Große Absperrschieber (Ventile) und deren Entlastung. Von Ingenieur R. Heinz, Karolinental. HEINZ, Große Absperrschieber (Ventile) und deren Entlastung. Bei den neuzeitlichen Großschiffahrtwegen, den Talsperren und Wasserkraftwerken begegnen wir großen geschlossenen Kanälen (Druckstollen) oder Rohrleitungen, die oft einem bedeutenden Innendrucke standzuhalten haben. Die üblichen Rohrabschlußorgane (Hähne, Schieber, Ventile usw.) reichen für den gewöhnlichen Bedarf des Maschinenbaues wohl aus. Bei den obengenannten großen Anlagen lasten aber auf dem Abschlußkörper infolge der großen Abschlußquerschnitte oft mehrere 100 t. Dabei wird von den Abschlußorganen mit ihren großen Abmessungen eine vollkommen sichere und womöglich rasche Wirkungsweise verlangt. Die Abschlußorgane des allgemeinen Maschinenbaues, ebenso die Abschlußorgane für offene Gerinne mußten dem neuen Zwecke angepaßt werden. Namentlich wurde eine Entlastung der Dichtungsflächen (Dichtungsleisten) angestrebt. Die Entlastung ermöglicht ein Herabmindern der Bewegungswiderstände und ein Schonen der Dichtungsleisten. Im Nachfolgenden sollen einige dieser Abschlußorgane an Hand von Skizzen besprochen werden. Hochdruckschieber mit Segmentverschluß (Abb. 1). In dem Zentralblatt der Bauverwaltung (Jahrg. 1909) ist ein Schieber beschrieben, der eigentlich eine Segmentschütze darstellt, die in ein gegossenes Gehäuse eingebaut ist. Die Drehung des Abschlußkörpers erfolgt durch ein Zahnkranzsegment mit Zahnstange. Die Zahnstange ist in Verbindung mit einem Gestänge, das bis zum Antrieb über den Wasserspiegel geführt werden kann. Die kreisförmigen Dichtungsleisten müssen wegen der Bearbeitung entweder an das Gehäuse angeschraubt werden, oder es muß das Gehäuse mehrteilig ausgeführt werden. Wirkt der Wasserdruck von der linken Seite, so sind die Zapfen schwer belastet; ein vollständiges Abdichten ist bei großen Drücken kaum zu erwarten. Bei rechtsseitigem Drucke ergibt die Reibung an den Dichtungsflächen ein zu großes Bewegungsdrehmoment, das selbst bei exzentrischer Anordnung des Drehpunktes für das erste Oeffnen bestehen bleiben kann. Die Zapfen übernehmen im ersten Falle große Biegungsmomente, im zweiten Falle namhafte Drehmomente. Hydraulisch betätigter Flachschieber. Bei dem in Abb. 2 bis 4 dargestellten Schieber ist der Antriebzylinder mit dem Schieberkörper in einem Stück gegossen. Der Kolben ist feststehend; der Zylinder bewegt sich und nimmt die Schieberlinse mit. Die Kolbenstange ist hohl und dient zur Zuführung des Preßwassers oberhalb des Kolbens (Oeffnen). In der Kolbenstange befindet sich noch ein Rohr, durch welches das Preßwasser unter den Kolben eintreten kann (Schließen). Die dünne Stange, die am unteren Ende des Zylinders befestigt ist, trägt oben einen Zeiger. Das Antriebwasser wird bei Turbinenschiebern der Turbinenrohrleitung entnommen. Ist das Wassersand- und schlammhaltig, so muß es einen Filter passieren. Durch die Verlegung des Zylinders in den Schieberkörper wird eine geringe Bauhöhe des Schiebers erzielt. Als Nachteil steht dem gegenüber, daß alle Packungen des Zylinders schwer zugänglich sind. Die Führung des Schieberkörpers erfolgt hier durch zwei massive Führungsäulen. Soll der Schieber von Hand oder elektrisch betätigt werden, so werden die Führungsäulen mit Gewinde versehen und zur Schieberhaube herausgeführt; die Führungsaugen des Schieberkörpers bekommen Muttergewinde. Durch gleichzeitiges Drehen beider Führungsäulen wird die Schieberlinse bewegt und gleichzeitig geführt; eine weitere seitliche Führung ist bei genügender Stärke der Spindeln nicht mehr notwendig. Textabbildung Bd. 333, S. 107 Abb. 1. Fehlerhaft ist das Ueberführen der Rippen in den Flansch. Der Zug und die Montierungspannung der Schrauben bewirken ein Federn (Verbiegen) der Flansche. Die Rippe kann dieser Flanschenbewegung nicht folgen; andererseits ist die Anzahl und der Querschnitt der Rippen zu gering, um die Zugkraft sämtlicher Schrauben aufnehmen zu können. An den Anschlußstellen der Rippen an die Flansche müssen notwendigerweise Rißfugen entstehen. Textabbildung Bd. 333, S. 108 Soll die elastische Formänderung durch Anordnung von Rippen vermindert werden, dann müssen die Randspannungen in den Rippen gewissenhaft berechnet werden. Ovale und rechteckige Hohlkörper erleiden bei Innen-(oder Außen-)druck infolge der auftretenden Biegungsmomente beträchtliche Formänderungen, die bei Kugel- und Zylinderform verhältnismäßig klein sind. Es ist bekannt, daß durch ungenügende Verrippung infolge der Vergrößerung des e (Abstand der äußerst gespannten Faserschichte) das Widerstandsmoment einer Platte vermindert wird; solche Rippen können nicht als Verstärkungsrippen bezeichnet werden. Bei gußeisernen Rippen, welche in der äußerstgespannten Faserschichte durch Zugkräfte überansprucht werden, geht bei wechselnder Belastung der anfängliche Haarriß der Rippe bald in einen vollständigen Bruch über. Der hydraulisch gesteuerte Turbinenschieber in Abb. 5 bis 7Schweizerische Bauzeitung. ist ebenfalls ein Flachschieber. Der Antriebzylinder ist auf das Schiebergehäuse aufgebaut; durch Einbau eines kurzen Zwischenstückes könnte die Abdichtung der Kolbenstange im Zylinderdeckel zugänglich gemacht werden. An die Schieberlinse ist unten ein Ringstück angegossen, mit dessen Hilfe bei völlig gehobener Schieberlinse der Schieber ein glattes Rohr bildet, was bei der hohen Durchflußgeschwindigkeit (max. 6 sec./m) die Wirbelungen verhindern soll. Naturgemäß hat der Schieber bei dieser Anordnung eine große Bauhöhe. Die Führung der Linse erfolgt durch seitliche Leisten, die an das Gehäuse angegossen sind. Die Schieberhaube hat einen kreisförmigen Querschnitt. Textabbildung Bd. 333, S. 108 Die Einzelheiten der hier beschriebenen Flachschieber lassen sich in allen möglichen Formen verbinden. Jeder der Schieber besitzt eine abschließbare Umleitung, welche ein langsames Anfüllen der Rohrleitung vor Oeffnen des Schiebers ermöglicht. Ist hinter dem Schieber noch ein Abschlußorgan vorhanden, wie beispielsweise bei den Turbinen der Leitapparat, so kann bei geschlossenem Leitapparat und geöffneter Umleitung ein Ausgleich des Wasserdruckes vor und hinter dem Schieber erfolgen, wodurch der Schieberkörper entlastet wird, d.h. die Schieberlinse kann beinahe reibungslos auf den Dichtungsleisten bewegt werden. Nun ist das zweite Abschlußorgan (Leitapparat) nicht immer vorhanden; auch im Turbinenbetriebe wird die Entlastung mit Hilfe des Umlaufes selten in Gebrauch genommen. Versagt die Regulierung der Turbine, so muß die Schieberlinse ohnehin unter dem vollen einseitigen Druck ohne jede Entlastung auf den Dichtungsleisten bewegt werden. Bei handbetriebenen Schiebern macht sich der große Arbeitsaufwand unangenehm fühlbar. Der Hauptnachteil bei den nicht entlasteten Schiebern ist aber der rasche Verschleiß, ja selbst Formänderung der Dichtungsleisten. In Abb. 3 ist die Schieberlinse S' in einer Zwischenstellung punktiert eingezeichnet. Die ganze Schieberlast wird hier auf etliche kleine Flächen übertragen, wodurch die Dichtungsflächen spezifisch überlastet werden. Ein gleichzeitiges Aufsitzen der Schieberlinse auf den Dichtungsleisten und auf den Führungen ist nicht zu erwarten. Textabbildung Bd. 333, S. 109 Abb. 8. Textabbildung Bd. 333, S. 109 Abb. 9. Wird der Schieberkörper bewegt, so bilden sich sehr bald auf den Dichtungsleisten Riffeln (Abb. 8), ähnlich wie bei den Schienenköpfen beobachtet werden. Der Schieber wird undicht. Die Drosselklappe ist gut entlastet, dichtet aber nicht vollkommen ab; sie wird zumeist als Notabschluß in die Rohrleitung den Schiebern vorgebaut. Die Drosselklappen können von Hand (auch mit Fallgewicht) betätigt werden; oft erhalten sie elektrischen oder hydraulischen Antrieb, der aus der Entfernung betätigt werden kann. Für das Elektrizitätswerk am LöntschSchweizerische Bauzeitung. wurden Drosselklappen als Hauptabschlußorgane eingebaut. Die beiden Grundablässe von je 1400 mm ? sind einfache Drosselklappen. Zur Erreichung einer guten Abdichtung werden auf der Wasserseite der geschlossenen Klappe Schlacken durch ein Einwurfrohr von 250 mm l. W. zugeführt. Die Ausspülung der vor den Klappen angehäuften Schlacken erfolgt vor dem Oeffnen durch eine Umleitung. Vor dem Einlauf sind Dammbalkennuten vorhanden, welche die Errichtung einer Spundwand ermöglichen. Der Abschluß der Rohrleitungen der Löntschwerke erfolgt im oberen Teil der Rohrstränge bei etwa 4 at durch je zwei hintereinandergeschaltete Drosselklappen. Der Raum zwischen den zwei Drosselklappen ist mit einer Entwässerungsvorrichtung versehen, durch welche das Spritzwasser der oberen Klappe abgeleitet wird; dadurch kann der untere Teil der Rohrleitung trocken abgeschlossen werden. Die Zylinderschütze ist ein Ventil mit sehr guter Entlastung. Schöne Ausführungen von hohen Zylinderventilen findet man unter den Betriebseinrichtungen des Großschiffahrtweges Berlin–Stettin.Z. d. V. d. I. Jahrg. 1913 S. 353. Für große Wasserhöhen wählt man mit Rücksicht auf die Baustoffersparnis die niedrige Zylinderschütze (Abb. 9). Das Schütz c ist ein Zweisitzventil, welches in die geschlossene feststehende Glocke b aufgezogen wird. Textabbildung Bd. 333, S. 109 Das Absperrventil mit Entlastung ist in Abb. 10 und 11 in geschlossenem Zustande schematisch dargestellt. Es ist eine niedrige Zylinderschütze (nach Abb. 9), welche in einen Rohrzug wagerecht eingebaut ist. Das Ventil v hat bloß einen Sitz s und ist durch einen Boden geschlossen. Das Druckwasser, das durch die schmale Ringfuge f in die feste Glocke b eindringt, erzeugt den Dichtungsdruck für den Ventilsitz bei s. Wird die Zahnstange z durch die Welle n nach links bewegt, so wird zuerst das Ventil v geöffnet, durch welches das bei f eindringende Wasser abfließen kann. Die feste Glocke b wird innen fast drucklos; den Druck überträgt die Glocke b durch die Rippen r an das Außengehäuse. Wird die Zahnstange z weiter nach links bewegt, so nimmt das Ventil v die Ringschütze c mit und treibt sie in den Hohlraum b, wobei der Durchfluß in der Ringfläche (Richtung u) freigegeben wird., Dieses Absperrventil wurde von mir für das Projekt der Thayawerke (Talsperre Frain) im Jahre 1910 in Vorschlag gebracht. Das Zylinderventil v kann natürlich auch ein zweisitziges Ventil ohne Boden sein; für die Erzeugung eines Dichtungsdruckes bei s muß für die wagerechte Anordnung des Ventils der Durchmesser bei f etwas kleiner sein als bei s. Textabbildung Bd. 333, S. 110 Das Zylinderventil lenkt das Wasser von der geraden Durchflußrichtung ab, wodurch Wirbelungen, Druckverluste und damit Arbeitsverluste entstehen, die beim Turbinenbetriebe vermieden werden sollen. Schiebt man in Abb. 10 das Zylinderventil v in die Glocke b und zieht dann b samt v durch irgend eine Vorkehrung aus der Durchflußrichtung seitlich oder hinauf, so kann in dieser Weise obiger Uebelstand behoben werden; diese Erwägung führt zur Konstruktion des folgenden Schiebers. Der entlastete Schieber (Abb. 12 bis 15) (patentiert) besteht im Schema nach Vorigem aus der Zylinderschütze c, die etwas konisch ist und der Glocke b, welche sich in den massiven Pratzen d gegen feste Führungsleisten f des Gehäuses lehnt. Abb. 12 zeigt den Schieber in geöffneter Stellung; der Durchfluß des Wassers erfolgt geradlinig ohne Ablenkung. Für das Schließen des Schiebers wird zuerst die Glocke b heruntergedrückt (Abb. 13). Das Wasser findet seinen Abfluß durch den Ringspalt mit der Höhe h. Die Höhe h muß mit Rücksicht auf die Durchflußmenge (resp. Geschwindigkeit) reichlich bemessen werden, was ohne weiteres möglich ist. Die Glocke b hat in der tiefsten Lage und während der Bewegung nur der Stoßkraft des Wassers standzuhalten, die im Verhältnis zum Totaldruck auf die Schieberfläche nur klein ist. Nun wird die konische Ringschütze c heruntergedrückt. Je mehr der freie Durchfluß gehemmt wird, desto mehr wird die Glocke b belastet; bei Tiefstellung von c trägt die Glocke b den vollen Druck P = F × p. Dabei wirkte als Balken mit den Auflagern d. Die Ringschütze wird nur so viel zwischen die Dichtungsflächen am Schiebergehäuse und der Glocke b eingedrückt, als eben zur vollständigen Abdichtung notwendig ist, der restliche Druck wird durch die Pratzen d auf die Führungsleisten bzw. auf das Schiebergehäuse übertragen, ohne die Dichtungsleisten zu überlasten. Der Flüssigkeitsdruck dichtet selbst ab. Die Dichtungsleisten bekommen nur in der Endstellung Druck, also erst dann, wenn die ganzen Flächen der Dichtungsleisten voll aufeinander liegen; der spezifische Druck bleibt daher in mäßigen Grenzen. Während des ganzen Hubes der Zylinderschütze c sind die Dichtungsleisten unbelastet; gefährliche Laststellungen, wie in Abb. 3 einpunktiert, kommen nicht vor. Die Dichtungsleisten werden somit selbst bei hohen Drücken und großen Durchmessern wesentlich geschont. In Abb. 14 ist der Schieber geschlossen. Beim Oeffnen wird zuerst die Schütze c hochgezogen (Abb. 13); dann folgt die Glocke b (Abb. 12). Die Dichtungsleisten sind wie beim Schließen während der Bewegung unbelastet. Die Bewegungsarbeit für das Oeffnen und Schließen unter dem vollen einseitigen Druck ist gering. Der Schieberdeckel b läßt sich sehr steif durchbilden und wird durch Hubbegrenzschrauben oder Anschläge mit Beilagen in die richtige Lage gebracht. Bei sehr großen Ausführungen können bei d nachstellbare Gleitkeile und Wälzlager eingebaut werden. Die Schaltung für die richtige Reihenfolge der Bewegung von b und c erfolgt selbsttätig. Für Grundablaßschieber, welche oft sehr tief unter dem Bedienungsraum liegen, werden bei richtiger Wahl des Konuswinkels für den Ringschieber die Bewegungsorgane nur auf Zug beansprucht, durch Fortfall der Knickung wird das Gestänge leichter. Bei großen Abschlußschiebern in Druckstollen kann das Schiebergehäuse aus Eisenbeton hergestellt werden. Die Armatur samt Führungsschienen läßt sich leicht einmontieren. Eine Umleitung für das langsame Anfüllen der Rohrleitung ist kaum notwendig, nachdem sich die Ringschütze c infolge der leichten Beweglichkeit gut auf kleine Oeffnung einstellen läßt. Der Schieber läßt sich ohne weiteres für hydraulichen Antrieb einrichten (Abb. 16 bis 18); die Wirkungsweise ist dieselbe wie unter Abb. 12 bis 15. Die Einzelheiten für die schematischen Abb. 16 bis 18 entsprechen den Abb. 2 bis 4 und 5 bis 7. Die Anordnung der Einzelheiten kann auch in anderer Weise erfolgen. Die Durchmesser der hydraulischen Zylinder sind infolge der kleinen Bewegungswiderstände verhältnismäßig klein. Bei dem hydraulisch betriebenen Schieber ist die Ringschütze c nicht starr aufgehängt; bei Druckstößen, Erschütterungen oder bei Aufhören des Druckes bei a (Abb. 16) kann die Ringschütze c um etwa 5 mm tiefer (bis zum Anschlag) herunterrutschen. Es kann dann vorkommen, daß der ganze Druck, der auf dem Schieber lastet, sich auf die Dichtungsleisten überträgt. Eine spezifische Ueberlastung kann nicht eintreten, weil sich der Druck auf die vollen Sitzflächen verteilt. Das erste Anheben der eingeklemmten Ringschütze c um die 5 mm wird natürlich eine größere Kraft brauchen als für das weitere Hochziehen notwendig ist. Für dieses erste Anheben (Hub 5 mm) wird bei großen Schiebern ein kleiner Druckmultiplikator (Abb. 19) in die Druckleitung des Antriebszylinders der Ringschütze c eingebaut. Läßt sich der Kolben Kc (Abb. 16 und 19) durch das Druckwasser nicht anheben, so gelangt das Druckwasser durch die dünne Bohrung L (Abb. 19) unter den Kolben F und hebt ihn langsam, wobei der Differenzialkolben den Druck p'=p\,\frac{F}{F-f} erzeugt. Nachdem das Ventil v geschlossen ist, pflanzt sich der Druck p' unter dem Kolben Kc fort und hebt ihn. Die Druck Wasserleitung für den Bewegungszylinder in b ist dabei geschlossen, der Schieberdeckel b ist dadurch in seiner Lage festgehalten. Textabbildung Bd. 333, S. 111 Ist die Ringschütze c aus der Klemmung um die 5 mm gehoben, so hört der Bewegungswiderstand und damit der große Druck unter dem Kolben Kc auf; das Ventil v wird durch den Druck p geöffnet, und das Druckwasser (aus der Turbinenrohrleitung) besorgt das weitere Hochziehen der Ringschütze c. Ist die Ringschütze nicht eingeklemmt, so daß der Multiplikator nicht gebraucht wird, dann geht der Plungerkolben P (Abb. 19) langsam leer in die Höhe. Der Druckwasserverlust für die Fläche f und den kleinen Hub ist sehr gering, es lohnt sich nicht, eine besondere Steuerung zur Vermeidung dieses Verlustes einzubauen. Der Kolben F braucht nur nach einer Richtung zu dichten, weil bei geöffnetem Ventil v der Plungerkolben den Auftrieb p . f erhält. Schließt das Ventil v, so öffnet der Druck p' die Manschette in F; erst dann tritt der Kolben F in Wirkung. Bei den gewöhnlichen Wasserschiebern für den Turbinenbetrieb sind Durchflußgeschwindigkeiten bis zu 6 m sekündlich üblich; der Wasserstoß, resp. der Druck auf den Deckel b ist somit gering und der Deckel b läßt sich leicht auf- und abwärts bewegen. Textabbildung Bd. 333, S. 111 Abb. 19. Bei großen Wassergeschwindigkeiten (zum Beispiel Grundablaß) wird der Druck auf den Schieberdeckel b wesentlich größer, jedoch immer viel geringer als bei einem einfachen Schieber, wo der volle Betriebsdruck p auf der Schieberlinse lastet. Für die Verminderung der Bewegungsarbeit wird der Schieberdeckel b (Abb. 12 bis 15) um 90° im Sinne des Uhrzeigers während seiner Aufwärtsbewegung gedreht, wobei die in diesem Falle kreisförmigen Pratzen d mit entsprechendem Radius auf den Bahnen f abrollen. Die Mehrkosten dafür sind jedenfalls kleiner als die Auslagen für komplizierte Klappen samt Rollschützen und deren Mechanismen, wie solche für Talsperren neuerer Zeit vielfach ausgeführt worden sind. Ein etwas erweitertes Gehäuse und eine mäßige Verkleinerung des Durchmessers des Deckels b (Ringschütze c etwas kegelförmig) vermindern die Größe des Wasserstoßes beträchtlich; diese Vorkehrung ist leicht durchführbar und für die meisten Fälle ausreichend. Zusammenfassung. Es werden große Hauptabschlußorgane für hohe Drücke besprochen, und zwar ein Hochdruckschieber mit Segmentverschluß, sodann einige Flachschieber mit hydraulischem und anderem Antrieb. Die Drosselklappe, die als selbstständiger Hauptabschluß nur selten Verwendung findet, ist nur kurz behandelt. Dann folgt die Besprechung der Zylinderschütze für das offene Gerinne und für das geschlossene Rohr, hinüberleitend zu einer neuen Schieberkonstruktion, die in ihrer Wirkungsweise der Zylinderschütze nachgebildet ist.