Die selbsttätigen Pumpenventile in den letzten 50 Jahren: Ihre Bewegung und Berechnung

307 Pages·1925·19.098 MB·German

by  Dipl.-Ing. R. Stückle (auth.)

DIE SEI~BSTTÄTIGEN
PUMPENVENTILE IN DEN
LETZTEN 50 JAHREN
IHRE BEWEGUNG UND BERECHNUNG
VON
DIPL.-ING. R. STÜCKLE
A. O. PROFESSOR UND OBERINGENIEUR AM
INGENIEUR· LABORATORIUM DER TECHN.
HOCHSCHULE STUTTGART
MIT 183 T.EXTABBILDUNGEN
UND 8 TAFELN
SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG GMBH
1925
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ISBN 978-3-662-27419-4 ISBN 978-3-662-28906-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-28906-8
ALLE RECHTE, INSBESONDERE DAS DER ÜBERSETZUNG
IN FREMDE SPRACHEN, VORBEHALTEN.
COPYRIGHT 1925 BY SPRINGER-VERLAGBERLINHEIDELBERG
URSPRUNGLICH ERSCHIENEN BEI JULIUS SPRINGER IN BERLIN 1925
SOFTCOVER REPRINT OF THE HARDCOVER 1S T EDITION 1925
Vorwort.
Zur Abfassung der vorliegenden Arbeit veranlaßte mich der Um
stand, daß ich im Jahr 1914 den Lehrauftrag über das Gebiet der
Kolbenpumpen und der Kolbenkompressoren an der Technischen Hoch
schule Stuttgart erhielt. Ich glaube, daß es bei der außerordentlichen
Mühe, welche die Verfolgung des Gegenstandes in der Literatur er
fordert, und bei der Bedeutung, welche die selbsttätigen Pumpen
ventile für viele Ingenieure haben, gewiß manchen Fachgenossen er
wünscht sein wird, einen Überblick in bequemer Weise zu erlangen.
='feues bietet die Arbeit insofern, als aus den Bergschen Ver
suchen mit federbelasteten Tellerventilen, einiachen und mehr·
fachen Ringventilen die Berichtigungsziffern flp aus der Gleichung
/lp • hmax ·l i2 g b = n Q errechnet und in Kurventafeln in Abhängigkeit
. . Spaltquerschnitt
vom Ventilhub h SOWIe von der Größe x = S' d h h .
Itz urc gangsquersc mtt
dargestellt wurden, und daß sich dabei ergab, daß auch für die
Bergsehen Versuchsventile, wie für diejenigen von Krauss, die
1
Li n d n ersehe Gleichung fl p = 1/1 + 5x ' die aus den Versuchen
Ba c h s errechnet wurde, bei nicht zu kleinen Hüben brauchbare
Näherungswerte liefert.
Ebenso wurden nach dem Vorgang von Kr aus s die Widerstands
p
ziffern (p = 11[ und (H = ~v auch für die Bergsehen Ventile
Cl Cl
2g 2g
errechnet und in Abhängigkeit vom Ventilhub sowie von der Größe x
in Kurventafeln aufgezeichnet. Dabei ergab sich, daß für x> 0,7
sowohl die (p als die (n-Werte für die untersuchten Ventile von Bach,
B erg und Kr aus s ziemlich nahe zusammenfallen. Weiter wird als
neu eine von E. Braun aus den Bachschen und den Bergschen
Versuchen abgeleitete Beziehung gegeben, die es ermöglicht, für den
Ba c h sehen und den Be r g schen Ventilen ähnliche Ventile die Schlag
grenze mit einiger Sicherheit vorauszubestimmen.
Auf die hervorragende Arbeit von Schrenk: Versuche über
Strömungsarten, Ventilwiderstand und Ventilbelastung, Forschungs
arbeiten Heft 272, die leider erst nach Drucklegung dieses Buches
erschienen ist, kann hier nur kurz verwiesen werden.
S tu ttgart, im Oktober 1925. R. Stückle.
Inhaltsverzeichnis.
Seite
I. Erken nt ni s se über Ven til bewegung, Ventil belastung,
Ventilwiderstand, Ventilüberdruck und Sitzbreite
sowie über die Ausflußziffer in der Zeit bis zu <Len
Bachschen Versuchen Anfang der achtziger Jahre. 1
1. Ventilbewegung und Ventilbelastung 1
2. Ventilüberdruck und Sitzbreite . . 19
3. Ausflußziffer und Ventilwiderstand . 27
TI. Die Versuche von Bach. . . . . 30
1. Versuche über Ventilbelastung und Ventilwiderstand 30
2. Versuche z,ur KlarsteIlung der Bewegung selbsttätiger Pumpenventile 43
.III. Durch die Bachsehen Versuche unmittelbar ange
regte Arbeiten von TobeIl und Westphal, sowie die
Arbeiten von Müller, Rudolf und Schröder 64
1. J. Tobell . . . . 64
2. M. Westph.al . . 92
3. O. H. Müller jr. . 96
Bantlin . 108
4. Rudolf . . . . . 109
5. Schröder . . . . 113
IV. Die Vers uc he von Bel'g und Klein und die daran an
schließenden Erörterungen (Baumann), sowie die
Arbeiten von Lindner, Sieglerschmidt und Körner 117
1. Versuche von Berg . . . . . . . . . . . . . 117
2. Versuche von Klein . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 138
a. Versuche zur Bestimmung der Ausflußziffer . . . . . . .. 138
R. Baumann, Bestimmung. der Ausflußziffer für die Bachschen
Ventile; Erörterungen . . . .............. 141
b. Versuche Kleins zur Bestimmung des Druckverlustes im Ventil. 145
Auseinandersetzungen zwischen Berg und Klein . 151
c. Versuche Kleins aus den Jahren 1907 und 1908 . 154
3. Untersuchungen von Lindner 169
4. Sieglerschmidt. . . . . . . . . . 180
5. Körner ............ 202
V. Versuche und Untersuchungen aus neuerer Zeit 207
1. Untersuchungen und Versuche von Schoene 207
2. Neuere Versuche von Berg 227
E. Braun . . . . . 247
3. Versuche von Krauss . . 248
Schrenk . . . . .. .. . 282
VI. Zusammenfassung. . . . . 282
Zahlentafeln .. . . . . . . . . 285
VII. Bezeichnung der Buchsta ben in den Gleichungen 294
VIII. Literaturverzeichnis . 296
Berichtigungen. . . . . . . . . . 298
I. Erkenntnisse über Ventilbewegung, Ventilbelastung,
Ventilwiderstand, Ventilüberdruck und Sitzbreite sowie
über die Ausflußziffer in der Zeit bis zu den B a c·h sehen
Versuchen Anfang der achtziger Jahre.
1. Ventilbewegung und Ventilbelastung.
Die ältere Literatur - bis Anfang der 70er Jahre des vorigen Jahr
hunderts - begnügt sich, trotzdem die Ventile damals schon zu den
sehr häufig gebrauchten Maschinenelementen gehörten, damit, nur die
einfachsten Berechnungen für die Hauptabmessungen und den Ventil
hub von Klappen-, Kegel-, Kugel-, Teller-, Ring- und Doppelsitzven
tilen, wie z. B. Glockenventilen, zu geben. Der Einfluß des Ventil
gewichts auf die Ventilbewegung ist im wesentlichen ziemlich unbe
achtet geblieben; man beschränkte sich im allgemeinen auf die Aus
führung desjenigen Ventilgewichts, welches die Festigkeit des Ventils
erforderlich machte, und suchte das richtige Spiel der Ventile durch
Hubbegrenzung zu sichern. Wissenschaftliche Versuche mit Pumpen
und Pumpenventilen fehlten ganz, und ebenso waren Versuche an aus
geführten Anlagen äußerst selten. So behandelt z. B. Reuleaux in
seinem 1865 erschienenen Handbuch "Der Konstrukteur" 1) unter "He
bungsventilen" die verschiedenen Ausführungsformen von Klappen-,
von ein- und doppelsitzigen Kegelventilen, von einem Kugelventil -
das Tellerventil und selbst einfache Ringventile mit ebener Sitzfläche
sind nicht erwähnt - des Hornblower Doppelsitz- und eines Glocken
ventils, wobei er sich damit begnügt, Angaben über die nötige Sitz
breite und über die Hubhöhe sowie über den Abfluß zu machenl).
Selbst die im Jahre 1873 herausgegebene 3. Auflage des genannten
Werkes bietet nichts weiter in dieser Richtung.
1) Für Klappen mit Leder- oder Kautschukdichtung und für einfache Kegel
und Kugelventile schlägt er vor, dieSitzbreite b,= d ~ dl = 4 + {ci; zu nehmen; die
Projektion des Spiegelrings wird da:n1n bei letzteren Ventilen zu d ~-~ - 4 mm
angegeben. Die Hubhöhe h soll = oder wenig größer genommen werden. Hin
sichtlich des Abflusses verlangt Reuleaux, daß dieser, und das ganz besonders
beim Kugelventil, genügend hoch über dem Ventilscheitel angeordnet werde,
damit nicht der Rückstrom das Ventil offen halte.
S t ü c k I e, Pumpenventile. 1
2 Erkenntnisse über Ventilbewegung usw. bis zu den Versuchen Baohs.
In den 70er Jahren war es besonders Fink2u.3) 1), der sich mit der
Bewegung reiner Gewichtsventile eingehender befaßte und als erster
eine Beziehung zur Berechnung des Ventilgewichts aufstellte.
Nach Fink2u.3) wirkt am Anfang des Hubs, wenn das Saugventilsich
hebt, der zentrifugale Druck des Wassers, das in der Achsenrichtung
zugeführt und durch die Deckplatte mehr oder weniger horizontal
abgelenkt wird, auf weitere Hebung des Ventils, und zwar mit einer
Kraft, welche oft das Ventilgewicht überschreitet, weshalb man, um
das Hinauswerfen des Ventils aus dem Sitz zu verhindern, den Hub
des Ventils irgendwie beschränken müsse2). Am Anfang des Hubs
nimmt nach Fink die Geschwindigkeit der durch das Ventil gehenden
Flüssigkeit dem Gesetz der Kolbenbewegung entsprechend zu, gegen
Ende des Hubs, demselben Gesetz entsprechend, ab. Der auf Hebung
des Ventils wirkende zentrifugale Druck, der proportional dem Quadrat
der Geschwindigkeit ist, läßt schnell nach, das Ventil bekommt das
Übergewicht und beginnt zu schließen. Es hat in der Regel noch nicht
geschlossen, wenn der Kolben im toten Punkt angelangt ist. Erst bei
der folgenden Rückbewegung des Kolbens schließt nach F i n k das
Ventil vollständig. Dabei wird nach seiner Ansicht zunächst etwas
Wasser wieder entweichen, dann der Druck im Pumpeninnern zu
nehmen und das Druckventil öffnen. Da weiter nach Fink in gleicher
Weise auch das Druckventil in der Regel erst vollständig schließt,
wenn der Kolben den ersten Totpunkt wieder überschritten hat, so
wird auch auf diesem Weg etwas Wasser zurückfließen und dann erst
das Saugventil sich öffnen. Es wird also, je später das eine Ventil
schließt, das andere um so später öffnen und um so mehr Wasser
zurückfließen; außerdem wird, je weiter der Kolben vorgeschritten
ist, wenn das Ventil auf seinem Sitz auftrifft, ein um so stärkerer Stoß
eintreten; und dieses soll im allgemeinen um so mehr der Fall
sein, je rascher die Pumpe läuft. Der Schluß der Ventile ist also nach
Fink möglichst zu beschleunigen. Auf Ableitung eines Bewegungs
gesetzes, nach dem der Schluß des Ventils erfolgen muß, verzichtet
Fink, stellt aber fest, daß, da die Fallzeit von dem Gewicht des Ventils
und von seiner Hubhöhe abhängt, Verringerung der Fallzeit durch Ver
größerung des Gewichts oder durch Verminderung der Hubhöhe zu
erreichen sei.
1) Die sohrägstehenden Indexziffern an den Autorennamen verweisen auf
das Literaturverzeichnis am Schluß.
2) Den Ventilhub schlägt Fink vor = 0,75 ~l zu nehmen, trotzdem bei
einem Hub = ~1 schon der freie Durchgangsquerschnitt gleich dem Kreisquer
schnitt des Ventilsitzdurchgangs ist, um den Wasserdurchgang zu erleichtern.
Ventilbewegung und Ventilbelastung. 3
Bei der Berechnung des nötigen Ventilgewichts geht Fink davon
aus, daß dieses nach Abzug eines gleich großen Wasservolumens ent
weder gleich groß, kleiner oder größer als die eingangs erwähnte Kraft
sei, die das Ventil hebt. Im ersten Fall schwimmt das Ventil auf dem
aufsteigenden Wasserstrom, im zweiten Fall findet weitere Hebung statt,
bis das Ventil auf einen Widerstand stößt, oder es senkt sich, wie im
dritten Fall. Fink schließt daraus, daß ein leichtes Ventil früher und
höher gehoben wird als ein schweres, länger in der gehobenen Stellung
verharrt, der Schluß also auch später erfolgt. Wird nach Fink das Ge
wicht des Ventils so groß gewählt, daß es bei der größten Geschwin
digkeit des Pumpenkolbens und nicht zu großer Erhebung im Gleich
gewicht ist mit der den Auftrieb bewirkenden Kraft, dann wird während
des ganzen Hubes zwar durch dieses Gewicht ein größerer Arbeitswider
stand entstehen als bei einem leichten Ventil, das Ventil aber wird nicht
so heftig gegen die Hubbegrenzung schlagen, und da es schon früher
beginnen wird zu schließen, wird auch der Abschluß schon früher und
mit geringerem Stoß erfolgen und die nach Überschreiten des Kolben
totpunktes zurückfließende Wassermenge verringert werden. Was
einerseits durch erhöhten Kraftverbrauch verlorengeht, wird - zum
Teil wenigstens --.:.. durch ruhigeren Gang und erhöhte Lieferung zurück
gewonnen. Fink setzt in Ermangelung von Versuchsergebnissen
über die Größe der den Auftrieb bewirkenden Kraft, von der ihm nur
bekannt ist, daß sie mit zunehmender Erhebung abnimmt, diese
Kraft gleich dem Druck einer Wassersäule, die F/ mal so
2
hoch ist wie die zur größten Durchgangsgeschwindigkeit
gehörige Druckhöhe. Da man für die Erhebung ein ganz bestimmtes
Maß zulasse, und zwar bis der zylindrische Durchgangsquerschnitt
höchstens gleich dem Il/2fachen Ventilsitz-Durchgangsquerschnitt
wird, so handle es sich hauptsächlich um das Maß dieser Kraft bei der
Maximalerhebung. Die Durchgangsgeschwindigkeit sollte dabei für jedes
Ventil mit Rücksicht auf die größte Kolbengeschwindigkeit in der
Mitte des Hubs und auf die mittlere zulässige Hubzahl ermittelt und
hiernach das Gewicht des Ventils bestimmt werdenl).
Die zweite Auflage des Finksehen Buches3) bietet nichts wesent
lich Neues. Die im Grunde richtigen Anschauungen bezüglich Ventil
bewegung und die - allerdings unzutreffende - Grundlage für die
Berechnung des Ventilgewichts (vgl. S. 18) sind die gleichen geblieben.
In dieser Auflage betont Fink, daß für den Schluß des Ventils, der
1) Die Sitzbreite der Ventile schlägt Fink vor = 1,4 V~ (dl in mrn) zu nehmen.
Bezüglich des Vorschlags vonDr. F. Redtenbacher(s. Lit.-Verz. 4), derd = 1,2 d}
wählt, sagt Fink, daß sich die Praxis nicht danach richte und d -; d} bei großeIl
Ventilen kleiner mache, als diese Regel ergebe.
1*
4 Erkenntnisse über Ventilbewegung usw. bis zu den Versuchen Bachs.
nur nach der Kolbentotlage eintreten könne, ganz besonders das Ventil
gewicht und die Ventilform in Betracht komme, und erklärt den Stoß
im Triebwerk der Pumpe und gegen die Ventile als Folge der Schluß
verspätung . Nach F i n k sollte die Ventilerhebung für "einigermaßen
schnell arbeitende Pumpen" 45 mm nicht überschreiten.
Auch v. Hauer5) verlangt, daß das Ventil sich rasch schließen soll;
nicht ganz klar ist aber die zugehörige Begründung: "Denn diese Be
wegung ist die Folge der beim Wechsel des Kolbenlaufes stattfindenden
Verzögerung und Umkehr der Wasserströmung; das Wasser tritt also,
während das Ventil sich dem Sitz nähert, zum Teil zurück und wird im
Augenblick des Abschlusses plötzlich in seiner Bewegung aufgehalten.
Es ergeben sich dadurch Wasserverluste und Stöße." Die lichte Ventil-
dr
sitzöffnung Jt wählt v. Ha uer "nicht kleiner" als den Querschnitt
4
der anschließenden Leitungen, weil sonst das Wasser mit größerer Ge
schwindigkeit durch die Öffnung strömt, der EffektverIust zunimmt,
bei Saug ventilen das Ansaugen erschwert wird und "das Ventil beim
Schluß stärker schlägt". Der zuletzt angegebene Grund ist zum min
desten nicht einwandfrei. Damit das Ventil rasch schließt, soll die
Hubhöhe desselben so gering sein, als ohne Verengung des Querschnitts
für das durchströmende Wasser zulässig ist. Er bestimmt die Hub
höhe aus der Bedingung, daß der Querschnitt des das Ventil verlassen
den Wasserstrahls nicht kleiner sein soll als die Fläche der Ventilsitz
öffnung. Wegen der Ablenkung des Wasserstrahls wählt er bei Teller-,
Kegel. und Kugelventilen den Hub größer, als dieser Bedingung ent-
spricht, nämlich h = 0,7 d1. Nach v. Ha ucr ist das Gewicht des Ven-
2
tils in bezug auf leichte Eröffnung nur von untergeordneter Bedeutung,
und zwar beim Druckventil mehr als beim Saugventil, weil das Ge
wicht des Ventils, auf den Querschnitt der zugehörigen Ventilsitzöffnung
verteilt, nur einen geringen Bruchteil einer Atmosphäre betrage. Nach
ihm "wird einerseits das Ventil durch den Unterschied der Span
nungen unter und über dem geöffneten Ventil im Verein mit der Stoß
kraft des aufsteigenden Wassers schwebend erhalten, und andererseits
wird durch diese Kräfte das aus der plötzlichen Querschnittsänderung
und Ablenkung des Wasserstrahis entstehende Bewegungshindernis
überwunden. Ein schweres Ventil erfordert, um offen zu bleiben, einen
größeren Spannungsunterschied; dieser erteilt dem Wasser eine größere
Geschwindigkeit, daher wird der Querschnitt des Wasserstrahls kleiner,
d. h. ein schweres Ventil erhebt sich weniger hoch. Da der genannte,
mit dem Ventilgewicht wachsende Spannungsunterschied als Neben
hindernis zu dem vom Pumpenkolben zu überwindenden Widerstand
hinzutritt, soll das Ventil so leicht sein, daß es in der höchsten, von der
Ventil bewegung und Ventil belastung. 5
Hubbegrenzung (die auch v. Hauer als notwendig gegen Herauswerfen
des Ventils hält) zugelassenen Stellung sich gerade im Gleichgewicht
befindet. Das Ventilgewicht sollte also der bei ganz geöffnetem Ventil
wirksamen hebenden Kraft gerade gleich sein." v. Hauer will somit,
fortschrittlich gegenüber Fink, nicht bloß die Stoßkraft, sondern auch
den Spannungsunterschied unter und über dem Ventil berücksichtigt
haben. Leider ist für ihn die Befolgung dieser Regel dadurch erschwert,
"daß die Stoßkraft nicht genau bekannt ist und bei Annahme der wahr
scheinlichen Werte für dieselbe das Gewicht sich bei größerem Durch
messer so klein ergibt, daß die Abmessungen für die praktische Ausfüh
rung zu gering werden". Dies gilt nach v. Hauer auch für die An
nahme, daß jene Kraft gleich dem Gewicht einer Wassersäule von der
ein- bis zweifachen Höhe, welche der Geschwindigkeit Cl des Wassers
c2 c2
in der Ventilsitzöffnung entspricht, d. h. = 1000 ~ bis 2000 --.J. sei.
2g 2g
v. Ha uer beurteilt auch die zur damaligen Zeit vorgeschlagenen
Mittel zur Erleichterung der Bewegung der Ventile. Bezüglich des Vor
schlags, das Öffnen der Ventile durch eine Spiralfeder zu erleichtern,
deren Spannung groß genug ist, um den zur Hebung nötigen Überdruck
zu ersetzen, stellt er richtigerweise fest, daß, falls diese Feder eine merk
liche Wirkung äußern soll, ihre Spannung so groß sein müsse, daß der
Schluß des Ventils sehr verzögert würde. Den Schluß des Ventils durch
eine Feder zu erleichtern, hält v. Hauer eher für angezeigt, weil dieser
Bewegung nur der Widerstand der Flüssigkeit entgegenwirkt, daher
auch eine Feder von geringer Spannung den Schluß merklich beschleu
nigen, die Öffnung nicht wesentlich verzögern werde. Er meint aber, eine
solche Feder würde sich in bezug auf das geöffnete Ventil verhalten
wie eine ihrer Spannung gleiche Gewichtsvermehrung des Ventils und
daher eine Verminderung des Effekts zur Folge haben; außerdem wür
den die Federn eine geringe Dauer besitzen und daher öftere Reparaturen
erfordern. An teilweisen Ersatz des Ventilgewichts durch Federbelastung
denkt v. Hauer noch nicht. Er geht sogar so weit, bezüglich der den
Schluß unterstützenden Feder auszusprechen: "Ebensowenig Aussicht
auf Erfolg hat das neulich von R. Daelen1) vorgeschlagene Ventil,
bei dem eine Art Vorschluß, ähnlich wie bei Schiebern von Wassersäulen
maschinen, jedoch selbsttätig wirkend, angeordnet ist." Daß ein Ventil,
wie dasjenige von Daelen, das außer der Dichtung zwei kleinere Ven
tile, einen gebohrten Zylinder mit Kolben, der am Umfang eine
Liderung trägt, und endlich eine mittels Lederstulps zu bewirkende
Dichtung für dessen Kolbenstange besitzt, schon infolge seines ver
wickelten Aufbaues keine Aussicht auf Erfolg hat, ist selbstverständ-
1) D.R.P. 1877, Nr. 199.