CN116171358A - 用于瓣阀的金属密封件 - Google Patents

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CN116171358A CN202180056806.0A CN202180056806A CN116171358A CN 116171358 A CN116171358 A CN 116171358A CN 202180056806 A CN202180056806 A CN 202180056806A CN 116171358 A CN116171358 A CN 116171358A
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Abstract

本发明涉及一种用于瓣阀(1)的金属密封件，瓣阀(1)具有带有流动通道(3)阀壳体(2)，阀盘(4)设置在该流动通道的流动截面中，使得它可以围绕枢转轴(5)在打开位置与关闭位置之间枢转。可以彼此压靠的密封元件(7a，7b，9)设置在阀盘(4)的外圆周上和阀壳体的内圆周上，所述密封元件具有在关闭位置中通过弹性预载荷支承在相反定位的、同样环形的金属配合密封面(9)上的至少一个环形金属密封唇缘(7a，7b)。本发明的目的在于开发这种金属密封件以改善密封效果，当打开和关闭瓣阀时简化阀盘(4)的致动并且尽可能地防止由共振振动引起的损坏。根据本发明，提出金属密封唇缘(7a，7b)是由金属材料以增材法制作，以具有适配金属密封唇缘(7a，7b)的不同圆周区域的形状、截面几何形状和/或成分。

Description

用于瓣阀的金属密封件
技术领域
本发明涉及一种用于瓣阀的金属密封件，该瓣阀具有带有流动通道的阀壳体，在该流动通道的流动截面中，阀盘设置成使得它可以围绕枢转轴在打开位置与关闭位置之间枢转，其中，可以彼此压靠的密封元件设置在阀盘的外圆周上和阀壳体的内圆周上，并且这些密封元件具有至少一个环形金属密封唇缘，其在关闭位置以弹性预载荷支承在相反定位的、同样的环形金属配合密封面上，其中
-金属密封唇缘设置在阀盘的外圆周上并且配合密封面设置在阀壳体的内圆周上；
-或者配合密封面设置在阀盘的外圆周上并且金属密封唇缘设置在阀壳体的内圆周上。
首先，具有金属密封唇缘的瓣阀原则上具有优于具有塑料(聚合物)密封唇缘的瓣阀的优点，因为金属密封唇缘是极其耐用且耐热的，即，具有用塑料(聚合物)密封唇缘不能获得的特性。
背景技术
具有这种金属密封件的瓣阀已经有一段时间了。对此，参考例如EP 0771 976B1。在这种金属密封件中使用的金属密封唇缘具有以下优点：当密封唇缘的截面以与压力梯度的方向相反的弯曲或倾斜的方式延伸时，首先仅由弹性恢复力限定的密封效果被增强。
为了能够在两个流动方向上使用这种增强效果，还已知的是，提供两个金属密封唇缘而不是仅仅是一个金属密封唇缘，这两个金属密封唇缘在瓣阀的流动方向上彼此间隔开一定距离布置。对此，参考例如源于EP 0663 549B1的金属密封件，其中，两个金属密封唇缘的截面区域相对于在密封位置中在它们之间剩余的中空空间以倾斜或弯曲的方式向外延伸。金属密封件的这个实施例具有以下优点：以上说明的增强效果是在两个可能的流动方向上并且具体地是在位于高压侧上的相应的金属密封唇缘处实现的。
在使用在流动方向上彼此相距一定距离设置的两个金属密封唇缘的情况下，当这两个金属密封唇缘的截面区域在位于它们之间的环形中空空间的内部的方向上以倾斜和/或弯曲的方式(参考US 4 396 199 A)延伸时，获得了甚至更好并且特别是更精确可控的密封效果。以上说明的增强效果在这种情况下在两个流动方向上也是可实现的，但是总是仅在位于在流动方向上向后位置的第二金属密封唇缘处，而位于在流动方向上向前位置的第一金属密封唇缘已经在由其弹性预载荷限定的密封效果下准许流动。这个特定特征开辟了监测和/或影响配备有两个金属密封唇缘的这种瓣阀的密封效果的多种可能性，例如通过对位于这两个金属密封唇缘之间的中空空间加压或减压，或者在紧急情况下，通过用粘结的关闭介质填充这个中空空间。然而，由于依次设置的两个金属密封唇缘的密封效果难以匹配，故金属密封件的这种特定形式还未能在实践中被广泛使用。
在引言中提及的这类型的金属密封件中的经常发生的问题在于以下事实：密封条件和机械应力在阀盘的圆周上或在阀壳体的圆周上是非常不同的，并且实际上特别是关于相应的圆周区域与瓣阀的枢转轴的距离而言。其原因首先是一方面金属密封唇缘和另一方面与金属密封唇缘配合的配合密封面之间的相对运动，该相对运动根据到枢转轴的距离而不同。特别地，枢转轴相对于阀盘的位置对这些移动路径具有主要影响。在此，在不同构造之间做出区分，例如
-中心构造，其中，阀盘的枢转轴延伸通过圆形密封布置的中心，
-单偏心构造，其中，阀盘的枢转轴沿流动通道的轴线在流动方向上轴向地移位，
-双偏心构造，其中，除了单偏心构造之外，阀盘的枢转轴垂直于流动通道的轴线移位，
-三偏心构造，其中，除了双偏心构造之外，密封布置的平面不再设置成垂直于流动通道的轴线，
-四偏心构造，其中，除了三偏心构造之外，密封布置不是以圆形而是以椭圆形形状形成的，
-以及五偏心构造，其中，除了四偏心构造之外，密封锥体的平面设置在流动通道的轴线外部。
本发明涉及所有已知构造的瓣阀。
实际上，仅在中心构造中，密封布置具有精确的圆形形状。相比之下，在所有偏心构造中，密封布置的形状或多或少地偏离圆形形状，这导致一方面金属密封唇缘与另一方面配合密封面之间的复杂的相对移动。
特别地，对于阀盘的关闭和打开所必需的枢转扭矩、尤其是对于瓣阀的打开所必需的分离扭矩对于金属密封件的构型是非常重要的。这些关闭转矩和分离转矩自然取决于在打开和关闭阀盘的过程中，在距离枢转轴的多远的距离必须克服哪些滑动摩擦力或静摩擦力。
由于以下事实，还频繁地出现另外的困难的问题：在金属密封唇缘的打开过程开始的那些圆周区域中，通过所谓的伯努利效应(Bernoulli effect)产生了剧烈的共振振动，这些共振振动相对快速地导致对这些金属密封唇缘的和配合密封面的相应的圆周区域的损坏。通过以尽可能抑制这些振动的方式将金属密封唇缘中的质量分布和弹性恢复力彼此匹配，已经尝试抵消这些现象。
上述问题在已知的金属密封件中几乎不能解决，因为出于制造技术的原因，金属密封唇缘通常在整个圆周上由相同材料构成、并且因此全周具有相同的物理特性。鉴于以上讨论的特定特征，因此，对于制造用于在引言中提及的类型的金属密封件的金属密封唇缘，存在实际上不可解决的冲突目标，其结果是此类金属密封系统通常仅在有限程度上是可用的。
因此，本发明的任务是在其物理特性方面进一步开发引言中提及的类型的金属密封件，以达到以下效果：密封效果得到改善，在瓣阀的打开和关闭过程中，有助于阀盘的致动并且尽可能地防止由共振振动引起的损坏。
在本说明书的上下文中，物理特性将主要理解为机械特性，即，与外部力的效果相关联的特性(强度、刚度、屈服点、阻尼度等)。然而，取决于应用情况，迄今为止，其他物理材料特性也是重要的，例如，热导率、热膨胀系数、渗透性等。
发明内容
为了完成设定的任务，本发明从引言中提及的类型的金属密封件开始，提出金属密封唇缘是由金属材料以增材法制作的，该金属材料具有适配金属密封唇缘的不同圆周区域的形状、截面几何形状和/或合金。
通过以增材法生产金属密封唇缘，首次有可能给与金属密封唇缘的不同圆周区域的特性，这些特性在密封效果、静摩擦和滑动摩擦、金属密封唇缘与配合密封面之间的相对移动、以及振动行为方面最佳地适配于不同的要求。
优选地，金属密封唇缘具有圆周部分，其中，挠曲强度根据这些圆周部分相对于阀盘的枢转轴的距离而不同。具体地，已经发现，阀盘的枢转轴与金属密封唇缘的相应的圆周区域之间的距离对于其适配的构型是非常重要的标准，首先因为这个距离对在一方面金属密封唇缘与另一方面朝向金属密封唇缘的密封面之间的相对移动具有相当大的影响。
就此而言，例如，提供的是，金属密封唇缘的设置成距阀盘的枢转轴最大距离的圆周部分具有比金属密封唇缘的设置成距枢转轴最小距离的圆周部分更高的挠曲强度。
为了实现金属密封唇缘的弯曲强度的这种特定分布，本发明提出，与距阀盘的枢转轴最小距离的圆周部分的截面区域(cross-sectional areas)相比，距阀盘的枢转轴最大距离的圆周部分的截面区域具有更高的截面惯性矩。
不同圆周部分中的金属密封唇缘的截面的截面惯性矩的这种适配不仅对所讨论的圆周部分中的挠曲强度具有影响，而且还另外对质量分布具有影响，由此可以进而影响振动行为。根据本发明的教导，可以使所有这些物理特性彼此匹配，使得由伯努利效应引起的破坏性共振振动被尽可能地抑制，并且实际上，因为金属密封唇缘的布置在距阀盘的枢转轴最大距离处的圆周部分比金属密封唇缘的布置在距离枢转轴最小距离处的圆周部分具有更高的阻尼度。
还可以通过在金属密封唇缘所讨论的圆周区域中使用不同的生产材料产生和影响所希望的在挠曲强度上的差异，如在增材制造中是直接可能的。就此而言，本发明提出，距阀盘的枢转轴最大距离的圆周部分由具有比制作距阀盘的枢转轴最小距离的圆周部分的金属合金的刚度更高的刚度的金属合金构成。就此而言，可以使用例如具有足够高屈服点和高加工硬化系数的合适的不锈钢合金(基于Fe、Ni和Co的合金)来生产金属密封唇缘。在增材制造过程中，还可以在金属密封唇缘的体积中、并且具体地在截面方向和圆周方向上制作适合的材料梯度。最后，在增材制造的情况下，还有可能在制造过程中在特定体积区域中进行固有热处理，以便在金属密封唇缘的体积内产生不同的特性。
最后，同样重要的是，根据本发明的教导，金属密封唇缘的不同形成的圆周部分在金属密封唇缘的圆周上逐渐过渡到彼此之中。因此，实现了，尽管多个圆周区域的构型不同，但可以确保金属密封唇缘在配合密封面上的均匀支承。
为了改善密封效果，最终还可以提供的是，金属密封唇缘的与配合密封面相接触的表面区域涂覆有软密封金属层。在此，考虑了银或镍的涂层作为实例。
本发明的特别优选的实施例提供的是，第二金属密封唇缘与金属密封唇缘相关联并且在瓣阀的流动方向上，具有到第一金属密封唇缘的距离，使得这两个金属密封唇缘在瓣阀的关闭位置中一起围住环形中空空间同时支承在配合密封面上，并且使得这两个金属密封唇缘的截面区域在这个环形中空空间的内部的方向上以倾斜和/或弯曲的方式延伸，其中，这两个金属密封唇缘由金属材料以增材法制作，并且具有适配局部需求的形状、弹性和硬度，并且这两个金属密封唇缘具有在圆周上分布的不同物理特性。由于前述类型的金属密封唇缘的使用，即，对于以增材法制作的金属密封唇缘的使用，可以首次精确地将两个协作的金属密封唇缘的相当特定的要求匹配至彼此，由此原则上有利的这个金属密封系统在实践中首次实现多用途。
附图说明
下文将基于附图更详细地说明本发明的示例性实施例，其中
图1示意性地示出了在流动方向上看的瓣阀的主视图；
图2示出了沿图1中的线A-A的截面；
图3示出了图2中的细节B和C的放大图，即，根据本发明的金属密封件在距枢转轴最大距离的圆周区域中；
图4示出了沿图1中的线D-D的截面；
图5示出了图4中的细节D和E的放大图，即，根据本发明的金属密封件在距枢转轴最小距离的圆周区域中；
图6、图7、图8和图9示出了金属密封件的不同圆周区域中的金属密封唇缘的多种可能的截面；
图10示出了穿过仅用于具有一个单个金属密封唇缘的金属密封件的金属密封唇缘的截面。
具体实施方式
在附图中，瓣阀整体上用附图标记1表示。瓣阀1(其可以被构建到管道中)例如具有阀壳体2，该阀壳体2配备有圆形流动通道3，阀盘4设置在圆形流动通道3的流动方向上，该阀盘4可以在流动通道3中围绕枢转轴5转动。紧固在阀壳体2外部上的枢转驱动器6用于使阀盘4围绕枢转轴5的移动。在附图中，阀盘4位于关闭位置，在关闭位置中，阀盘4完全关闭阀壳体2的流动通道3。
两个环形金属密封唇缘7a和7b被紧固到流动通道3的内圆周，这两个环形金属密封唇缘在流动通道3的流动方向上设置成彼此相距一个短距离并且在其间留有环形中空空间8。这两个金属密封唇缘7a和7b的截面在中空空间8的内部的方向上以倾斜或弯曲的方式延伸。
瓣阀1的阀盘4在其外圆周上配备有环形配合密封面9，其在所示的阀盘4的关闭位置中支承在环形金属密封唇缘7a和7b上。在所示的关闭位置中，这两个金属密封唇缘7a和7b经受弹性预载荷并且因此与阀盘4的配合密封面9一起形成更牢固的金属密封。
与所示的示例性实施例相比，还有可能相反地将金属密封唇缘设置在阀盘4的外圆周上并且将配合密封面设置在阀壳体2的流动通道3的内圆周上。此外，还有可能仅提供一个单一的金属密封唇缘而不是两个金属密封唇缘7a和7b。然而，如在引言中所解释的，仅具有一个金属密封唇缘的这种金属密封件于是仅在一个流动方向上以自增强的方式起效果。
根据本发明的教导，金属密封唇缘7a和7b由具有适配局部要求的形状、弹性和硬度的金属材料以增材法制作，并且具有分布在它们的圆周上的多种弯曲强度。
下文将基于图3和图5的比较说明该特定特征。图3示出了穿过在距枢转轴5最大距离的圆周区域中的金属密封唇缘7a和7b(即，图2中的细节B和C)的放大的截面。细节B和C的比较示出了金属密封唇缘7a和7b在这两个圆周区域中的几何形状和截面区域上明显地彼此不同。几何形状上的差异首先用于更好地适应在一方面金属密封唇缘7a和7b与另一方面配合密封面9之间的在打开和关闭过程期间发生的不同的相对移动。金属密封唇缘7a和7b的不同截面区域使它们的挠曲强度和质量与这些圆周区域中的特殊要求相匹配。在此，这些圆周区域中的质量的正确匹配的弹性和分布对于抵消在打开和闭合过程期间由这些圆周区域中的伯努利效应引起的特别强烈发生的共振振动是非常重要的。
相比之下，如图4和图5基于细节E和F示出的，距枢转轴5最小距离的圆周区域中的密封条件更简单。在这些圆周区域中，金属密封唇缘7a和7b于是可以构造为在形状和截面上彼此相等，并且有利地是薄的，因为相对于配合密封面9的相对运动准许这种构造，并且不太担心共振现象。进一步的优点在于，由于金属密封唇缘7a和7b与匹配的密封面9之间的摩擦较小，因此需要较小的闭合和分离扭矩。
最后，对于新金属密封件的功能性能而言进一步重要的是不同构造的圆周部分(比较以上一方面说明的细节B和C以及另一方面说明的细节E和F)在圆周方向上连续地过渡到彼此之中，这在增材制造中是没有问题的。只有通过这样的逐渐过渡，才能确保金属密封唇缘7a和7b均匀地完全环绕地支承在配合密封面9上。
图6、图7和图8示出了在增材制作方法中制作的并且能够用于不同圆周区域中的金属密封唇缘7a和7b的可能的截面形状的多种示例性实施例。图9示出了金属密封唇缘7a和7b的截面，其中，与配合密封面9接触的表面区域涂覆有软密封金属层10。
最后，图10示出了单独用于金属密封件的金属密封唇缘7的截面构型，该金属密封件仅配备有单个金属密封唇缘。

Claims (9)

1.一种用于瓣阀(1)的金属密封件，所述瓣阀(1)具有带有流动通道(3)的阀壳体(2)，阀盘(4)设置在所述流动通道(3)的流动截面中，使得所述阀盘(4)能够围绕枢转轴(5)在打开位置与关闭位置之间枢转，其中，能够彼此压靠的密封元件(7，7a，7b，9)设置在所述阀盘(4)的外圆周上和所述阀壳体的内圆周上，并且所述密封元件(7，7a，7b，9)具有至少一个环形金属密封唇缘(7，7a，7b)，所述环形金属密封唇缘(7，7a，7b)在关闭位置中通过弹性预载荷支承在相反定位的、同样环形的金属配合密封面(9)上，其中，
-所述金属密封唇缘(7，7a，7b)设置在所述阀盘(4)的外圆周上并且所述配合密封面(9)设置在所述阀壳体(2)的内圆周上，
-或者，所述配合密封面(9)设置在所述阀盘(4)的外圆周上并且所述金属密封唇缘(7，7a，7b)设置在所述阀壳体(2)的内圆周上，
其特征在于，
所述金属密封唇缘(7，7a，7b)是由金属材料以增材法制作的，所述金属材料具有适配于所述金属密封唇缘(7，7a，7b)的不同圆周区域的形状、截面几何形状和/或合金。
2.根据权利要求1所述的金属密封件，
其特征在于，
所述金属密封唇缘(7，7a，7b)具有圆周部分，其中，挠曲强度根据所述圆周部分相对于所述阀盘(4)的所述枢转轴(5)的距离而不同。
3.根据权利要求2所述的金属密封件，
其特征在于，
所述金属密封唇缘(7，7a，7b)的设置成距所述阀盘(4)的所述枢转轴(5)最大距离的圆周部分具有比所述金属密封唇缘(7，7a，7b)的设置成距所述枢转轴(5)最小距离的圆周部分更高的挠曲强度。
4.根据权利要求3所述的金属密封件，
其特征在于，
所述金属密封唇缘(7，7a，7b)在距所述阀盘(4)的所述枢转轴(5)最大距离的圆周部分中的截面区域具有比所述金属密封唇缘(7，7a，7b)在距所述阀盘(4)的所述枢转轴(5)最小距离的圆周部分中的截面区域更高的截面惯性矩。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的金属密封件，
其特征在于，
所述金属密封唇缘(7，7a，7b)的距所述阀盘(4)的所述枢转轴(5)最大距离的圆周部分具有比距所述阀盘(4)的所述枢转轴(5)最小距离的圆周部分更高的阻尼度。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的金属密封件，
其特征在于，
所述金属密封唇缘(7，7a，7b)的距所述阀盘(4)的所述枢转轴(5)最大距离的圆周部分由金属合金组成，所述金属合金的刚度大于组成所述金属密封唇缘(7，7a，7b)的距所述阀盘(4)的所述枢转轴(5)最小距离的圆周部分的金属合金的刚度。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的金属密封件，
其特征在于，
所述金属密封唇缘(7，7a，7b)的不同形成的圆周部分在所述金属密封唇缘(7，7a，7b)的圆周方向上逐渐过渡到彼此之中。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的金属密封件，
其特征在于，
所述金属密封唇缘(7，7a，7b)的与所述配合密封面(9)相接触的表面区域涂覆有软密封金属层(10)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的金属密封件，
其特征在于，
第二金属密封唇缘(7b)与所述金属密封唇缘(7a)相关联，并且在所述瓣阀(1)的流动方向上具有到所述第一金属密封唇缘(7a)的距离，使得两个金属密封唇缘(7a，7b)在所述瓣阀(1)的关闭位置中一起围住环形中空空间(8)同时支承在所述配合密封面(9)上，并且使得两个金属密封唇缘(7a，7b)的截面区域在所述环形中空空间(8)的内部的方向上以倾斜和/或弯曲的方式延伸。
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