Wirbelventil

Abstract

 Bei einem Wirbelventil (10), bei welchem innerhalb des Ventils feststehende strömungsleitende Mittel vorgesehen sind, welche einer durch das Ventil in einer Richtung hindurchgehenden Strömung einen ersten Widerstand entgegensetzen, und welche einer durch das Ventil in der umgekehrten Richtung hindurchgehenden Strömung aufgrund von Wirbelbildung einen zweiten, wesentlich grösseren Widerstand entgegensetzen, wird eine Vereinfachung in der Geometrie und Konstruktion sowie der Herstellung dadurch erreicht, dass die strömungsleitenden Mittel einen konzentrisch zu einer Ventilachse (19) angeordneten Drallraum (14) umfassen, an dessen Umfang eine Mehrzahl von drallerzeugenden Elementen (13) angeordnet ist, und dass der Drallraum (14) in axialer Richtung in ein angrenzendes, konzentrisches Drallrohr (18) übergeht.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Strömungstechnik. Sie betrifft ein Wirbelventil, bei welchem innerhalb des Ventils feststehende strömungsleitende Mittel vorgesehen sind, welche einer durch das Ventil in einer Richtung hindurchgehenden Strömung einen ersten Widerstand entgegensetzen, und welche einer durch das Ventil in der umgekehrten Richtung hindurchgehenden Strömung aufgrund von Wirbelbildung einen zweiten, wesentlich grösseren Widerstand entgegensetzen.

[0002] Ein solches Wirbelventil ist z.B. aus dem Artikel von Loth, J.L. et al., Pulse Jet One-Way Valve Performance, AIAA 28^th Joint Propulsion Conference and Exhibit, Nashville, July 6-8, 1992, S.1-6, unter der Bezeichnung "Wislicenus' Aero-Valve" (Fig. 4) bekannt.

STAND DER TECHNIK

[0003] In vielen technischen Anwendungen werden Ventile verwendet, die in Abhängigkeit vom über dem Ventil anliegenden Druckgefälle den Durchfluss erlauben oder ganz oder teilweise sperren. Solche Ventile kommen z.B. in Kompressoren oder als Rückschlagventile in der Sicherheitstechnik zum Einsatz. Derartige Ventile werden üblicherweise mit mechanisch bewegbaren Teilen (Ventilklappen etc.) aufgebaut, die nicht nur bei der Herstellung und Montage einen erheblichen Aufwand erfordern, sonder auch störanfällig und bisweilen wartungsintensiv sind.

[0004] Um diese Nachteile der herkömmlichen Ventile zu vermeiden, sind bereits verschiedentlich Ventile, insbesondere in Form von Rückschlagventilen, vorgeschlagen worden, bei denen der unterschiedliche Strömungswiderstand in den beiden entgegengesetzten Strömungsrichtungen, der ein solches Rückschlagventil auszeichnet, ohne mechanisch bewegliche Teile durch rein strömungstechnische Mittel herbeigeführt wird. Eine spezielle Form eines solchen Ventils ist das Wirbelventil, bei dem innerhalb des Ventils feststehende strömungsleitende Mittel vorgesehen sind, welche einer durch das Ventil in einer Richtung hindurchgehenden Strömung einen ersten Widerstand entgegensetzen, und welche einer durch das Ventil in der umgekehrten Richtung hindurchgehenden Strömung aufgrund von Wirbelbildung einen zweiten, wesentlich grösseren Widerstand entgegensetzen. Bei dem in der eingangs genannten Druckschrift beschriebenen Wislicenus-Ventil wird die Strömung innerhalb des Ventils durch einen Zentralkörper auf einen grösseren Durchmesser gebracht, wo um den Zentralkörper herum speziell geformte Leitschaufeln angeordnet sind. In der Vorwärtsrichtung leiten die Schaufeln die Strömung in axialer Richtung und bewirken dabei einen geringen Strömungswiderstand. In der Rückwärtsrichtung dagegen zwingen die Schaufeln der Strömung eine starke Rotation um die Ventilachse auf, die durch die nachfolgende Verringerung des Durchmesser verstärkt wird und einen erheblichen Strömungswiderstand bewirkt.

[0005] Nachteilig ist bei dem bekannten Wirbelventil jedoch, dass innerhalb des Ventils eine Mehrzahl von Leitschaufeln mit komplexer Geometrie eingebaut werden müssen, die einen vergleichsweise hohen Aufwand bei der Herstellung und Montage erfordern.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0006] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Wirbelventil anzugeben, welches diese Nachteile vermeidet und sich insbesondere durch geometrische und konstruktive Einfachheit auszeichnet und leicht zu fertigen ist.

[0007] Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das Grundprinzip des erfindungsgemässen Ventils ist eine Strömung durch einen Drallerzeuger und ein Rohrstück, in dem in der einen Durchströmungsrichtung ("rückwärts") ein Wirbelaufplatzen mit lokaler Rückströmzone entsteht, während in der entgegengesetzten Durchströmungsrichtung ("vorwärts") keine oder nur lokal sehr begrenzte Rückströmzonen entstehen. Dadurch ist der Massendurchfluss bei betragsmässig gleicher Druckdifferenz in der Vorwärtsrichtung wesentlich grösser als in der Rückwärtsrichtung. Durch eine geeignete Ausgestaltung der drallerzeugenden Elemente kann der Durchflussbeiwert

(ζ = Druckverlustzahl, ρ = Dichte,

= mittlere Strömungsgeschwindigkeit, Δp = Druckdifferenz) in Vorwärtsrichtung mehr als das 10-fache des Durchflussbeiwertes in Rückwärtsrichtung betragen. Dadurch wird annähernd die Funktion eines aerodynamischen Rückschlagventils erreicht. Die Sperrwirkung kann durch Hintereinanderschalten mehrerer Ventile verstärkt werden.

[0008] Eine erste bevorzugte Ausführungsform des Wirbelventils nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die drallerzeugenden Elemente eine Mehrzahl von am Umfang des Drallraumes tangential angeordneten Strömungskanälen umfassen, welche in den Drallraum einmünden, dass der Drallraum und die darin einmündenden Strömungskanäle durch eine der Anzahl der Strömungskanäle entsprechende Anzahl von Drallerzeugungselementen gebildet werden, welche voneinander beabstandet auf einem Kreis um die Ventilachse und sich in Richtung der Ventilachse erstreckend zwischen zwei parallelen Platten derart angeordnet sind, dass jeweils zwischen zwei benachbarten Drallerzeugungselementen ein Strömungskanal gebildet wird, und dass die Drallerzeugungselemente jeweils ein dreieckiges Querschnittsprofil aufweisen. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch eine besonders einfache Geometrie und Konstruktion aus.

[0009] Es ist für die Ventilfunktion von Vorteil, wenn gemäss einer zweiten bevorzugten Ausführungsform alle Strömungskanäle gleichartig ausgebildet sind, die Strömungskanäle jeweils über einen Einlasschlitz in den Drallraum einmünden, und die Gesamtfläche der Einlasschlitze in etwa der Querschnittsfläche des Drallrohres entspricht.

[0010] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Wirbelventils nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle so ausgebildet sind, dass sie einen ablösungsfreien Diffusor mit maximalem Druckrückgewinn bilden, wenn sie vom Drallraum her durchströmt werden. Damit wird erreicht, dass der mit der über die Querschnittsfläche des Drallrohres gemittelten Strömungsgeschwindigkeit gebildete Wert von ζ in Vorwärtsrichtung kleiner als 1 ist.

[0011] Eine andere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Drallrohr an seinem dem Drallraum abgewandten Ende mit einer abgerundeten Einlaufstrecke versehen ist. Hierdurch können Strömungsablösungen beim Einlauf in Vorwärtsströmungsrichtung vermieden werden.

[0012] Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

[0013] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1

im Längsschnitt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein Wirbelventil nach der Erfindung; und

Fig. 2

den Querschnitt durch das Ventil nach Fig. 1 in der Ebene II-II.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0014] Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Wirbelventils nach der Erfindung. Das Wirbelventil 10 umfasst einen zylindrischen Drallraum 14 mit einem Innendurchmesser D1 und ein zylindrisches Drallrohr 18 mit einem Innendurchmesser D2. Drallraum 14 und Drallrohr 18 sind in einer Ventilachse 19 konzentrisch hintereinander angeordnet. Die beiden Innendurchmesser D1 und D2 sind vorzugsweise gleich. Das Drallrohr 18 schliesst in axialer Richtung auf der einen Seite unmittelbar an den Drallraum 14 an, während der Drallraum 14 auf der anderen Seite durch eine Deckplatte 12 abgeschlossen ist. In radialer Richtung wird der Drallraum 14 durch (im gezeigten Beispiel acht) längliche Drallerzeugungselemente 13 begrenzt, die gleichmässig voneinander beabstandet und zueinander parallel am Umfang des Drallraumes 14 angeordnet sind.

[0015] Die Drallerzeugungselemente 13 erstrecken sich in ihrer Längsrichtung parallel zur Ventilachse 19 und haben vorzugsweise einen einfach zu fertigenden dreieckigen Querschnitt. Die Drallerzeugungselemente 13 sind mit der Grundseite des Dreiecks tangential zum Drallraum 14 orientiert, so dass zwischen benachbarten Drallerzeugungselementen 13 jeweils ein Strömungskanal 15 gebildet wird, der mit einem tangentialen Einlassschlitz 16 in den Drallraum 14 mündet. Die Drallerzeugungselemente 13 sind zwischen der Deckplatte 12 und einer parallelen (vorzugsweise gleich grossen) Grundplatte 11 angeordnet, die eine zentrale Oeffnung 17 aufweist, über die der Drallraum 14 mit dem anschliessenden Drallrohr 18 in Verbindung steht.

[0016] Die Vorwärtsrichtung des Wirbelventils 10 ist in Fig. 1 durch den ausgezogenen Pfeil im Drallrohr 14 kenntlich gemacht, die Rückwärtsrichtung durch den gestrichelten Pfeil. Wird das Wirbelventil 10 in Rückwärtsrichtung durchströmt, bilden sich in der durch die Strömungskanäle 15 von aussen in den Drallraum 14 einströmende Strömung Wirbel, die im Drallrohr 18 aufplatzen und eine lokale Rückstromzone entstehen lassen, die den Massendurchfluss behindert. In Vorwärtsrichtung kann dagegen die Strömung weitgehend ungestört aus dem Drallraum 14 durch die Strömungskanäle 15 nach aussen gelangen.

[0017] Wie bereits erwähnt bilden die Drallerzeugungselemente 13 einen Drallerzeuger mit tangentialen Einlassschlitzen 16, die auf demselben Durchmesser wie das Drallrohr 18 in den Drallraum 14 einmünden. Die Anzahl der Einlassschlitze 16 ist im gezeigten Beispiel acht. Es ist von Vorteil, wenn die Gesamtfläche der Einlassschlitze 16 in etwa der Querschnittsfläche des Drallrohres 18 entspricht. Der Drallraum 14 kann vorteilhaft durch einen Füllkörper so ausgefüllt sein , dass die Geschwindigkeit bei Vorwärtsdurchströmung im Drallraum 14 in etwa überall gleich der querschnitts-gemittelten Geschwindigkeit im Drallrohr 18 entspricht. Das Drallrohr 18 hat eine Länge L, die in etwa dem 0,2- bis 2-fachen des Innendurchmessers D2 entspricht. Die Länge L ist dabei so gewählt, dass die bei Rückwärtsströmung im Drallrohr 18 befindliche Rückströmblase eine maximale radiale Ausdehnung hat und somit eine möglichst grosse Versperrung verursacht. Die zu den tangentialen Einlassschlitzen 16 führenden Strömungskanäle 15 sind in dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel vorteilhaft so ausgeführt, dass sie bei vorwärts durchströmtem Ventil einen ablösungsfreien Diffusor mit maximalem Druckgewinn bilden. Das Drallrohr 18 kann mit Vorteil an dem bei Vorwärtsströmung stromaufliegenden Ende mit einer abgerundeten Einlaufstrecke 20 versehen werden, um Strömungsablösungen beim Einlauf in Vorwärtsströmungsrichtung zu vermeiden.

[0018] Die in Fig. 1 und 2 gezeigte Bauform zeichnet sich durch eine besondere geometrische und konstruktive Einfachheit aus und ist, insbesondere aufgrund der einfachen Querschnittsform der Drallerzeugungselemente 13, leicht zu fertigen. Selbstverständlich kann im Rahmen der Erfindung die Zahl der Drallerzeugungselemente 13 bzw. Strömungskanäle 15 variiert werden. Auch sind andere Arten von tangentialen Einlassschlitzen denkbar, wie sie beispielsweise von den Doppelkegelbrennern der Anmelderin bekannt sind (siehe z.B. die US-A-4,932,861).

BEZUGSZEICHENLISTE

[0019] 

10

Wirbelventil

11

Grundplatte

12

Deckplatte

13

Drallerzeugungselement

14

Drallraum

15

Strömungskanal

16

Einlassschlitz

17

Oeffnung

18

Drallrohr

19

Ventilachse

20

Einlaufstrecke

D1

Innendurchmesser (Drallraum)

D2

Innendurchmesser (Drallrohr)

L

Länge (Drallrohr)

Ansprüche

1. Wirbelventil (10), bei welchem innerhalb des Ventils feststehende strömungsleitende Mittel vorgesehen sind, welche einer durch das Ventil in einer Richtung hindurchgehenden Strömung einen ersten Widerstand entgegensetzen, und welche einer durch das Ventil in der umgekehrten Richtung hindurchgehenden Strömung aufgrund von Wirbelbildung einen zweiten, wesentlich grösseren Widerstand entgegensetzen, dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsleitenden Mittel einen konzentrisch zu einer Ventilachse (19) angeordneten Drallraum (14) umfassen, an dessen Umfang eine Mehrzahl von drallerzeugenden Elementen (13, 15, 16) angeordnet ist, und dass der Drallraum (14) in axialer Richtung in ein angrenzendes, konzentrisches Drallrohr (18) übergeht.

2. Wirbelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drallerzeugenden Elemente eine Mehrzahl von am Umfang des Drallraumes (14) tangential angeordneten Strömungskanälen (15) umfassen, welche in den Drallraum (14) einmünden.

3. Wirbelventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallraum (14) und die darin einmündenden Strömungskanäle (15) durch eine der Anzahl der Strömungskanäle (15) entsprechende Anzahl von Drallerzeugungselementen (13) gebildet werden, welche voneinander beabstandet auf einem Kreis um die Ventilachse (19) und sich in Richtung der Ventilachse (19) erstreckend zwischen zwei parallelen Platten (11, 12) derart angeordnet sind, dass jeweils zwischen zwei benachbarten Drallerzeugungselementen (13) ein Strömungskanal (15) gebildet wird.

4. Wirbelventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallerzeugungselemente (13) jeweils ein dreieckiges Querschnittsprofil aufweisen.

5. Wirbelventil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Strömungskanäle (15) gleichartig ausgebildet sind, dass die Strömungskanäle (15) jeweils über einen Einlasschlitz (16) in den Drallraum (14) einmünden, und dass die Gesamtfläche der Einlasschlitze (16) in etwa der Querschnittsfläche des Drallrohres (18) entspricht.

6. Wirbelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Innendurchmesser (D1, D2) des Drallraumes (14) und des Drallrohres (18) gleich sind.

7. Wirbelventil nach Anspruch einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (15) so ausgebildet sind, dass sie einen ablösungsfreien Diffusor mit maximalem Druckrückgewinn bilden, wenn sie vom Drallraum (14) her durchströmt werden.

8. Wirbelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Drallrohr (18) an seinem dem Drallraum (14) abgewandten Ende mit einer abgerundeten Einlaufstrecke (20) versehen ist.

9. Wirbelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L) des Drallrohres (18) das 0,2- bis 2-fache seines Durchmessers (D2) beträgt.

Zeichnung