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Die
Erfindung betrifft einen Kugelhahn nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 zum Absperren und steuerbaren öffnen
einer Rohrleitung.
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Aus
der
DE 199 40 471
A1 ist ein Kugelhahn bekannt, bei dem sowohl die Kugel-Eintrittsöffnung als
auch die Kugel-Austrittsöffnung unterschiedlich ausgebildete
Ausnehmungen aufweisen. Die Einlassöffnung hat einen an einen Teilkreisabschnitt
anschließenden
schlitzförmigen
Einschnitt, und die Austrittsöffnung
besteht aus zwei unterschiedlich großen dreieckigen Ausnehmungen.
Mit diesen besonderen Geometrien sowohl der Eintrittsöffnung als auch
der Austrittsöffnung
soll die Durchflussmenge des Kugelhahns steuerbar gemacht werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Durchflussmengenregelung
bei einem gattungsgemäßen Kugelhahn
weiter zu verbessern und insbesondere über einen größeren Bereich
zu linearisieren.
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Ein
gattungsgemäßer Kugelhahn
mit einem Gehäuse,
einer von außen
betätigbaren
Stellvorrichtung und einer Ventilkugel, die eine Austrittsöffnung mit
einem kreisförmigen Öffnungsabschnitt
und einem C-förmigen
ersten Endabschnitt aufweist, ist aus der
US 3 403 887 A bekannt.
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Gelöst wird
diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Kugelhahn durch die Merkmale
des Patentanspruchs 1.
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Die
Austrittsöffnung
hat speziell gestaltete Abschnitte, nämlich einen C-förmigen ersten
Endabschnitt, dessen Schenkelenden einen die maximale Weite der
Austrittsöffnung
bestimmenden Abstand haben. Dieser erste Endabschnitt ist wirksam in
der voll geöffneten
Stellung des Kugelhahns. An die beiden Schenkelenden des ersten
Endabschnitts schließen
sich jeweils Parallelabschnitte an. Diese Parallelabschnitte bieten
einen maximalen Öffnungsquerschnitt
und sind wirksam in der beginnenden und mittleren Phase des Absperrens.
Dabei wird nämlich die
Eintrittsöffnung
zunehmend geschlossen. Die an die Parallelabschnitte anschließenden abgewinkelten
Keilabschnitte verengen die Weite der maulartigen Austrittsöffnung und
begrenzen dadurch die Durchflussleistung. Diese Begrenzung der Durchflussleistung
durch die Austrittsöffnung
nimmt zu mit Fortschreiten der Schließbewegung der Armatur, da der
C-förmige erste
Endabschnitt und die Parallelabschnitte mit den maximalen Maulweiten
zunehmend geschlossen werden, während
die Keilabschnitte und der parabel- oder teilkreisförmige zweite
Endabschnitt den Austrittsquerschnitt zunehmend bestimmen und begrenzen.
Diese über
die Betätigungsmittel
steuerbare Öffnungs-
und Absperrfunktion an der Austrittsseite wird begleitet von einer
zunehmenden oder abnehmenden Abdeckung der kreisförmigen Eintrittsöffnung.
Denn die Erfinder haben festgestellt, dass die besondere Geometrie
der Austrittsöffnung
eine Verwendung der einfachen kreisförmigen Eintrittsöffnung ermöglicht und
die Regelfunktion der Durchflussmenge beim Verdrehen der Stellvorrichtung
in weiten Grenzen linearisiert ist.
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Ein
noch günstigeres
Regelverhalten lässt sich
unter Beibehalten der kreisförmigen
Eintrittsöffnung
dadurch erreichen, dass die Kugel mit einer kreisförmigen dritten Öffnung versehen
ist, deren Achse in der Symmetrieebene liegt und die Zentralachse
der Eintrittsöffnung
rechtwinkelig schneidet, wobei die dritte Öffnung in der Kugelwand zwischen
dem C-förmigen
ersten Endabschnitt der Austrittsöffnung und der Eintrittsöffnung angeordnet
ist. Vorzugsweise hat die dritte Öffnung den gleichen Öffnungsradius
wie die Eintrittsöffnung.
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Die
kreisförmige
dritte Öffnung übernimmt
einen Teil der Funktion einer Kugel-Eintrittsöffnung und ermöglicht dabei
eine noch bessere Nutzung der Geometrie der Austrittsöffnung;
denn die Eintrittsquerschnitte beeinflussen die Durchflussleistung
an der Austrittsöffnung
während
der Schlussphase der Absperrbewegung.
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In
Weiterbildung der Erfindung liegen sowohl der C-förmige erste
Endabschnitt als auch der parabel- oder kreisförmige zweite Endabschnitt der
Austrittsöffnung
in vorgegebenen Abständen
zur Zentralachse der Eintrittsöffnung.
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Weitere
Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht auf einen Kugelhahn, der äußerlich
herkömmlicher
Ausführung ist,
in dem jedoch die Merkmale der Erfindung realisiert sind;
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2 eine
perspektivische Darstellung auf eine Ventilkugel mit den erfindungsgemäßen Merkmalen;
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3 eine
Axialansicht auf die Ventilkugel mit Blick auf die Austrittsöffnung;
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4 eine
Draufsicht auf die Ventilkugel gemäß 2 und 3 mit
gestrichelt dargestellten Öffnungen;
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5 eine
Axialansicht auf die Ventilkugel in der gegenüber 4 entgegengesetzten
Richtung; und
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6 ein
Kurvendiagramm, das die Durchflussleistung des erfindungsgemäßen Kugelhahns über der
Winkelstellung des Stellglieds im Vergleich zu derjenigen eines
bekannten Kugelhahns veranschaulicht.
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Der
in 1 perspektivisch dargestellte Kugelhahn weist
ein Gehäuse 1 auf,
durch dessen weggebrochenen Teil die neue Ventilkugel 2 sichtbar
ist. Letztere ist mittels einer handbetätigbaren Stellvorrichtung unter
Zwischenschaltung von Dichtmitteln um eine Drehachse 4 drehbar
im Gehäuse 1 gelagert.
Das Gehäuse
ist in üblicher
Weise gestaltet und hat einen Einlass 5 und einen Auslass 6 zum
Anschließen
an passende Rohrleitungsabschnitte (nicht dargestellt).
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Die
Ventilkugel 2 ist an ihrer Oberseite mit einer Stellnut 20 versehen,
in die ein mit einer Welle der Stellvorrichtung 3 verbundener
Stellkeil unter Formschluss eingreift. Bei Drehen des Handgriffs 30 der
Stellvorrichtung wird die Ventilkugel 2 winkelsynchron
um die Drehachse 4 gedreht.
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Die
in 2 gegenüber 1 in
vergrößertem Maßstab perspektivisch
dargestellte Ventilkugel 2 hat drei Öffnungen 8, 9 und 10.
Diese sind mit einer Symmetrieebene 11 (3)
ausgerichtet und münden
in einer Kugelinnenkammer 12, die in der betrieblichen
Einsatzstellung der Ventilkugel von dem zu steuernden Medium durchströmt wird.
Die beiden Öffnungen 8 und 10 sind
jeweils kreisförmig
ausgebildet und haben übereinstimmende
Geometrien. Ihre Mittelachsen schneiden sich in der Drehachse 4.
Die Öffnung 8 bildet
die Haupteintrittsöffnung
und ist der als regulierbare Austrittsöffnung dienenden Öffnung 9 diametral
gegenüberliegend
angeordnet. Die Öffnung 9 hat
eine besondere Geometrie (auf die weiter unten Bezug genommen werden
wird); sie ist symmetrisch zur Symmetrieachse 11 angeordnet.
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Die
erfindungswesentlichen Geometrien und Anordnungen der drei Öffnungen 8, 9 und 10 werden nachfolgend
anhand der Ansichten in 3 bis 5 näher erläutert.
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Zunächst wird
auf 3 der Zeichnung eingegangen, in der eine Draufsicht
auf die Austrittsseite mit Austrittsöffnung 9 der Ventilkugel 2 dargestellt
ist. Die Austrittsöffnung 9 weist
einen C-förmigen
ersten Endabschnitt a auf. Dessen Schenkel bestimmen die maximale
Weite der Austrittsöffnung 9 und
gehen jeweils über
in einen Parallelabschnitt b. Jeder der Parallelabschnitte b geht über in einen
zur Symmetrieebene 11 abgewinkelten Keilabschnitt c. An
die Keilabschnitte c schließt
sich ein zweiter Endabschnitt d an, der entweder teilkreisförmig oder
parabelförmig
ausgebildet ist. Bei parabelförmiger
Ausbildung können die
Keilabschnitte c die Parabelschenkel bilden; bei teilkreisförmiger Ausbildung
des zweiten Endabschnitts d haben die Keilabschnitte c einen geraden
Verlauf. An den Übergängen zwischen
den Abschnitten b und c ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
eine Abrundung vorgesehen.
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Die
in der Ansicht gemäß 3 teilweise sichtbare
kreisförmige
Eintrittsöffnung 8 hat
eine fiktive zylindrische Hüllkurve,
die sich dem ersten Endabschnitt a der Austrittsöffnung 9 im Bereich
der Symmetrieebene 11 im wsentlichen annähert. Dagegen
springt zumindest der zweite Endabschnitt d über die Hüllkurven nach außen vor
und erweitert die Aus trittsöffnung 9 gegenüber der
Haupteintrittsöffnung 8.
Diese Gestaltung ist wichtig, um beim Schließen der Armatur durch Drehen
der Ventilkugel 2 im Uhrzeigersinn um die Drehachse 4 (3)
den Öffnungsquerschnitt
der Austrittsöffnung
geeignet zu reduzieren.
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In
der Draufsicht gemäß 4 sind
die Abmessungen der drei Kugelöffnungen 8, 9 und 10 sowie
deren relative Anordnung (um etwa 90° um die Drehachse 4 zueinander
versetzt) durch Phantomlinien dargestellt. Die Bohrungen der beiden
kreisförmigen Öffnungen 8 und 10 bestimmen
die Abmessungen der Kugelkammer 12. Der Einlauf zur Austrittsöffnung 9 ist
geeignet abgerundet, um Wirbel an den Übergängen zur Austrittsöffnung 9 in
Grenzen zu halten.
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Wie
in der Draufsicht gemäß 5 zu
erkennen ist, wird die Haupteintrittsöffnung 8 beim Drehen der
Kugel sukzessiv vom Gehäuse
abgedeckt und verkleinert. Gleichzeitig wird die zusätzliche
Eintrittsöffnung 10 in
den Bereich des stationären
Gehäuseeinlasses
geschwenkt und übernimmt
ab einem bestimmten Schwenkwinkel des Stellglieds 3 einen
Teil der Einlassfunktionen von der Haupteintrittsöffnung 8.
Währenddessen
wird der Bereich maximaler Weite der Austrittsöffnung (Abschnitte a und b)
zunehmend von der Gehäusewandung
abgedeckt (vgl. auch die in 1 schematisch
dargestellte Zwischenstellung der Ventilkugel 2). In der
Endphase der Absperrbewegung bleibt nur noch ein Restabschnitt der
Keilabschnitte c und der äußere Endabschnitt
d bei deutlich verringerter Maulweite geöffnet; die Austrittsmenge pro
Zeiteinheit wird daher entsprechend zunehmend gedrosselt, bis die
gesamte Austrittsöffnung 9 nach Drehen
des Stellglieds 3 um 90° geschlossen
ist.
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Langzeitversuche
haben gezeigt, dass die besondere Geometrie der Austrittsöffnung 9 (3) zu
einer günstigen
Linearisierung, d. h. zu einem steuerbaren öffnen und Schließen der
Armatur, beim Drehen des Stellglieds um 90° über einen großen Regelbereich
führt.
Eine deutliche Erweiterung des nahezu linearen Steuerbereichs der
Armatur und vor allem eine erhebliche Steigerung der Durchflussleistung
bei gleichem Armaturvolumen ergibt sich durch die Anordnung der
zweiten Eintritts öffnung.
Letztere wird erst in der letzten Stellphase vor der Absperrstellung
als Eintrittsöffnung
wirksam.
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In 6 ist
ein Diagramm dargestellt, das die Durchflussleistung der erfindungsgemäßen Armatur
im Vergleich zu derjenigen einer herkömmlichen steuerbaren Armatur
im Stellbereich von 90° zeigt.
Wie zu sehen ist, wird eine hohe und über weite Bereiche lineare
Zunahme der Durchflussleistung zwischen etwa 12% und 100%, entsprechend
10° bis 90°, des Stellbereichs
der Armatur erreicht. Die Stellleistung in der voll geöffneten Öffnung ist
besonders hoch.
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Im
Rahmen des Erfindungsgedankens sind verschiedene Abwandlungen möglich. So
kann es aus herstellungstechnischen Gründen zweckmäßig sein, auf die Abrundung
des C-förmigen
Abschnitts a der Austrittsöffnung 9 zu
verzichten und den Endabschnitt a in der Nähe der Symmetrieebene 11 geradlinig
verlaufen zu lassen. Die Parallelabschnitte b können gegenüber dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
zugunsten der Keilabschnitte c verkürzt sein, und der zweite Endabschnitt
d kann auf einen kleineren Radius reduziert werden. Die zusätzliche
Eintrittsöffnung 10 kann
bei Bedarf der Haupteintrittsöffnung 8 stärker angenähert werden,
was beispielsweise durch eine Winkelverringerung zwischen den Achsen
der beiden Eintrittsöffnungen 8 und 10 erfolgen
kann (statt 90° beispielsweise
70° bis
80°). Das
dargestellte Ausführungsbeispiel
zeichnet sich aber durch die besonders einfache Ausbildung der beiden
Eintrittsöffnungen
aus, die keine die Herstellungskosten erhöhende Einschnitte benötigen.
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Die
wesentlichen Komponenten der beschriebenen Armatur werden vorzugsweise
aus Kunststoff hergestellt. Kunststoff hat besonders günstige Bearbeitungseigenschaften
und ist entsprechend kostengünstig
und vielfältig
einsetzbar. Die beschriebenen vorteilhaften Funktionen und Eigenschaften
der Armatur sind aber materialunabhängig, so dass die Ventilkugel
auch aus anderen Materialien, z. B. Metall, gefertigt werden kann,
wenn die Einsatzbedingungen dies erfordern.