von der Flüssigkeit auf die geneigte Fläche des Ventilteiles
ausgeübten hydrodynamischen Druck beschleunigt.
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Wenn der zu hohe Lieferdruck ein vollständiges Schließen des Ventils
bewirkt hat, dann fällt der Kraftstoffausströmdruck und damit der Druck in der Kammer
9. Es ist ersichtlich, daß, wenn der Verschlußteil 3 geschlossen ist, die vor und
hinter dem Ventil herrschenden Drücke an den wirksamen Flächen des auf dem Sitz
2 befindlichen Verschlußteiles in entgegengesetzten Richtungen wirken, wobei die
wirksame Fläche gleich der Querschnittsfläche des Verschlußteiles 3 vermindert um
diejenige der Spindel q. bzw. 5 ist. Nun ist die wirksame Fläche des auf dem Sitz
2 befindlichen Verschlußteiles im wesentlichen gleich der wirksamen Fläche jeder
der beiden Membranen 7 und B. Der infolge der in dein Rohr i befindlichen Flüssigkeit
an dem' 'erschlußteil wirkende resultierende Längsdruck ist daher im wesentlichen
gleich Null. Wenn daher der Druck in der Kammer 9 etwas unter den in der Kammer
io sinkt, öffnet sich das Ventil schnell, und die Kraftstofflieferung fängt wieder
an. Es ist ersichtlich, d aß dank der Tatsache, daß der das Schließen bewirkende
Druck durch den hydrodynamischen Druck der strömenden Flüssigkeit unterstützt wird,
der Lieferdruck, bei dem der Ventilteller 3 sich zu schließen beginnt, eher geringer
ist als der, der notwendig ist, um den Teller geschlossen zu halten. Diese Wirkung,
verbunden mit der Tatsache, daß, wie unten beschrieben, das Verhältnis zwischen
Ventilbewegung und freigegebener Öffnungsfläche nicht linear ist, gewährleistet
nicht nur ein am Anfang schnelles Ansprechen auf einen Anstieg im Lieferdruck, sondern
verringert auch die Neigung zu einer vollständigen Förderunterbrechung infolge eines
Überdrucks. In anderer Weise betrachtet, ist die Wirkung des hydrodynamischen Drucks
die, daß sie den Längsdruck, der das Bestreben hat, das Ventil zu schließen, fortschreitend
verringert; wenn das Ventil sich der geschlossenen Stellung nähert. Diese Wirkung
wird dadurch vergrößert, daß der Druck in der Kammer io ansteigt, wenn sich das
Ventil schließt.
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Das Ausmaß, bis zu dem es erwünscht ist, die Geschwindigkeit, mit
der der Schließdruck abfällt, wenn das Ventil sich der geschlossenen Stellung nähert,
zu verringern, hängt von dem Lieferdruckbereich ab, in dem man arbeiten möchte.
Wenn eine empfindliche Regelung über einen engen Lieferdruckbereich erwünscht ist,
sollte die Geschwindigkeit der Abnahme gering sein, und dieses Ergebnis kann dadurch
erhalten werden, daß man, wie in Fig. i gezeigt, verdichtete Luft zur Erzeugung
des Regeldrucks benutzt. Die Empfindlichkeit der Regelung kann in einem solchen
Fall dazu neigen, ein Flattern zu erzeugen, jedoch wird diese Neigung durch die
Dämpfungswirkung der gedrosselten Durchlaßöffnung in dem Anschluß 13 verringert.
Diese Dämpfungswirkung kann durch Auswechslung des Teiles 13 und der Kugel 1d. eingestellt
werden. .
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Wo ein weiterer Lieferdruckbereich zulässig ist, wird es vorgezogen,
die Geschwindigkeit, mit der der Schließdruck abnimmt, wenn das Ventil sich der
geschlossenen Stellung nähert, zu erhöhen. Dieses kann dadurch bewirkt werden, daß
die verdichtete Luft in der Kammer io, wie in Fig. 2 gezeigt, durch eine Feder ersetzt
wird. In der in Fig. 2 gezeigten Ausführung sind die Membranen 7 und 8 durch an
den Spindeln d. und 5 befestigte und in Zylindern 24 und 25 arbeitende Kolben 22
und 23 ersetzt, wobei diese Anordnung für höhere Arbeitsdrücke geeignet ist als
die in Fig. i gezeigte. Auf die Rückseite des Kolbens 23 wirkt eine Druckfeder 26,
die den Regeldruck für das Ventil bestimmt. Damit eine Feder verwendet werden kann,
deren zugehörige Geschwindigkeit nicht zu groß ist, ist es normalerweise notwendig,
eine Feder zu verwenden, die einen beträchtlich unter dem geforderten Kraftstofflieferdruck
liegenden Regeldruck ausübt. Der von dem Lieferdruck herrührende Längsdruck wird
daher reduziert, bevor er auf den Kolben 22 wirkt, indem ein Kolben 27 von geringerem
Durchmesser vorgesehen ist, der gegen den Kolben 22 drückt. Der Kolben 27 bewegt
sich in einer zylindrischen Kammer 28, die über den An cchluß 13 mit dem
Austrittsende des Rohres i verbunden werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel
ist in dem Anschluß 13 eine einstellbare Drosselstelle gezeigt. Diese besteht aus
einem Nadelventil 29, das gegenüber dem konischen Sitz 3o durch Ein- oder Ausschrauben
verstellt werden kann, wobei auf der Ventilspindel eine Feststellmutter und Stoffbuchse
31 vorgesehen sind.
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Das von dem Kolben 23 entfernte Ende der Feder 26 stützt sich gegen
einen Armstern 32 ab, der auf eine mit Gewinde versehene Stange 33 aufgeschraubt
und mit Ansätzen 3:I versehen ist, die in im Zylinder 25 vorgesehenen Nuten gleiten
und den Armstern 32 am Drehen hindern. An der Stange 33 ist ein mit einem Zeiger
36 versehener Hebel 35 befestigt, so daß durch Drehen des Hebels der Druck der Feder
26 eingestellt werden kann. Der eingestellte
Druck wird durch den
mit einer Skala 37 zusammenwirkenden Zeiger 36 angezeigt. Der Hebel 35 ist mit .einem
Feststellrad 38 versehen.
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Wenn es erwünscht ist, die Empfindlichkeit der Regelung zu erhöhen,
während noch eine Feder zur Erzeugung des Regeldrucks verwendet wird, kann bei einem
gegebenen Federweg die Verschiebung des Kolbens-23, wie in Fig. 3 gezeigt, hydraulisch
vergrößert werden. Durch diese Einrichtung wird die Änderung des durch die Feder
ausgeübten Drucks, -wenn das Ventil sich bewegt; verringert, womit, wie oben beschrieben,
die Empfindlichkeit erhöht wird. In Fig. 3 wirkt die Feder 26 auf einen m einem
Zylinder 39 spielenden Kolben 38. Das untere Ende des Zylinders ist mit einer Verlängerung
40 versehen, die eine Bohrung 41 aufweist. Diese Bohrung 41 stellt die Verbindung
mit einer Kammer 42 her, die auf der Rückseite des Kolbens 23 durch eine hohle zylindrische,
auf der Verlängerung 40 gleitende Nabe 43 gebildet ist. Die Kammer 422, die Bohrung
41 und der Zylinder 39 unterhalb des Kolbens 38 sind mit einer geeigneten hydraulischen
Flüssigkeit gefüllt. Wie ersichtlich, ist die der Flüssigkeit ausgesetzte Fläche
des Kolbens 23 nur ein Bruchteil der Fläche des Kolbens 38 mit dem Ergebnis, däß
die Verschiebung des Kolbens 23 ein Vielfaches des Weges der Feder 26 ist. _ Die
in den einzelnen Figuren gezeigten verschiedenenAnordnungen können untereinander
ausgetauscht werden. Auf diese Weise kann z. B. ein oder beide Kolben in Fig. 2
durch eine Membran und eine oder beide Membranen in Fib. i durch einen Kolben ersetzt
werden. Statt eines von einer Feder oder von Druckluft erzeugten Regeldrucks kann
der Druck in der Kammer o auch von einem Punkt des Rohrleitungssystems, beispielsweise
einem Punkt oberhalb des Ventils, herstammen; durch Betätigen eines der Reifenventile
z8 oder i9 tvird er dann auf den gewünschten Wert eingestellt.
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Es ist ersichtlich, daß durch die Anordnung des Ventilsitzes und des
Ventiltellers unter einem Winkel in der Größenordnung von 45° zu dem Rohr der Widerstand,
den das Ventil der durch das Rohr strömenden Flüssigkeit entgegensetzt, wesentlich
verringert wird. Darüber hinaus hat die durch die Schräganordnung des Ventilsitzes
in dem Bereich dieses letzteren bestimmte Gestaltung des Rohres den Vorteil, däß,
wenn das Ventil sich von seinem Sitz abhebt, die Öffnungsfläche schneller ansteigt
als der Öffnungsbewegung des Ventils entspricht. Dieses gestattet für eine geforderte
maximale Öffnungsfläche einen kürzeren Ventilhub und eine, bezogen auf die Ventilbewegung,
wenn das Ventil sich dem Sitz nähert, fortschreitend empfindlichere Regelung. Der
von dem Ventil herrührende Widerstand kann weiterhin dadurch verringert werden,
daß man dem Ventilteller 3 einen stromlinienförmigen Querschnitt gibt. Ein solcher
Querschnitt würde die Wirkung des hydrodynamischen Druckes auf des Schließen des
-Ventils abändern; diese Abänderung kann jedoch in einigen Fällen, beispielsweise
wenn hohe Geschwindigkeiten bei vergleichsweise geringen Lieferdrücken gefordert
werden; vorteilhaft sein.
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Es ist zu beachten, daß unter dem Ausdruck wirksame Fläche, wie er
in der Beschreibung und in den Ansprüchen in bezug auf eine Membran benutzt wird,
die Fläche eines Kolbens zu verstehen ist, der, demselben Druck ausgesetzt wie die
Membran, dieselbe Gesamtkraft ergeben würde. Infolge der einer Membran innewohnenden
Steifigkeit wird die wirksame Fläche gewöhnlich etwas kleiner sein als deren freie
Fläche oder, in anderen Worten ausgedrückt, wenn kreisförmige Membranen und Kolben
verglichen werden, die in bezug auf die bei einem gegebenen Druck ausgeübte Gesamtkraft
in ihrer Wirkung gleich sind, wird die Membran einen etwas größeren Durchmesser
haben. .