Regelventil und Turbine Die Erfindung betrifft ein Regelventil zum Regeln eines gas ^¬ förmigen Volumenstroms, insbesondere eines Dampfvolumen- stroms, mit einem Ventilgehäuse, mit einem Ventilsitz und mit einem relativ zu dem Ventilsitz entlang einer Verlagerungsachse verlagerbaren Ventildrosselelement, bei welchem das Ventilgehäuse den Ventilsitz ausgestaltet und bei welchem das verlagerbare Ventildrosselelement einen mit dem Ventilsitz wechselwirkenden Drosselkantenbereich aufweist.

Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Turbine, insbeson- dere eine Dampfturbine, mit einer Vielzahl an Ventileinrichtungen .

Gattungsgemäße Regelventile sind insbesondere an Dampfturbi ^¬ nen bekannt. Werden derartige Regelventile beispielsweise in einem angedrosselten Betriebszustand, das heißt, in einem nicht gänzlich geöffneten oder geschlossenen Betriebszustand des Regelventils betrieben, bildet sich in einem Strömungs ^¬ innenraum des Regelventils nahezu immer ein charakteristi ^¬ sches Strömungsbild aus, welches im Wesentlichen durch die Ausbildung eines Wandstrahlbereichs mit Strömungsgeschwindig ^¬ keiten gekennzeichnet ist, welche erheblich höher sind als die Strömungsgeschwindigkeiten eines Kernströmungsbereichs eines Volumenstroms. Insofern verursachen die unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten eine Scherschicht zwischen dem Wandstrahlbereich des das Regelventil durchströmenden Volumenstroms und dem Kernströmungsbereich dieses Volumenstroms mit oftmals nicht zu vernachlässigenden hohe Geschwindigkeitsgradienten.

Sowohl aus experimentellen als auch aus numerischen Untersuchungen des Strömungsverhaltens an solchen Regelventilen ist bekannt, dass es in der Scherschicht zu Strömungsinstabi- litäten kommen kann, welche kritische Resonanzeffekte in dem Strömungsraum des Regelventils verursachen können. Hierdurch kann es im schlimmsten Fall zu einer derartig unerwünschten Anregung der Regelventilstruktur kommen, welche eine Schädigung dieser Regelventilstruktur verursachen kann.

Um diesen Resonanzeffekten entgegenzuwirken, ist es bekannt, im Bereich des Ventilsitzes an dem Ventilgehäuse Strömungs ^¬ gleichrichter vorzusehen, welche zu einer positiven Beeinflussung der Scherschicht beitragen können. Allerdings führen diese Einbauten in Form von Strömungsgleichrichtern nahezu immer zu erheblichen Strömungsverlusten, wodurch die Gesamtleistung der Turbine bzw. Dampfturbine gesenkt wird.

In US 5,150,736 ist ein Ventil offenbart, das ein zylindri ^¬ sches Ventilabsperrorgan und einen ringförmigen Ventilsitz aufweist .

Es ist Aufgabe der Erfindung, gattungsgemäße Regelventile weiterzuentwickeln .

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 10.

Die Aufgabe wird von einem Regelventil zum Regeln eines gas ^¬ förmigen Volumenstroms, insbesondere eines Dampfvolumen- stroms, mit einem Ventilgehäuse, mit einem Ventilsitz und mit einem relativ zu dem Ventilsitz entlang einer Verlagerungsachse verlagerbaren Ventildrosselelement gelöst, bei welchem das Ventilgehäuse den Ventilsitz ausgestaltet und bei welchem das verlagerbare Ventildrosselelement einen mit dem Ventil ^¬ sitz wechselwirkenden Drosselkantenbereich aufweist, wobei das Regelventil mehrere mit dem Drosselkantenbereich wechsel ^¬ wirkende Volumenstromverwirbelungselemente aufweist, welche Scherschichtinstabilitäten in einer Scherschicht zwischen einem Wandstrahlbereichs des gasförmigen Volumenstroms und ei ^¬ nem Kernströmungsbereich des gasförmigen Volumenstroms vermeiden oder zumindest reduzieren. Durch die mit dem Drosselkantenbereich wechselwirkenden Volu- menstromverwirbelungselemente kann die Scherschicht zwischen einem Wandstrahlbereichs des gasförmigen Volumenstroms und einem Kernströmungsbereich des gasförmigen Volumenstroms dahingehend manipuliert bzw. positiv beeinflusst werden, dass kritische Instabilitäten im Bereich der Scherschicht des gas ^¬ förmigen Volumenstrom reduziert oder vermieden werden.

Insbesondere wird die Scherschicht hierbei signifikant besser durchmischt .

Hierdurch können konstruktiv sehr einfach unerwünschte Resonanzeffekte am Regelventil vermieden oder zumindest derart gedämpft werden, dass insbesondere eine Beeinträchtigung der Regelventilstruktur verhindert werden kann.

Eine Durchmischung der Scherschicht kann nochmals verbessert werden, wenn die Volumenstromverwirbelungselemente in Um- fangsrichtung zumindest teilweise unterschiedlich lang ausgebildet sind.

Das vorliegende Regelventil kann baulich unterschiedlichst ausgestaltet sein, sofern es dem Absperren oder zumindest dem Drosseln eines gasförmigen Volumenstroms dienen kann.

Hinsichtlich eines bevorzugten Einsatzgebietes an einer

Dampfturbine ist vorgesehen, dass der gasförmige Volumenstrom ein Dampfvolumenstrom ist.

Somit wird die Aufgabe der Erfindung auch von einer Turbine, insbesondere von einer Dampfturbine, mit einer Vielzahl an Ventileinrichtungen gelöst, wobei zumindest eine der Ventil ^¬ einrichtungen ein Regelventil nach einem der hier beschriebenen Merkmale umfasst.

Vorteilhafterweise wird der Wirkungsgrad der Turbine, insbe ^¬ sondere der Dampfturbine, signifikant erhöht, wenn zumindest die relevanten Ventileinrichtungen der Turbine bzw. der Dampfturbine ein im Sinne der Erfindung ausgestaltetes Regel ^¬ ventil aufweisen.

Die im gasförmigen Volumenstrom als Störkörper wirkende Volu- menstromverwirbelungselemente können hierbei beispielsweise kurz vor - in Strömungsrichtung gesehen - dem Drosselkantenbereich an dem Ventilgehäuse angeordnet sein.

Um Strömungsverluste im Regelventil möglichst klein zu hal ^¬ ten, sollte die über die Ventilgehäuseinnenseite überstehende Höhe dieser Volumenstromverwirbelungselemente so gering wie möglich ausgestaltet sein.

Da sich eine kritische Scherschicht im Wesentlichen lediglich in einem angedrosselten Betriebszustand des Regelventils aus- prägt, hat eine Höhenbegrenzung der Volumenstromverwirbelung- selemente keinen oder nur einen zu vernachlässigenden Ein- fluss auf deren Wirksamkeit.

Darüber können die Druckverluste an dem Regelventil in einem erträglichen bzw. in einem zu vernachlässigenden Rahmen gehalten werden.

Sind die Volumenstromverwirbelungselemente konzentrisch um die Verlagerungsachse herum gegenüber dem Drosselkantenbe ^¬ reich an dem Ventilgehäuse angeordnet, kann die Scherschicht umfänglich besonders effektiv manipuliert werden. Verwirbe- lungselemente können auch unsymmetrisch in Umfangsrichtung angeordnet sein.

Kumulativ oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn die Volu- menstromverwirbelungselemente konzentrisch um die Verlage ^¬ rungsachse herum an dem Drosselkantenbereich des verlagerbaren Ventildrosselelements angeordnet sind. Auch mit unmit ^¬ telbar in dem Drosselkantenbereich integrierten Volumenstrom- verwirbelungselementen können die vorteilhaften Effekte der Erfindung erzielt werden. Es versteht sich, dass die Volumenstromverwirbelungselemente nahezu beliebig konzentrisch um die Verlagerungsachse herum angeordnet sein können, insbesondere gleichmäßig verteilt. Hierbei spielt es keine Rolle, ob die Volumenstromverwirbe- lungselemente an dem Ventilsitz oder an dem Drosselkantenbe ^¬ reich angeordnet sind.

Die Effekte hinsichtlich der Scherschicht, insbesondere die Durchmischung der Scherschicht, können besonders gut ausge- prägt sein, wenn der Drosselkantenbereich des verlagerbaren Ventildrosselelements an einer dem Ventilsitz zugewandten Seite unsymmetrisch ausgestaltet ist.

Insofern ist es vorteilhaft, wenn der Drosselkantenbereich des verlagerbaren Ventildrosselelements in seiner Umfangs- richtung unsymmetrisch ausgestaltet ist. Auch hierdurch lässt sich die Durchmischung der Scherschicht sehr gut beeinflus ^¬ sen . Durch eine Änderung der Geometrie des Drosselkantenbereichs kann eine positive Beeinflussung, insbesondere eine verbes ^¬ serte Durchmischung, der Scherschicht erzielt werden.

Es versteht sich, dass die Volumenstromverwirbelungselemente unterschiedlichst realisiert sein können.

Konstruktiv sehr einfach können sie verwirklicht sein, wenn der Drosselkantenbereich des verlagerbaren Ventildrosselelements Materialausnehmungen und/oder Materialstege aufweist.

Diese Materialausnehmungen und/oder die Materialanhäufungen können besonders gut speziell im angedrosselten Zustand des Regelventils wirken, wenn die Materialausnehmungen und/oder die Materialstege dem Ventilsitz zugewandt sind.

Es können die Effekte hinsichtlich der Scherschicht besonders gut ausgeprägt sein, wenn die Materialausnehmungen und/oder die Materialstege in Umfangsrichtung des Drosselkantenbe- reichs ungleichmäßig verteilt an dem Ventildrosselelement an ^¬ geordnet sind .

Eine Durchmischung der Scherschicht kann nochmals verbessert werden, wenn die Materialausnehmungen und/oder die Materialstege in Umfangsrichtung zumindest teilweise unterschiedlich lang ausgebildet sind.

Hinsichtlich einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Drosselkantenbereich des verlagerbaren

Ventildrosselelements an einer der dem Ventilsitz zugewandten Seite eine gezackte Kronenform aufweisen.

Die Zacken der Kronenform können durch ein Wechselspiel zwi- sehen den in Umfangsrichtung verlaufenden Materialausnehmungen und Materialstegen konstruktiv einfach verwirklicht sein.

Insofern kann die Kronenform unsymmetrisch oder symmetrisch ausgestaltet sein, so dass eine gleichmäßig oder ungleich- mäßig ausgebildete Kronenform vorliegen kann.

Weitere Merkmale, Effekte und Vorteile vorliegender Erfindung werden anhand anliegender Zeichnung und nachfolgender Beschreibung erläutert, in welchen beispielhaft ein Regelventil und unterschiedlich ausgebildete Drosselkantenbereiche von noch beispielhaft gezeigten Ventildrosselelementen dargestellt und beschrieben sind.

In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 schematisch eine Modellansicht eines Regelventils zum Regeln eines Dampfvolumenstroms mit einer Viel ^¬ zahl an mit dem Drosselkantenbereich wechselwirkenden Volumenstromverwirbelungselementen, welche Scherschichtinstabilitäten in einer Scherschicht zwischen einem Wandstrahlbereichs des gasförmigen Volumenstroms und einem Kernströmungsbereich des gasförmigen Volumenstroms vermeiden; Figur 2 schematisch eine perspektivische Ansicht eines an ^¬ deren Ventildrosselelements mit mehreren in Um- fangsrichtung symmetrisch an einem Drosselkantenbereich angeordneten Volumenstromverwirbelungselemen- ten; und

Figur 3 schematisch eine perspektivische Ansicht eines wei- teren Ventildrosselelements mit mehreren in Um- fangsrichtung unsymmetrisch an einem Drosselkantenbereich angeordneten Volumenstromverwirbelungs- elementen .

Das in der Figur 1 gezeigte Regelventil 1 zum Regeln bzw. zu ^¬ mindest zum Androsseln speziell eines Dampfvolumenstroms 2 weist ein Ventilgehäuse 3 mit einem Strömungsinnenraum 4 auf, an dessen Innenseite (nicht gesondert beziffert) ein kegel ^¬ förmiger Ventilsitz 5 ausgebildet ist.

In dem Ventilgehäuse 3 ist ein gegenüber dem Ventilsitz 5 verlagerbares Ventildrosselelement 6 angeordnet, wobei dieses Ventildrosselelement 6 entlang einer Verlagerungsachse 7 ver ^¬ schieblich ist.

Der Dampfvolumenstrom 2 durchströmt das Regelventil 1 hierbei in Durchströmungsrichtung 8. Das Ventildrosselelement 6 besitzt einen Drosselkantenbereich 10, welcher mit dem in dem Ventilgehäuse 3 eingelassenen Ventilsitz 5 umso stärker wechselwirken kann, je näher das Ventildrosselelement 6 an den Ventilsitz 5 heran bewegt wird. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn das Regelventil 1 in einem angedrosselten Betriebszustand gefahren wird, bei wel ^¬ chem das Ventildrosselelement 6 nur mit einem geringeren Spalt von dem Ventilsitz 5 beabstandet angeordnet ist als in einem geöffneten Betriebszustand des Regelventils 1. Der Drosselkantenbereich 10 ist zumindest teilweise kegel- oder torusförmig ausgestaltet, so dass er kompatibel zu dem kegelförmigen Ventilsitz 5 ist.

Der Drosselkantenbereich 10 erstreckt sich hierbei ringförmig um die Verlagerungsachse 7 herum.

Ferner ist der Drosselkantenbereich 10 an einem Ende 11 des Ventildrosselelements 6 ausgeprägt, welches dem Ventilsitz 5 zugewandt ist.

Um Scherschichtinstabilitäten zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, weist das Regelventil 1 eine Vielzahl an mit dem Drosselkantenbereich 10 wechselwirkenden Volumenstromverwir- belungselementen 15 (nur exemplarisch beziffert) auf, mittels welchen eine signifikant verbesserte Durchmischung der Scherschicht (nicht gezeigt) erzielt wird, so dass Geschwindig ^¬ keitsgradienten zwischen einem Wandstrahlbereich (nicht ge- zeigt) des Dampfvolumenstroms 2 und einem Kernströmungsbe ^¬ reich (nicht gezeigt) des Dampfvolumenstroms 2 vermeiden oder zumindest abgemildert werden können.

Bei dem in der Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Volumenstromverwirbelungselemente 15 konzentrisch um die Ver ^¬ lagerungsachse 7 herum an dem Ventilgehäuse 3 und gegenüber dem Drosselkantenbereich 10 angeordnet.

Die Volumenstromverwirbelungselemente 15 sind hierbei als Ma- terialanhäufungen 16 an dem Ventilgehäuse 3 ausgestaltet, welche an dem Ventilsitz 5 ausgeprägt sind.

Das in der Figur 1 gezeigte Regelventil 1 wird als Drossel ^¬ ventil in einer Ventileinrichtung einer hier nicht weiter ge- zeigten Dampfturbine 17 eingesetzt.

Bei dem in der Figur 2 gezeigten anderen Ventildrosselelement 106, welches ein Bestandteil eines ähnlichen wie in der Figur 1 gezeigten Regelventils 1 sein kann, wobei das dem anderen Ventildrosselelement 106 zugehörige Regelventil nicht gezeigt ist . Das Ventildrosselelement 106 weist einen zumindest teilweise kegelförmig ausgebildeten Drosselkantenbereich 110 auf, welcher an einer dem Ventilsitz 5 (siehe beispielhaft Figur 1) zugewandten Seite 120 symmetrisch ausgestaltet ist. An dem Drosselkantenbereich 110 des Ventildrosselelements 106 sind eine Vielzahl an Volumenstromverwirbelungselemente 115 angeordnet, welche in diesem Ausführungsbeispiel als Materi ^¬ alausnehmungen 121 an dem Drosselkantenbereich 110 ausgeprägt sind .

Die Materialausnehmungen 121 bedingen auch Materialstege 122 an dem Drosselkantenbereich 110, wobei jeweils zwei Material ^¬ stege 122 eine Materialausnehmung 121 seitlich in Umfangs- richtung 123 des Drosselkantenbereichs 110 begrenzen und vice versa.

Diese Materialausnehmungen 121 sind als Taschenbereiche in den Drosselkantenbereich 110 eingelassen und sie vermeiden Scherschichtinstabilitäten in einer Scherschicht zwischen ei- nem Wandstrahlbereichs des Dampfvolumenstroms und einem Kern ^¬ strömungsbereich des Dampfvolumenstroms .

Die Materialausnehmungen 121 bzw. die Materialstege 122 sind in Umfangsrichtung 123 des Drosselkantenbereichs 110 gleich- mäßig verteilt an dem Ventildrosselelement 106 angeordnet.

Jedenfalls ist der Drosselkantenbereich 110 des verlagerbaren Ventildrosselelements 106 an seiner der dem Ventilsitz 5 zu ^¬ gewandten Seite 124 in Gestalt einer gezackten Kronenform 125 realisiert, wobei die Zacken durch die Materialstege 122 aus ^¬ geformt sind. Mittels des derart ausgestalteten Ventildrosselelements 106 können die Scherschichtinstabilitäten in einer Scherschicht zwischen einem Wandstrahlbereichs des Dampf olumenstroms 2 (siehe beispielhaft Figur 1) und einem Kernströmungsbereich des Dampfvolumenstroms 2 kumulativ oder alternativ vermeiden werden .

Bei dem in der Figur 3 gezeigten weiteren Ventildrosselelement 206, welches in etwa baugleich mit dem in der Figur 2 gezeigten anderen Ventildrosselelement 106 ist, sind die an dem Drosselkantenbereich 210 vorgesehenen Materialausnehmun- gen 221 bzw. Materialstegen 222 in Umfangsrichtung 223 des Drosselkantenbereichs 210 ungleichmäßig verteilt an dem Ven ^¬ tildrosselelement 206 angeordnet, wodurch die Effekte hin- sichtlich der Vermeidung von Scherschichtinstabilitäten in einer Scherschicht zwischen einem Wandstrahlbereichs des Dampfvolumenstroms 2 (siehe beispielhaft Figur 1) und einem Kernströmungsbereich des Dampfvolumenstroms 2 nochmals ver ^¬ stärkt werden können.

Die an dem Drosselkantenbereich 210 eingearbeiteten Material- ausnehmungen 221 und insofern auch die mit diesen korrespondierenden Materialstege 222 sind in Umfangsrichtung 223 des Drosselkantenbereichs 210 unterschiedlich lang ausgebildet.

Auch dieses weitere Ventildrosselelement 206 kann ein Be ^¬ standteil eines ähnlichen wie in der Figur 1 gezeigten Regelventils 1 sein, wobei auch das dem anderen Ventildrosselele ^¬ ment 206 zugehörige Regelventil nicht gezeigt ist.

Das Ventildrosselelement 206 weist somit einen zumindest teilweise kegelförmig ausgebildeten Drosselkantenbereich 210 auf, welcher an einer dem Ventilsitz 5 (siehe beispielhaft Figur 1) zugewandten Seite 224 jedoch unsymmetrisch ausge- staltet ist.

Insofern sind an dem Drosselkantenbereich 210 des Ventildrosselelements 206 ebenfalls eine Vielzahl an Volumenstromver- wirbelungselemente 215 vorhanden, welche in dem in der Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel als Materialausnehmungen 221 in Gestalt von Taschenbereichen an dem Drosselkantenbereich 210 ausgeprägt sind.

Die Materialausnehmungen 221 bzw. die Materialstege 222 sind in Umfangsrichtung 223 des Drosselkantenbereichs 210 un ^¬ gleichmäßig verteilt an dem Ventildrosselelement 206 angeord ^¬ net .

Auch der Drosselkantenbereich 210 des verlagerbaren Ventildrosselelements 206 ist an seiner der dem Ventilsitz 5 zuge ^¬ wandten Seite 224 in Gestalt einer gezackten Kronenform 225 realisiert .

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch dieses offenbarte Ausführungsbei ^¬ spiel eingeschränkt, und andere Variationen können vom Fach- mann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.