Ventile ohne einseitigen Strömungsdruck gegen den Ventilkegel. Von Erich Schneckenberg. Ventile ohne einseitigen Strömungsdruck gegen den Ventilkegel. Ventile jeglicher Art, Absperr-, Rückschlag- und Pumpenventile haben allgemein einen Schließkegel symmetrischer Form. Die vorbeiströmenden Flüssigkeitsteilchen schleifen ständig daran; mit geringer Geschwindigkeit, die tropfbaren Flüssigkeiten von spezifisch hohem Gewicht; mit hoher Geschwindigkeit, die dampfförmigen von geringem spezifischem Gewicht. Die schleifende sekundliche Masse und damit die Abnutzung wird daher in jedem Falle beträchtlich sein. Bedingung für langen störungsfreien Betrieb ist allseitig gleichstarkes Abschleifen, also symmetrische Strömung zur Kegelachse. Diese Bedingung ist aber bei den marktgängigen Ventilen nicht erfüllt: Der Strömungsfaden, welcher, nach Ausfüllung der Gehäuseecken mit stillstehender oder wirbelnder Flüssigkeit, durch das geöffnete Ventil geht, trifft stets schräg gegen die Ventilkegelachse; deshalb lassen kurze Führungen am Kegel ihn sich festklemmen; lange nutzen sich einseitig ab und zwar schnell, wenn die Flüssigkeit, wie bei Ventilen im Anschluß an Kolbenmaschinen, periodisch strömt, und die Führungen im Takte der Maschine seitlich anschlagen, und dazu noch auf- und niedergleiten, Bald treten dann Prellschläge auf, und die Führungen brechen ab. Ist außerdem erst einmal an der Dichtungsfläche eine einzelne Stelle vom Strömungsfaden angeschliffen, so geht bei geschlossenem Ventil durch diesen feinen Spalt die Flüssigkeit hindurch mit ihrer höchstmöglichen Geschwindigkeit. Dann bilden sich strahlige Risse, und der Kegel ist bald ganz unbrauchbar. Man würde diese Uebelstände durch eine Konstruktion vermeiden, bei der symmetrisches Strömen erzwungen wird durch reichlich lange zylindrische Rohransätze, unmittelbar vor und hinter dem Kegel und konachsial zu seiner Achse. Rohransätze vor dem Kegel gibt es zwar bei allen marktgängigen Ventilen: In den zylindrischen Ventilsitzen selbst; Rohransätze dagegen hinter dem Ventilkegel finden sich fast in keinem Falle. Bei Rohransätzen vor und hinter dem Kegel wären augenscheinlich zwei Arten der Flüssigkeitsführung möglich: Die Gleichstromführung nach Fig. 1; und die Gegenstromführung nach Fig. 2. Bei der Gleichstromführung und zwar sowohl bei Durchgangs- als auch Eckventilen würde der Austrittsstutzen des Gehäuses, oberhalb des Ventilsitzes anzuschließen sein, wegen der Schraubspindel und der begrenzten Bauhöhe und weil er sich ja doch nur auf einer Seite jener zylindrischen Flüssigkeitsführung- anschließen könnte. Er würde auf dieser Seite der Flüssigkeit einen kürzeren und bequemer gekrümmten Weg bieten, als es ein Weg zu ihm von irgendeiner anderen Stelle des Ventilsitzes aus jemals sein könnte, beispielsweise von einer jener ersten Stelle am Sitz diametral gegenüberliegenden her. So zeigt schematisch Fig. 3, auf Grund von Beobachtungen an offen strömendem Wasser, Bahnen, wie sie in einem Ventilgehäuse von den Flüssigkeitsteilchen durchlaufen werden könnten. Diejenige Weglinie, auf welcher der geringste Bewegungswiderstand auftritt, also bei gleich großen Querschnitten um den Kegel herum die am wenigsten gekrümmte und kürzeste Linie durch das Gehäuse hindurch, ist die Bahn, in welcher der Hauptströmungsfaden sich bewegt. Dort ist die Bewegung der Flüssigkeit zuerst bemerkbar bei entstehendem Ueberdruck vor dem Ventil, und dort strömt sie bei vermehrter Ueberdruckhöhe und Durchflußmenge stets mit größerer Geschwindigkeit als in irgend einem andern Flüssigkeitsfaden. Letztere bilden sich dabei in dem Flüssigkeitsraume neben dem Hauptströmungsfaden so aus, daß der von den Flüssigkeitsteilchen beschriebene Weg eine zweite, dritte, vierte usw., Linie ist mit unter den gegebenen Verhältnissen kleinstmöglichem Widerstände. Danach werden offenbar die Widerstände von dem Hauptströmungsfaden fort von Faden zu Faden größer und die Geschwindigkeiten abnehmend kleiner. Textabbildung Bd. 324, S. 663 Fig. 1: Symmetrische Gleichstromführung an einem Ventilkegel.Fig. 2: Symmetrische Gegenströmführung an einem Ventilkegel. In allen Strömungsfäden ist zur Ueberwindung der gesamten Bewegungswiderstände der verfügbare Unterschied der Spannungen vor und hinter dem Ventil, der Druckhöhenverlust hv, ein und derselbe, also h_v=\Sigma\,\zeta_1 \cdot \frac{w_1^2}{2\,g}=\Sigma\,\zeta_2 \cdot \frac{w_2^2}{2\,g}=\Sigma\,\xi_n \cdot \frac{w_n^2}{2\,g} woraus für die Geschwindigkeiten in den einzelnen Strömungsfäden folgt w12 : w22 : wn2 = ∑ξn : ∑ξ2 : ∑ξ1. Je größer die Weghindernisse ∑ξ, um so kleiner die Geschwindigkeiten w. Die größte Strömungsgeschwindigkeit im Ventil herrscht auf der Weglinie mit dem kleinsten ∑ξ. Dabei kann die Geschwindigkeit in einem StrömungsfadenVgl. R. Inst, of Gr. Brit. 1899. Febr. noch von Ort zu Ort verschieden sein, je nach den Querschnitten. ∑ξ stellt in diesem Falle die Summe der auf einen gewissen angenommenen Geschwindigkeitswert des Fadens reduzierten Widerstandsziffern dar. Der dreidimensionale Verlauf dieser Strömungsfäden wird sich dabei überall derart bilden, daß von ihnen derjenige mit der größeren Geschwindigkeit nicht wesentlich beeinflußt wird von den Strömungen mit der geringeren Geschwindigkeit, wohl aber die letzteren von den ersteren. Im übrigen werden die Richtungsänderungen bei allen Strömungsfäden ohne Ausnahme stets nach der Richtung hin geschehen, nach der unter Mitwirkung ihrer lebendigen Kraft bei der vorhandenen Gruppierung der Gehäusewände und der in den Ecken bleibenden größtmöglichen Flüssigkeits-Füllmasse der geringste Widerstandauftritt. Diese stehende Füllmasse ist in einer Wirbelbewegung begriffen, die mit zunehmendem Ueberdruck vor dem Ventil immer stärker wird; auch wird gleichzeitig die wirbelnde Flüssigkeitsmasse größer, indem die Wirbel bewegung weiterhin übergreift auf die bei kleinem Ueberdruck vorhandenen Strömungsfäden mit großem ∑ξ, also kleinem w. Frei von der Wirbel bewegung wird aber der Haupt strömungsfaden bleibenVergl. Riecke (u. Krüger) in Wied. Ann. XXXVI. 332. 1889. und die ihm benachbarten, mit kleinem ∑ξ. Unter letzteren werden dann noch denjenigen, die dem Hauptströmungsfaden am fernsten also in Berührung mit der Füllmasse sind, durch die in der Berührungsfläche mit ihnen gleichsinnige Wirbelbewegung, ihre Werte ∑ξ verringert, und so wird ihnen eine größere Geschwindigkeit auf diesem Wege ermöglicht als zuvor: Sie gehen daher durch das Ventil hindurch mit dem Hauptströmungsfaden zusammen, sozusagen als ein einheitlicher Flüssigkeits-Strahl. Textabbildung Bd. 324, S. 663 Fig. 3: Unsymmetrische Gleichstromführung am Kegel in einem Ventilgehäuse.Fig. 4: Unsymmetrische Gegenstromführung am wird ihnen eine Kegel in einem Ventilgehäuse.Fig. 5: Symmetrische Gegenstromführung am Kegel in einem Ventilgehäuse. Die Beurteilung dieser wahrscheinlichen Strömungen im Ventilgehäuse nach Richtung und Geschwindigkeit ergibt bei der Gleichstromführung nach Fig. 3 einen einseitigen Flüssigkeitshauptstrom und Strömungsdruck. Rohransätze wären in ausreichender Länge nur bei ungewöhnlich großer und teurer Bauhöhe unterzubringen. Aus dieser gleichen Beschränkung heraus ergeben sich auch bei der Gegenstromführung, wie Fig. 4 zeigt, sowohl bei Durchgangs- als auch Eckventilen, für die verschiedenen Strömungsfäden aus dem Ventilsitz heraus sehr ungleiche Widerstandshöhen und Weglängen, denn das Rohrstück zwischen dem einen Ventilflansch und dem Ventilsitz von unten her, muß quer durch den bis dahin sonst konachsial ringförmigen Flüssigkeitsstrom hindurchgehen. In beiden gekennzeichneten Fällen wird also die Flüssigkeit noch keineswegs symmetrisch strömen. Textabbildung Bd. 324, S. 664 Fig. 6. Schnitt eines Durchgangsventils mit symmetrischer Gegenstromführung am Kegel von Dehne. Das läßt sich nun angenähert erreichen, wenn man darauf verzichtet, daß die Flüssigkeit vom Ventilsitz fort in kreisringförmigem konzentrischem Querschnitt strömt; statt dessen aber durch zwei getrennte gleich große und gleich lange Abführungskanäle, die am Ventilsitz einander diametral gegenüber abzweigen. Man kann dann zwischen diese beiden Kanäle das Zuführungsrohrstück legen, das von dem einen Flansch her von unten an den Ventilsitz führt. Dann ist ebenfalls jeglicher einseitige Strömungsdruck gegen den Ventilkegel vermieden. Fig. 5. Solche Ventile werden von A.L.G. Dehne in Halle a.S. und Schaffet & Budenberg G.m.b.H. in Magdeburg gebaut, nach dem Patent No. 133859 vom 31. März 1901. Ein Durchgangsventil nach diesem Prinzip zeigt Fig. 6Bei der entsprechenden schematischen Darstellung Fig. 5 hat die Unterseite des Kegeltellers keine vorspringenden Teile, während sie hier bei der Ausführung nach Fig. 6 einen konachsialen Führungsstift hat und dazu passend ein Führungsauge mit Rippe, im Rohransatz unterhalb. Dadurch ist in diesem Falle die bestmögliche Weglinie für die Flüssigkeit etwas anders gekrümmt, wie in Fig. 5, und zwar etwas mehr und ungünstiger. Es werden nun darum auch viele Ventile dieser Art ohne solche untere Führung gebaut, wobei dann der Ventilwiderstand um ein Geringes schwächer ist, ähnlich wie solchen Unterschied Bach durch Versuche nachgewiesen hat bei Ventilen mit einseitigem Strömungsdruck (Vergl. C. Bach: Versuche über Ventilbelastung und Ventilwiderstand, 1884). Offenbar ist aber dieser Unterschied an Widerstand, mit oder ohne untere Führung, bei Ventilen nach dem Schema der Fig. 5 geringer als bei solchen nach Fig. 4 und Fig. 3. Das zeigen beim Vergleichen die eingezeichneten Weglinien.. Das stellenweise Abschleifen der Dichtungsfläche ist dann natürlich nicht vermieden. Im Gegensatz aber zu den Ventilen bisheriger Bauart, wo der Strömungsfaden an einer einzigen Stelle schliff, wird jetzt an zwei gegenüberliegenden Stellen geschliffen. Dadurch ist die Zeit bis zum Undichtwerden gegen früher, schätzungsweise, nahezu doppelt so lang geworden. Die dann auch hier notwendige Erneuerung des Ventilsitzes und -Kegels wäre allgemein leichter auszuführen, wenn man dieselben ohne Ausbau des ganzen Ventils aus der Rohrleitung einfach nach Abnahme des Ventildeckels auswechseln könnte. Unerläßliche Bedingung hierfür ist freilich, daß man in der Rohrleitung am Ventil vorher den Flüssigkeitsdruck irgendwie ausschalten kann. Textabbildung Bd. 324, S. 664 Fig. 7. Längsschnitt eines Durchgangsventils mit vom Deckel festgeklemmten Ventilsitz und unsymmetrischer Gegenstromführung. Bei einem solchen Ventil mit leicht auszuwechselndem Sitz und Kegel darf schlechterdings der Ventilsitz nicht mehr ins Ventilgehäuse eingepreßt sein. Er muß etwa am Deckel befestigt sein oder durch dessen Verschraubung selbst festgeklemmt werden. Letzteres geschieht nach dem D.R.P. 195158 vom 15. Nov. 1906, im Besitze der Patentverwertungs-Aktiengesellschaft Twente in Hengelo in Holland. Dabei wird natürlich zur Vermeidung zweier ungleich hoher Dichtungsflächen die eine des Ventilsitzflansches und die des Deckels in eine und dieselbe Ebene verlegt. Fig. 7. Diejenige des Deckels kann hierbei der Mitte des Rohres, höchstens bis zum äußeren Rohrdurchmesser genähert werden. Ein Durchgangsventil dieser Art ist in Fig. 8 dargestellt. Von der Oberseite des Ventilsitzes fort geschieht der Abfluß zweiseitig, wie bei Fig. 5. Er könnte auch hauptsächlich einseitig geschehen durch einen zum Sitz konzentrischen Querschnitt von der Form eines Dreiviertel-Kreisringstückes, entsprechend dem Schema der Fig. 4 und der Ausführung nach Fig. 7. Der ring-stückförmige Rippensteg hier im Deckel wird sich jedoch bei einem höheren Flüssigkeits- und Dichtungsdruck elastisch durchbiegen und Undichtigkeiten entstehen lassen, wenn er nicht reichlich hoch bemessen wird. Dabei ergäbe sich eine höhere Lage des Ventilkegels und eine größere Bauhöhe. Um das zu vermeiden, wird man den Steg bei 0 nochmals stützen durch eine Verbindung dort mit dem Deckel. Damit ist die Zweiteilung des Abflußkanals angenommen. Hierdurch wird es auch gleichzeitig möglich, die Seitenwände D der Deckelkappe bis nahezu an den Umfang des Ventilsitzes heranzulegen und so die normalen Baulängen der Ventile bequem innezuhalten. Ferner wird man noch, um kleinere Reibungs- und Kontraktionswiderstände im Abflußkanal zu erhalten, statt der langen und schmalen Querschnitte von der Form eines Halbkreisringstücks zwei kürzere, aber entsprechend breitere Querschnitte ausführen. Von ihrer hier kurz zuvor schon begründeten symmetrischen Anordnung zu beiden Seiten des Ventils abzugehen, und dafür einen Kanal von doppelt so großer lichter Weite auf nur einer Seite des Ventils anzuordnen, das wäre ganz und gar entgegen der herkömmlichen und empfehlenswerten symmetrischen Ausgestaltung der Ventilgehäuse. Danach ist allerdings die Bauart nicht mehr wesentlich anders wie bei der Ausführung nach Fig. 6. Aber während sie dort nach dem Inhalte des Patentes gewählt wurde zu dem Zwecke, einseitigen Strömungsdruck, also vor allem die damit verbundene einseitige Abnutzung zu vermeiden, was bei dem festeingelassenen Ventilsitz eben sehr nützlich ist, wurde dieser Zweck bei der zuletzt besprochenen Konstruktion offenbar ganz und gar nicht angestrebt, denn der leicht, rasch und billig auswechselbare Ventilsitz und Kegel macht eben eine Schonung desselben unnötig und überflüssig. Textabbildung Bd. 324, S. 665 Fig. 8. Schnitt eines Durchgangsventils mit vom Deckel festgeklemmten Ventilsitz und symmetrischer Gegenstromführung. Die gekennzeichnete Bauart mit der symmetrischen Anordnung zweier Kanäle am Ventilsitz findet sich im übrigen mehrfach bei den SonderkonstruktionenVergl. D. P. J. 1905, Bd. 320, S. 676 die Abbildung links unten, sowie S. 637 Fig. 4. von Ventilen im Dampf- und Gasmaschinenbau; ihre Erfindung ist, genau so wie die des auswechselbaren Ventilsitzes, eben eine einfache Maßnahme wie sie der überlegende Konstrukteur täglich wählt, und die, nachdem sie Patentschutz haben, unberechtigterweiseVergl. Zeitschrift d.V.d. Ing. 1908 S. 1173 rechte Spalte. den von ihnen unabhängig schaffenden Konstrukteur an der freien und zweckmäßigen Gestaltung seiner Entwürfe hindern können.