DE1775900C3 - Drosselklappenventil für cryogene Medien - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Drosselklappenventil für cryogene Medien mit einem ringförmigen, den Strömungsquerschnitt definierenden Gehäuse und einer scheibenförmigen, an ihrer Umlangsfläche als Kugelfläche ausgebildeten Ventilklappe, die in ihrer Schließstellung an einer im Gehäuse an desten Innenumfang angeordneten, mii sinkender Temperatur zunehmend radial einwärts beaufschlagten Dichtlippe anliegt und die parallel aber in Längsrichtung verletzt angeordnet ist zu der quer zur Strömungsrichtung verlaufenden, im Gehäuse befestigten Drehachse der Ventilklappe.

Bei derartigen Drehklappenventilen ergibt sich insbesondere bei extrem tiefen Temperaturen die Schwierigkeit, daß die für die Bildung der Dichtlippe verwendeten Werkstoffe Eigenschaften .annehmen, die eine txakte Abdichtung in Verbindung mit der thermischen Verformung sehr schwierig werden lassen.

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Stand der Technik, wie er durch die US-PS 29 88 320 gegeben Und einleitend als bekannt vorausgesetzt ist. Diese US-Patentschrift befaßt sich in ählicher Weise wie die hier vorliegende Erfindung mit dem Problem, ein »Einfrieren« der Dichtlippe in einer unrunden Form zu verhindern, wenn die Drosselklappe geöffnet ist und das Ventil zur Steuerung von Strömungsvorgänger! bei Strö- ^ft5 mungsmedien mit sehr tiefer Temperatur verwendet, wird. Da die Umfangsfläche der Vcntilklappe: bei diesem Stand der Technik einen Teil einer Kugelfläche bildet und die Drosselklappe um die Achse dieser Kugelfläche in die Offenstellung gedreht wird, liegt die Umfangsfläche stets an zwei Punkten an der Dichtlippe des Drosselklappenventils an. Wenn nun nicht besondere Maßnahmen ergriffen wurden, würde die Umfangsfläche auch in der völlig geöffneten Stellung der Drosselklappe an zwei Punkten an der Dichtlippe anliegen. Wenn dann ein Strömungsmedium sehr tiefer Temperatur durch das Ventil geleitet würde, würde die Dichüippe einfrieren, d. h. sie würde ihre Elastizität verlieren und an den zwei in Rede stehenden Punkten würde die Dichtlippe Ausbeulungen aufweisen.

Um eine Belastung der Dichtlippe an lediglich zwei Punkten zu vermeiden und um damit ein Einfrieren der Dichtlippe im ausgebeulten Zustand zu verhindern, wenn das Drosselklappenventil vollkommen geöffnet ist, ist beim Gegenstand der genannten US-Patentschrift ein kugelringfürmiger Abschnitt an dem Ventilglied vorgesehen, der sich dann, wenn sich die Ventilklappe in der Offenstellung befindet, an der Dichtlippe anliegt und diese somit davor bewahrt, in einem ausgebeulten bzw. unrunden Zustand einzufrieren.

Eine solche Lösung ist insbesondere deswegen nachteilig weil die hier interessierenden Drosselklappenventile, die zur Regelung von Strömungsmedien äußerst tiefer Temperaturen eingesetzt werden, hauptsächlich in der Raketentechnik Verwendung finden, wo es ganz besonders auf Gewichtseinsparungen ankommt Außerdem soll das Einfrieren der Dichtlippe in einer unrunden Form nicht nur bei völlig geöffnetem Drehklappenventil verhindert werden, wie dies bei dem genannten Stand der Technik der Fall ist.

Im Bemühen darum, bei Drosselklappenventilen im wesentlichen der angegebenen Gattung ein Einfrieren in der unrunden Form zu verhindern, ist es in den US-Patentschriften 28 93 682 und 29 80 388 aufgezeigt worden, daß man den zur Drehachse der sphärisch ausgebildeten Ventilklappe parallelen Durchmesser der Kugelfläche so exzentrisch anordnen kann, daß die Ventilklappe beim Verdrehen in die Offenstellung eine geringe Verschiebung in Axialrichtung von der Dichtlippe weg erfährt.

Da die erwähnte Axialverschiebung der Ventilklappe nur sehr gering sein kann, reichen die dazu vorgesehenen Maßnahmen zur Vermeidung des Einfrierens insbesondere dann nicht aus, wenn die Dichtlippe wie bei der gattungsbildenden Art zur Erhöhung und zur Sicherstellung der Dichtwirkung durch eine temperaturabhängige Feder radial nach innen beaufschlagt wird.

Es ist daher die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein Drosselklappenventil der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, daß auch bei Verwendung von radial einwärts federbeaufschlagten Dichtlippen stets ein Einfrieren der Dichtlippe im ausgebeulten Zustand verhindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zur Drehachse der Ventilklappe parallele Durchmesser der Kugelfläche gegenüber der Drehachse exzentrisch angeordnet ist in einer Weise, daß beim Verschwenken der Ventilklappe in die Offenstellung parallel zur Strömungsrichtung die Ventilklappe von der Dichtlippe axial fort bewegt wird, wobei die Dichtlippe durch einen innenliegenden Stützring im Hinblick auf ihre radiale Einwärtsbewegung beschränkt ist.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird die Radialeinwärtsbewegung der Dichtlippe, die unter der Kraft einer Metallfeder einerseits und durch die Ver-

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formung auf Grund der herrschenden Tieiittemperaiuren andererseits eintritt, begrenzt. Obwohl kein sphärischer Ringabschnitt an der Drosselklappe vorgesehen ^:M, kann dennoch eine radial einwärts federbeaufschlagte Dichtlippe vorgesehen werden, ohne daß befürchtet werden muß. daß sich die Dichtlippe an die Drosselklappe an zwei Punkten anlegt und somit im ausgebeulten Zustand einfriert. Denn der innenliegende Stutzring definiert für die Dichilippe eine exakte Begrenzung ihrer Einwärtsbev.egung, was beim Gegenstand der US-PS 28 93 682 nicht möglich ist.

Durch die erfindungsgemaße Anordnung wird darüber hinaus eine an sich elastische Dichtlippe vorgesehen, bei der der elastische Teil /wischen einer Stüt/anordnung und einer Federanordnung so eingespannt ist. daß er /war elastisch nachgeben kann, andererseits aber seine Grundstellung entsprechend der Temperatur proportional der thermischen Verformung der Ventilkluppe verformen und daher auch bei Aufhebung der Elastizität eine sichere Abdichtung erzielen Kann. »

Vorzugsweise ist der Stm; ring im Querschnitt L-förmig ausgebildet, gegen dessen in Axialrichtung verlaufenden Abschnitt die Dichtlippe durch einen temperaturabhängigen Federring beaufschlagt wird. Durch diese Ausbildung wird erreicht, daß die Dichtlippe bei ab- :> nehmender Elastizität zunehmend stark in Radialeinw;--tsrichtung beaufschlagt wird.

'lließlich ist der Stützring durch axial wirkende, am Umfang verteilt angeordnete Druckschrauben gegen die Dichtlippe einstellbar beaufschlagbar. Durch diese Maßnahme wird es möglich, beim Zusammenbau cies Drosselklappenventils geringfügige Unregelmäßigkeiten der Dichtlippe auszugleichen und somit eine vollständige Abdichtung des Ventils zu erreichen.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im nachfolgenden an Hand der Figuren erläutert. In diesen ist

F i g. 1 ein Schnitt durch das erfindungsgemaße Drosselklappenventil, wobei auch die Betätigungsvorrichtung angedeutet ist,

F1 g. 2 ein Axialschnitt in vergrößertem Maßstab durch die Lagerungs- und Dichtungsanordnung für die Ventilklappe,

F 1 g. 3 eine Ansicht ähnlich der F i g. 2, wobei die Ventilkiappe jedoch in der offenen Stellung dargestellt ist.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drosselklappenventils ist in F i g. 1 gezeigt. Das Drosselklappenventil kann als eine kompakte, schmale oder dünne Baugruppe ausgeführt werden, die geeignet ist, zwischen den mit Flanschen 11, 12 versehenen Enden von Rohren 13 und 14 angeordnet zu werden, wobei Strömungsmittel von verschiedenen Eigenschaften iiindurchgeleitet werden können.

Das in den Rohren 13 und 14 geführte Strömungsmittel kann Gas oder Flüssigkeit unter hohen oder niedrigen Drücken sein und verschiedene Temperaturen haben. Das Drosselklappenventil ist besonders zur Verwendung mit cryogenen Strömungsmitteln geeignet, z. B. flüssigem Wasserstoff, flüssigem Stickstoff u.dgl., die nur bei sehr tiefen Temperaturen beständig sind.

Das Drosselklappenventil kann im allgemeinen ein Ventilgehäuse 20 aufweisen, eine im Gehäuse an der Stromabwärtsseite vorgesehene Dichtlippenanordnung (15 21, eine Ventilklappe 22, die hohen Drücken widerstehen kann, während sie in der Offenstellung eine maximale Strömungsfläche freigibt, eine im Ventilgehäuse für das Ventilklappengliecj vorgesehene Lageranordnung 23 sowie eine Betätigungseinrichtung 24, mit der das Ventilklappenglied geöffnet und geschlossen werden kann.

Das Ventilgehäuse 20 kann einen Ring oder ein ringförmiges Glied 26 mit einem Außendurchmesser enthalten, der annähernd der gleiche ist wie der Außendurchmesser der Flansche 11 und 12 und der einen Innendurchmesser hat, der annähernd d>_r gleiche im wie der Innendurchmesser der Rohre 13 und 14. Das Strömungsmittel fließt im Inneren 27 des Rohres in der Richtung, wie sie in F i g. 1 gezeigt ist. Die Abschlußflachen 28 und 29 des ringförmigen Gliedes 26 können so gestaltet sein, daß die Abdichtung der Verbindung bei 15 und 16 mit den Flanschen 11 und 12 erleichtert wird. Es ist darauf hinzuweisen, daß das ringförmige Glied 26 verhältnismäßig dünn ist. d.h. seine Abmessung in Axialrichtung ist wesentlich geringer als sein Innen durchmesser. Es kann aus einem geeigneten Metall hergestellt sein, was von den Eigenschaften des Strömungsmittel abhängt. Für cryogene Strömungsmittel kann das Glied aus ros'frciem Stahl od. dgl. hergestellt sein.

Die Dichtlippenanordnung 21 wird von dem ringförmigen Glied 26 in einer ringförmigen vergrößerten Aussparung 31 getragen und erstreckt sich von der rückseitigen Abschiüßfläche 29 des ringförmigen Glie-Jes 26 aus. Die Dichtlippcnanordnur.g 21 weist ein ringförmiges Dichtungsglied oder einen Dichtring 32 auf. der eine radial einwärts verlaufende Dichtlippe 33 besitzt /ur Dichtungsberührung mit der Kugelfläche 35 an de,· Vcmilklappe 22 in der Ventilschließstellung, wie dies bei 34 angedeutet ist und wie es nachfolgend geii.iuer beschrieben wird. Die Dichtlippe 33 verläuft von einer gestuften Aussparung 36 aus, die in dem ringförmigen Glied 36 gebildet ist. Der Dichtring 32 enthält einen zentralen zylindrischen Tragteil 37. der koaxial mit Bezug auf die Achse der Dichtlippenanordnung angeordnet ist, wobei der Tragteil 37 aus einem Stück mit der Dichtlippe 33 und mit einem radial auswärts verlaufenden Halte- oder Befestigungsteil 38 besteht, der mit einer axial gerichteten ringförmigen Rippe 39 versehen ist, die in eine ringförmige Nut 40 in der Aussparung 36 in dem Ventilgehäuse 20 zum Festhalten des Dichtungsringes 32 aufgenommen ist. Der Halteteil 38 und die Rippe 39 werden durch einen im Querschnitt allgemein L-förmigen Stützring 42 abgedeckt und zurückgehalten, wobei ein radial verlaufender Schenkel 43 des Stützringes 42 dazu dient, den Halteteil 38 des Dichtungsringes festzulegen, während der im wesentlichen axial verlaufende Schenkel 44 dazu dient unter den zylindrischen Tragteil 37 zu greifen und einen scheibenförmigen Raum zwischen der Kante 45 am Schenkel 44 und der gegenüberliegenden Fläche an dem ringförmigen Glied 26 zu bestimmen, durch welchen sich die Dichtlippe 33 erstreckt. Die Kante 45 begrenzt die Verschiebung der Dichtlippe 33 in einer axialen bzw. stromabwärts gerichteten Richtung, während der Schenkel 44 die Bewegung der Dichtlippe 33 radial einwärts begrenzt.

Die Dichtlippenanordnung 21 enthält auch eine ringförmige Metallfeder 47, die zwischen dem Halteteil 38 und einer ringförmigen Rippe gehalten werden kann, die durch eine ringförmige Nut 40 bestimmt ist. Die Feder 47 hat einen radial nach einwärts und axial verlaufenden Teil 47a, der sich gegen die Dichtlippe 33 an ihrer radial äußersten Oberfläche anlegt. Die Feder 47 sucht auf diese Weise die Dichtlippe 33 radial nach ein-

wiirts zu drängen wahrend eine Verschiebung der Dichtiippe in einer axialen Richtung durch die gegenüberliegenden Flächen des ringförmigen Glieds 26 und die Kante 45 des Stützringes 42 begrenzt und eingeschränkt ist. s

Der Stützring 42 kann gegen den Dichtring 32 und unter einem gewählten eingestellten Unifangsdruck mittels eines Druckringes 50 gepreßt werden, wobei der Druckring 50 mittels eines Gewindes 51 in dem ringförmigen Glied 26 eingeschraubt ist. Der Druckring weist eine Anzahl von mit Gewinde versehenen, am Umfang mit Abstand voneinander angeordneten Bohrungen 52 auf, in denen Druckeinstellschrauben 53 vorgesehen sind. Jede Einstellschraube 53 kann, wie bei 54 angedeutet ist, mit der Rückseite des Stützringes 42 is Druckberührung haben.

Es ist leicht ersichtlich, daß durch die Druckschrauben 53 auf den Stützring 42 ein gleichmäßiger Druck ausgeübt werden kann oder daß der Druck an besonderen Stellen etwas verändert werden kann, so daß Unregelmäßigkeiten an den Dichtflächen oder der Dichtlippe durch unterschiedliche Druckausübung ausgeglichen werden können, um für eine vollkommene Abdichtung zu sorgen. In diesem Zusammenhang ist aus F i g. 2 ersichtlich, daß der Stützring bei 56 in einer etwas vertieften ringförmigen Ausnehmung radial nach auswärts von der Nut 40 sitzt. Da die Druckschrauben 53 die Rückseite 54 des Stützringes radial einwärts von 56 berühren, können Druck- oder Momentkräfte an gewählten Stellen längs des Stützringes aufgebracht werden, die die Dichtlippe 33 zwischen der Kante 45 und der gegenüberliegenden Fläche des Gehäuses einschließen. Auf diese Weise wird die Bewegung der Dichtlippe wegen des nachgiebigen Materials der Dichtlippe in der Axialrichtung weiter eingeschränkt und in eine radiale Richtung übersetzt zur stärkeren Dichtungsberührung mit der Fläche 35 der Ventilklappe.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Ventilklappe 22 zur Anwendung bei unter hohem Druck stehenden Strömungsmitteln konstruiert. Die Ventilklappe 22 kann ein Paar von in Abstand angeordneten parallelen kreisförmigen Wänden 60 aufweisen, die durch einen zentralen, diametral angeordneten Steg 61 untereinander verbunden sind, der im allgemeinen senkrecht zu der durch die Stummelwellen 62 und 63 bestimmten Achse liegt. Wie am besten in F i g. 2 zu sehen ist, besitzt der Steg 61 entgegengesetzte konkave Flächen 65, die sanft in die lnnenoberfläche 66 der Wände 60 übergehen, und er ist an seinen Enden bei 67 abgeschärft oder verjüngt, um eine Störung der Strömung auf das geringste zu vermindern.

Jede Fläche 35 der Ventilklappe 22 ist als ein sphärischer Sektor einer Kugel ausgebildet, die einen Radius hat, der im wesentlichen dem Innenradius der Rohre äquivalent ist. |ede Kugelfläche 35 kann mit einer Umfangsnut 75 versehen sein, die mit Abstand einwärts von der stromabwärts gelegenen Fläche der Wand 60 angeordnet ist. Die Dichtlippe 33 berührt die konvexe Fläche 35 zwischen der Nut 75 und der stromabwärts gelegenen Fläche der Wand 60, so daß wenn das Ventilglied zwischen der offenen und der geschlossenen Stellung bewegt wird, die Dichtüppe 33 sanft in die dichtende Stellung übergeführt wird.

Während der Radius der Kugelfläche 35 im wesentlichen der gleiche ist wie der Radius der Innenfläche 27 des Rohres, ist der Innenradius der Innenkante der Dichtlippe 33 etw;as geringer als der Radius der Innenfläche 27 des Rohres und der Kugelfläche 35. Eine durch die Berührungslinie der Dichtlippe 33 mit der Kugelfläche 35 hindurchgeführte Querebene würde eine solche Berührungslinie zeigen, die einen etwas größeren Radius hat als der Radius des Kreises, der die stromabwärts gelegene Fläche der Wand 60 bestimmt. Diese Verhältnisse sind wichtig, weil die Ventilklappe 22 eine Achse V aufweist, die in versetzter oder exzentrischer Beziehung zu der Achse S der Stummelwellen 62 und 63 steht. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Achse S stromaufwärts und seitwärts von der Achse V und unter einem Winkel verschoben, der nicht größer ist als etwa 45", und zwar gemessen in einer Ebene, die Längs durch das Rohr und die Achse 5 hindurchgeht. Wenn die Ventilklappe aus der geschlossenen Stellung, in der die Dichtlippe 33 abdichtend an der Kugelfläche 35 anliegt, um 90° in die geöffnete Stellung gedreht wird, wird die Kugelfläche 35 zusammen mit der Ventilklappe etwas stromaufwärts verschoben oder verstellt, so daß die Dichtlippe 33, die nun quer zu der Kugelfläche 35 liegt, von der Kugelfläche 35 einen gewissen Abstand einnimmt. Diese Verhältnisse sind am besten in der F i g. 3 zu sehen.

Die Ventilklappe 22 ist über eine Kerbzahnverbindung 70 und 71 mit den Stummelwellen 62 und 63 verbunden. Die Wellen 62 und 63 sind in einer Lageranordnung 77 angeordnet, die in diametral gegenüberliegenden Bohrungen 78 vorgesehen ist, die in dem ringförmigen Glied 26 gebildet sind.

Eine Betätigungsvorrichtung 24 ist oben auf dem Ventil vorgesehen. Sie dient dazu, die Ventilklappe 22 über 90° aus der geschlossenen in die offene Stellung und umgekehrt zu drehen. Wenn die Ventilklappe 22 durch die Betätigungsvorrichtung 24 zwischen der offenen und der geschlossenen Stellung hin- und hergedreht wird, ändert sich die relative Stellung der Dichtlippe 33 und der Ventilklappe 22 derart zueinander, daß wenn die Ventilklappe 22 sich in der Offenstellung befindet, die Dichtlippe außer Berührung mit der Kugelfläche der Ventilklappe ist, wie dies vorher beschrieben wurde.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Drosselkiappementil für crvogene Medien mti einem ringförmigen, den Stromungsquerschnitt definierenden Gehäuse und einer scheibenförmigen, an ihrer Umfangsfläche als Kugelfläche ausgebildeten Vcntilklappe, die in ihrer Schließstellung an einer im Gehäuse an dessen Innenumfang angeordneten, mit sinkender Temperatur zunehmend radial einwärts beaufschlagten Dichtlippe anliegt und die parallel aber in Längsrichtung versetzt argeordnet ist zu der quer zur Strömungsrichiung verlaufenden, im Gehäuse befestigten Drehachse der Ventilklappe, dadurch gekennzeichnet. daU der zur Drehachse (S) der Ventilklappe (22) parallele Durchmesser (V) der Kugelfläche (35) gegenüber der Drehachse (S) exzentrisch angeordnet ist in einer Weise, daß beim Verschwenken der Ventilklappe in die Offenstellung parallel zur Strömungsrichtung die Ventilklappe von der Dichtlippe (33) axial fortbewegt 'vird, wobei die Dichtlippe durch einen innenliegenden Stützring (42) im Hinblick auf ihre radiale Einwärtsbewegung beschränkt ist.

2. Drosselklappenventil nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (42) im Querschnitt L-förmig ausgebildet ist. gegen dessen in Axialrichtung verlaufenden Abschnitt die Dichtlippe (33) durch einen temperaturabhängigen Federring (47) beaufschlagt w ird jo

3. Drosselklappenventil nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (42) durch axial wirkende, am Umfang verteilt angeordnete Druckschrauben (53) gegen die Dichtlippe einstellbar beaufschlagbar ist.