DE1801113A1

DE1801113A1 - Kugelventil mit nachgiebigem Sitz

Info

Publication number: DE1801113A1
Application number: DE19681801113
Authority: DE
Inventors: Priese Werner Klaus
Original assignee: Hills Maccanna Co
Current assignee: Hills Maccanna Co
Priority date: 1967-10-09
Filing date: 1968-10-04
Publication date: 1969-06-26
Also published as: US3497176A; DE1801113C3; DE1801113B2; GB1214660A

Description

DIPL.-ING. GÜNTHER EISENFÜHR

DIPL.-ING. Dl EtER K. SPEISER 1801113

PATENTANWÄLTE

Aktenzeichen: Heuanmeläung 2a Bremen ι

BORQERMEISTER-SMIDT-STR. 58

Anmeldername: HIEDS-McCanna Company (trinidad-haus)

TELEFON: (0421)913977 TELEGRAMME: FERROPAT

BREMER BANK 100 9072 POSTSCHECK HAMBURG 255767 UNS. ZEICHEN: H 98

DATUM: 3. Okt. 1968

HIItDS-McCAKlTA COMPANY, eine Gesellschaft nach den Gesetzen des Staates Delaware, Oarpenteraville, lllionois (V.St.A.)

Kugelventil mit nachgiebigem Sitz ..

Die Erfindung betrifft ein Kugelventil mit einem Ventilsits aus einem steifen und doch nachgiebigen Material, dessen ringförmige Dichtfläche an der weitgehend sphärischen Oberfläche der Ventilkugel anliegt.

Da die bisher bekannten Kugelventile verschiedene Anforderungen, die sn Ventile gestellt werden - z.B., im neuen Zustand darf keine Leckage vorhanden sein, die Stellkraft darf nicht untragbar groß sein und die !Fertigung muß wirtschaftlich sein -, nicht erfüllen, bietet sich ein starker Anreiz ein Kugelventil vorzuschlagen, das diese Eigenschaften besitzt. Die Hauptschwierigkeit entsteht daraus, daß infolge einer größeren Druckdifferenz des Mediums am Ventil bereits infolge eines geringfügigen Spalts oder eines kleinen Zwischenraumes zwischen der Ven tilkugel und der anliegenden Dichtfläche des Ventilsitzes

909826/0827

BAD ORIGINAL

eine Leckage entsteht.

Die bislang bekannten Kugelventile besitzen die Eigenschaft, infolge von Fertigungsungenauiglcäiten der Dichtfläche des Ventilsitzes zu lecken. Zwar werden diese Fertigungsungenauigkeiten mit der Zeit von der Ventilkugel abgetragen, aber normalerweise ist es im praktischen Betrieb nicht möglich eine Einlaufzeit zum Abtragen der llngenauigkeiten der Dichtfläche zuzulassen.

Der Ausweg, die Dichtfläche des Sitzes so genau zu fertigen, daß sie mit der Oberfläche der Veiitilkugel eine präzise Passung bilden, die geeignet ist, dis Leckage des fabrikneuen Ventils su unterdrücken„ ist vom l^?ertigungsverfahren her unwirtschaftlich. Der Ausweg die Lakkage dadurch zu unterdrücken_p daß die Kugel und" der Sits durch eine Kraft aufeinander gedrückt werden, so daß sich die Dichtfläche dos Sitzes der Kugel anpasst, hat den Kachteil,daß eich die Kugel nur schwierig drehen läßt,,

Aufgabe der Erfindung ist, ein Kugelventil mit einem Sitz aus nachgiebigem Material vorzuschlagen, dessen ringförmige Dichtfläche relativ zur benachbarten, äußeren Oberfläche der Kugel in einer örfindungsgemäßen Art so angeordnet ist, daß eine gute, leckagefreie Dichtheit des Ventils bereits bei der Inbetriebnahme gewährleistet ist, auch dann wenn die Dichtfläche nicht präzise gefertigt ist und wenn die Kugel und dis Dichtfläche des Sitzes nur mit demjenigen optimalen Druck aufeinandergeclrückt werden, der für eine normale,leckagefreie Dichtheit während der Lebensdauer des Ventils erforderlich ist und der so begrenzt ist, daß slit Drehung der Ventilkugel während der Bedienung ein vorteilhaft reduziertes Drehmoment erforderlich ist. Die bedeutenden Dichtungs- und Bsdienungsvorteile des vorgeschlagenen Kugelventile werden durch eine

909826/0827

neu&rtigs, dichtende.Anordnung der Dichtfläche des Ventilsitzes relativ säur Oberfläche der Ventilkugel erzielt. DieftDiehtflache des Ventilsitzes bildet eine Rotationsfläche mit im Radialschnitt konkaver Form, die in radialer Richtung mit der Kugeloberflache divergiert. Wobei die Divergenz mit fortschreitender Deformation der Sitzfläche durch die Kugel modifizierbar ißt·

Insbesondere besitzt die Dichtfläche des Ventilsitzes dee vorgeschlagenen Kugelventils, die als Rotationsfläche ausgeführt ist, im Radialschnitt gesehen ein konkave ^

m Krümmung, deren Radius rind Mittelpunkt so definiert sind, ^ daß die Xdclitberührung zwischen der Dichtfläche des Sitzes und der Kugel Mt e.iTwr Idiiie beginnt und danach mit fortschreitender Deformation des nachgiebigen Sitzes stetig breiter wird.

Ferner ist in dem vorgeschlagenen Enge!ventil die Ventilkugel unter dem Einfluß des Mediumdruckes bewegbar und der nachgiebige Sitz durch den von der Kugel aufgebrachten Druck verformbar, so daß sich die Breite der gegenseitigen Berührungsfläche zwischen der Eugsl und der Dichtfläche des Sitzes abhängig von dem von der Kugel aufgebrachten. Druck etwas ändert. ä

Schließlich ißt can vorgeschlagene Kugelventil, das die obei ,benehr!ebenen Vorzüge besitzt,konstruktiv einfach und fiir eine viirl:f.?ojhtaftliche Fertigung geeignet.

Die Erf ί.Μοηηβ .1st naclisteliend anhand e.inee bevorzugten Au«.i'ühriJji{5sbei&x)ieles in Verbindung mit äen i5eichnungen XäutoLct. En zeigt-:

Fig« 1 einen Iiängscclinitt einer Aunführungsform des er-

90 9826/082 7

gAD ORIGINAL

finäiingsgemäßen Kugelventile* j

l'^lig» 2 den radial, iängsverlaufenden Teilsehnitt 2-2 gemäß Fig. 1, der die geometrischen Beziehungen «ta beiden nachgiebigen Ventilsitze au den benachbarten Teilen der Ventilkegel darstellt, v/obei unterstellt ist, daß die Ventilkugeln noch nichts durch die aus dem Mediumdruck resultierende Kraft auBgelenlct ist 5

Fig. 3 einen Teilschnitt ähnlich. Fig. 2, der jeaoch die geometrischen Beziehungen der beiden Ventilsitz zu den benachbarten Teilen der Ventilkugel darstellt, nach dem die Ventilkugel infolge der aus dem Mediumdruck resultierenden Kraft etwas ver~ schoben worden ist ι

Fig. 4 den Teilschnitt 4-4 gemäß Fig. 3, der einen Bogenteil der Dichtfläche eines der Ventilsitze zeigt und aus dem die gegenseitige Berührungsfläche der Dichtfläche mit der benachbarten.Kugel-Oberfläche zu ersehen ist j

Fig. 5 den Teilechnitt 5-5 gemäß Fig. 2, ausgeführt Star lieh Fig. 4j

Fig. 6 einen Teilschnitt ähnlich dem rechten Teil der Fig. 2, derjedoch die geometrischen Beziehungen zwischen dem in Strömungsrichtung abwärts gelegenen Ventilsitz und der Ventilkugel zeigt, nach dem nach einiger Zeit der Ventilsitz infolge deο auf die Kugel wirkenden Druckes vollständig ausgelenkt worden ist;

909826/0827

BAB ORIGINAL

Pig. 7 den !Deilschnitt 7-7 gemäß Pig. 6, ähnlioh ausgeführt wie Pig. 4}

Pig. 8 einen radialen !Peilschnitt, der einen erfindungsgemäßen, typischen Ventilsitz in unbelastetem Zustand, gestützt von dem Ventilgehäuse, zeigt und der die Krümmung und die Anordnung der Dichtfläche des Ventilsitzes relativ zur äußeren Krümmung der Ventilkugel veranschaulicht.

Gemäß Pig. 1 "besteht die erfindungsgemäße Ausführungsform des Kugelventils 10 aus einer mit einer zentralen Bohrung versehenen Ventilkugel 12, die eine ausreichend angenähert sphärische ,äußere Oberfläche 14 "besitzt und die drehbar in einer Ventilkammer 16 angeordnet ist, die von ©inem Ventilgehäuse 18 gebildet wird. Das Ventilgehäuse 18 besitzt zwei Durchflußöffnungen 20 und 22, äie ~ mit der Ventilkammer 16 verbunden sind. Ia dieser Ausführungsform besteht das Ventilgehäuse 18 aus zwei Eadstiicken 24 und 26, die in den gegenüberliegenden Enden eines Mittelstückes 28 eingeschraubt sind.

Die Ventilkugel 12 ist gemäß Pig. 1 zwischen der Zustellung und der Auf-Stellung mittels eines Ventilzap-Xens 30 drehbar, der durch eine abgedichtete Zapfenbohrung 32 in die Ventilkammer 16 ragt und an seinem inneren Ende einen Mitnehmerkamm 34 besitzt, der derart in eine Mitnehmsrnut 36 der Ventilkugel 12 eingreift, daß die Kugel 12 die Preihsit besitzt sich unter dem Einfluß des Mediumdruckes ein gewisses Stück in Richtung einer der Diirchflußöffnungen 20 oder 22 zu bev/egen. Das äußere Ende des Ventilaapfens 30 ist mit einer geeigneten Stellvorrichtung, in dieser Ausführungsform ζ·Β, einem Handgriff 38, verbunden.

90 98 26/0 827

BAD ORIGINAL

Die sphärisch gekrümmte, äußere Oberfläche 14 der kugel 12 ist gleitend mit den beiden ringförmigen Ventil*?: Bitsen 40, 42 im Eingriff, die am Umfang der inneren Ea-*; den der zugeordneten Durchflußöffnungen 20, 22 angeordnet sind, die mit der Ventilkaiamer 16 in Verbindung stehen. Die Ventilsitze 40, 42 Bind aus einem Material hergestellt, das steif und doch nachgiebig ist. Steife und doch nachgiebige, polymerische Materialien xvarden bereits für Ventilsitze von Kugelventilen verwendet und können auch für die Herstellung der nachgiebigen Ventilsitze 40, 42 verwendet werden. Eines dieser nachgiebigen polymerischen Materialien, das üblicherweise für Kugelventile verwandet id.rd, ist Polytetrafluoräthylen, unter der Handelsmarke "Seflon" bekannt. Es wird unterstellt^ daß der Konstrukteur für die Sitze 40 und 42 unter der Berücksichtigung der Betriebsbedingungen des Kugelventils 10, d»h. der chemischen Eigenschaften, der Temperatur und des Druckes des Mediums, sowie weiterer für die Konstruktion von Ventilen für "bestimmte Anwaiiöungs zwecke zweckdienlicher Erwägungen ein Material mit optimal geeigneten Eigenschaften wählt.

In dem Ventil 10 sitzen gemäß Pig. 1 die Ventilsitze 40 und 42 in Eindrehungen 44 und 46 der inneren Enden der Endstücke 24 und 26 des Ventilgehäuses 18. In der Eindrehung 44 ist der Ventilsitz gemäß Pig. 2 von einer ersten Stützfläche 48 umgeben, die die radiale Dehnung des nachgiebigen Sitzes verhindert. Die der Ventilkugel 12 abgekehrte Stirnfläche 50 des Ventilsitzes 40 liegt an einer zweiten ringförmigen Stützfläche 52 an, die sich entlang der Stirnfläche 50 radial nach innen erstreckt, um die von der Ventilkugel 12 im Betrieb erzeugte, eingeprägte Jlxialkraft aufzunehmen.

90982 6/0827

BAD ORIGINAL

Gemäß !Fig. 2 liegt der radial außenliegende !eil 54 der zweiten ringförmigen Sitzfläche 52 flach an dem radial außenliegenden Teil der Stirnfläche 50 des Ventilsitzes 40 an, tun diesen in axialer Richtung zu fixieren· Der radial innenliegende Teil der Stirnfläche 50 des Sitzes 40 und der gegenüberliegende, radial innenliegende Seil der zweiten Stützfläche 52 sind relativ zueinander so geformt, daß sie radial nach innen divergieren. Dadurch entsteht, wenn die Vontilteile gemäß Pig. 2 zusammengebaut sind, ein Spiel 56 zwischen dem radial innenliegenden Teil der Stirnfläche 50 des Sitzes 40 und der Stütz- ^ fläche 52, das eine "begrenzte dynamische Verlagerung oder ein begrenztes Arbeiten dee Sitzes 40 v/ährend des Betrieben zuläßt.

In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist das Spiel 56 dadurch gegeben, daß der radial innenliegende Teil 58 der zweiten Stützfläche 52 die Form eines abgeschnittenen Kegels besitzt, der radial nach innen mit der benachbarten Stirnfläche 50 des Ventilsitzes 40 divergiert.

Eine dynamische Versetzung oder ein Arbeiten des radial innenliegenden Teils des Ventilsitzes 40 ist dadurch er- * leichtert, daß in die Stirnfläche 50 des Ventilsitzes 40, gegenüber der Ventilkugel 12, eine ringförmige Kerbe 60 eingearbeitet 1st. Die Kerbe 60 erstreckt sich ein beträchtliches Stück axial in den Körper des Ventilsitzes 40 und ist mitten zwischen der radial äußeren und radial inneren Peripherie dee Ventilsitzes 40, gemäß Pig. 2 vorzugsweise bei eindrittel des Abstandes von der äußeren zu der inneren Peripherie des Ventilsitzes 40 angeordnet.

9098 2 6/0827

Wie bereits erwähnt ist der Sitz 40 aus einem polymerischen Material hergestellt, das steif und doch nachgiebig ist. Die ringförmige Kerbe 60, die in die Stirnfläche 50 des Ventilsitzes 40 eingearbeitet ist, erleichtert in gewissen Grenzen die gewünschte dynamische Versetzung oder das Arbeiten des inneren Teils des Ventilsitzes 40 während des Betriebes.

Der Ventilsitz 42, der an der zugeordneten Seite der VentiUcugel 12 anliegt, ist spiegelbildlich zum Sitz 40 ge- m formt und auf die gleiche Art im Ventilgehäuse 18 gelagert wie der Sitz 40. Um eine Y/iederholung der auf den Ventilsitz 40 bezogenen Beschreibung zu vermeiden, sind die den Eigenschaften und Konstruktionsteilen des Ventilsitzes 40 entsprechendönEigenschaften und Konstruktionsteile des Ventilsitzes 42 mit den gleichen Bezugszahlen, jedoch mit dem zusätzlichen Index "a" gekennzeichnet.

In dem erfindungsgemäßen Ventil 10 sind die beiden nachgiebigen, polymerischen Ventilsitze 40, 42 vorgesehen, um bei geschlossenem Ventil an beiden Seiten der Kugel, der stromaufwärts liegenden und der stromabwärts liegenden _ Seite, eine Dichtwirkung zu erzielen und um die gewünsch- ^ te Dichtwirkung immer zu erzielen, ganz gleich in welcher Richtung der Differenzdruck des Mediums am Ventil ansteht.

Die beiden Ventilsitze 40 und 42 sind durch zwei ringförmige Dichtflächen 62 bzw. 64 auegezeichnet, die an der sphärisch gekrümmten Oberfläche 14 der Ventilkugel anliegen und die als Rotationsflächen um die den beiden Sitzen 40 und 42 gemeinsame Achse 66 definiert sind. Gemäß Fig. 2 sind die beiden Dichtflächen 62 und 64 relativ zu den Ventilsitzen 40 bzw. 42 schräg angeordnet und erstrecken sich jeweils über den größten Teil der vorhan-

909826/0827

denen Breite des zugeordneten Sitzes·

Gemäß Pig. 2 besitzen jede der Dichtflächen 62 und 64 eine konkave Krümmung, die der sphärischen Krümmung der jeweils benachbarten, äußeren Kugeloberfläche 14 angenähert ist, jedoch gemäß der folgenden Beschreibung auf die erfindungsgemäße Art relativ zu der Kugeloberfläche 14. angeordnet ist.

Die Dichtfläche 62 des Ventilsitzes 40, z.B.» ist relativ zu der sphärisch gekrümmten Kugeloberfläche 14 derart angeordnet, daß, wenn der Sitz unbelastet ist, gemäß Figo 8 die Anfangsberühruag zwischen der Dichtfläche 62 und der äußeren Kugeloberfläche 14 entlang einer ringförmigen Linie 68 nahe der einen Kante der Dichtfläche 62 erfolgt und anfänglich auf die Brtihrungslinie 68 beschränkt ist und die Dichtfläche 62 von. der Berührungslinie 68 aus stetig, radial nach außen von der Kugelfläche 14 divergiert.

Die ringförmige, gegenseitige Berührungsfläche der Dichtfläche 62 und der benachbarten Kugeloberfläche 14, die als MnienberUhrung beginnt, verbreitert aich danach stetig bezogen auf die Dichtfläche 62 in seitlicher Rieh- " tung und ändert dann stetig ihre Breite in Abhängigkeit der auf die Ventilkugel 12 und die Dichtfläche 62 wirkenden Dichtkraft.

Die Art, in der sich die gegenseitige Berührungsfläche der Dichtfläche 62 und der Kugeloberfläche 14 im laufe der Benutzung des Kugelventils 10 ändert, ist aus Pig. 2 bis 7 ersichtlich und wird nachfolgend detailiert beschrieben. Dabei ist unterstellt, daß die Anordnung und die Wirkung der Dichtfläche 64 des Ventilsitzes 42 re-

909826/0827

- ίο -

lativ zur Kugeloberfläohe 14 die gleichen sind, wie diejenigen, die zwischen der Dichtfläche 62 und der äußeren Kugeloberfläche 14 bestehen.

Die gewünschte Anordnung der Dichtfläche 62 relativ zur Kugeloberfläche 14 wird gemäß fig. 8 durch die entsprechende Wahl des Krümmungsradius und des Krünnaungsmittelpunktes der Dichtfläche 62 in Bezug auf den Radius der Kugelüberfläche 14 bzw. der Ventilsitz-Achse 66 erreicht· Im allgemeinen kann die gewünschte Divergenz in seitlicher Richtung zwischen der Dichtfläche 62 und der Kugeloberfläche 14 entweder» erstens, durch die Wahl eines Krümmungsradius der Dichtfläche 62, der im Radialschnitt gesehen von dem Krümmungsradius der Kugeloberfläche 14 abweicht, oder zweitens, durch die Anordnung des Krummungemlttelpunktes der Dichtfläche 62 außerhalb der Ventilsitz-Achse 66 oder,drittens, durch die Kombinierung eines Krümmungsradius der Dichtfläche 62, der von dem Krümmungsradius der Kugeloberfläche 14 abweicht, mit einer Anordnung des Krümmungßmittelpunktes der Dichtfläche 62 außerhalb der Ventilsitz-Achse 66 erreicht werden.

Die ringförmige Dichtfläche 62, die als Ganzes gesehen eine Rotationsfläche um die Ventilsitz-Achse 66 ist, ist durch die in Fig. 2, 3 und 8 dargestellte Krümmung und Anordnung relativ zur Kugeloberfläche 14 ausgezeichnet.

Ia der graphischen Darstellung gemäß Pig. 8, die die Dimensionierung der Krümmungsradien und die Anordnung der Krftnnungsmittelpunkte zur Erzielung des maximalen erfindungsgemäßen Nützen veranschaulicht, sind die Abweichungen von der Ventilsitz-Achse 66 "in Richtung" und "entgegen der Richtung" der Dichtfläche 62 als Abweichungen

909826/0827

- li -

in Richtung und entgegen der Richtung eines einzelnen Radialschnittß der Dichtfläche 62, wie z.B. in Fig. 8 dargestellt, zu verstehen*

Um die zur Erzielung der optimalen, erfindungsgemäßen Vorteile erforderliche Divergenz zwischen der Dichtfläche 62 und der Kugeloberflache 14 vorzugeben, sollte der Krümmungsradius der Dichtfläche 62, der im Radialschnitt gemäß Fig. 8 als "Sitzradius" bezeichnet ist, so dimensioniert werden, daß er mindestens gleich dem Radius "R" der äußeren Kugeloberfläche 14 und nicht größer als der 1,15-fache Radius der Kugeloberfläche 14 (1,15 R) ist. Gleichzeitig sollte die Abweichung des Krünimungsmittelpunktes der Dichtfläche 62 im Radialschnitt von der Ventilsitz-Achse 66 in Riohtung der Dichtfläche 62 nicht größer als das 0,104-fache des Radius der Kugeloberfläche 14 (0,104 R) sein. Ferner sollte im Radialschnitt die Abweichung des Exümmungsmittelpunktes der Dichtfläche 62 von der Ventilsitz-Achse 66 entgegen der Richtung der Dichtfläche 62 nicht mehr als das 0,09-fache des Krümmungsradius der Kugeloberfläche 14 (0,09 R) betragen.

Gemäß Fig. 8 werden die vollen erfindungsgemäßen Vorteile erreicht, wenn der Krümmungsmittelpunkt 70 der Dichtfläche 62 im Radialschnitt gesehen innerhalb eines Vierecke 72 nahe dem Mittelpunkt 74 der Ventilkugel 12 angeordnet ist.

In Fig. 8 ist die innenliegende Kante der Dichtfläche 62, entlang der die Berührung zwischen der Dichtfläche 62 und der Kugeloberfläche 14 beginnt, als "Mittelpunkt der Bögen" bezeichnet und durch die Bezugsziffer 76 gekenn-

90 98 26/082 7

zeichnet

Gemäß ffig, θ ist das bereits erwähnte Viereck 72, innerhalb dem der Kxümmungsmittelpunfct, 70 der Dichtfläche 62 liegt, an einer ersten Seite durch den ersten Bogen 80 begrenzt, dessen Krümmungsradius gleich dem Krümmungsradius R der Ventilkugel 12 ist und dessen Rrtünmungsmittelpunkt im Mittelpunkt der Bögen 76 liegt. Eine zweite Seite des Vierecks 72 ist durch einen zweiten Bogen 82 begrenzt,dessen KrlimmungBradius gleich dem l,^%15~fachen des Radius der Kugel 12, d.h. 1,15 R, ißt und dessen Krümmungemittelpunkt mit dem Mittelpunkt der Bögen 76 zusammenfällt. Eine dritte Seite 84 des Vierecks 72 erstreckt sich beaogen auf die Dichtfläche 62 in radialer Richtung zwischen dem ersten Bogen 82 und dem zvjeiten Bogen 82 und endet einerseits im Schnittpunkt des zweiten Bogens 82 mit der Achse 66 und andererseits im Schnittpunkt des ersten Bogens 80 mit der Parallelen 86 zur Achse 66, deren Abstand von der Achse 66 in Richtung der Dichtfläche 62 gleich dem 0,104-fachen des Kugelradiuo (0,104 R) ist. Eine vierte Seite 88 des Vierecks 72 erstreckt sich bezogen auf die Dichtfläche 62 in radialer Richtung zwischen dem ersten Bogen 80 und dem zweiten Bogen 82. " - ■

Die vierte Seite 88 ist eine Gerade, die durch einen Punkt 90 auf der Ventilsitz-Achse 66 läuft, der vom Mittelpunkt der Bögen 76 einen Abstand von 1,02 R hat. Die vierte Seite 08 schneidet den zweiten Bogen 82 im Schnittpunkt des zweiten Bogens 82 mit einer Parallelen 92 zur Ventilsitz-Achse 66, deren Abstand von der Achse 66 O₅09 R beträgt.

909826/082 7

Per durch die Lokalisierung des Krümmgemittelpunktes t 70 der Dichtfläche 62 in verschiedenen Punkten des Vierecke 72 erzielbare Divergenz-Bereich zwischen der Dichtfläche 62 und der Kugeloberfläohe 14 ist la fig· 8 graphisch dargestellt» die maximale Divergenz ist durch eine ausgezogene linie und die minimale Divergenz 1st durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Dabei wird unterstellt, daS die seitliche Krümmung und die Anordnung der Dichtfläche 64 relativ zur Kugeloberfläohe 14 die gleichen sind wie die bereits beschriebenen der Dichtfläche 62. I

Wie bereits erwähnt, beginnt die Berührung zwischen der Kugeloberfläche 14 und der Dichtfläche 62 entlang einer Linie 68 an der inneren Kante der Dichtfläche 62 und verbreitert sich stetig in Abhängigkeit von der Größe des Dichtdruekes zwischen der Dichtfläche 62 und der Kugeloberfläche 14*

Die bei der Hontage des Kugelventils 10 gemäß Pig. 2 und 5 eingestellte Breite der gegenseitigen Berührungsfläche der Kugeloberflache 14 und der Dichtfläche 62 ist durch die Bezugszahl 94 und in S¹Ig. 5 durch eine Schattierung und in Pig. 2 durch eine Klammer gekenn- * zeichnet. Gemäß Fig. 2 tritt die gleiche gegenseitige Berührungsfläche 96 sswischen der Kugeloberfläche 14 und der Dichtfläche 64 auf.

In Pig. 3 und 4 sind die Verhältnisse graphisch dargestellt, die auftreten, wenn das Kugelventil 10 gegen einen Differenzdruck des Mediums geschlossen ist, der die Kugel 12 strumungsabwärts in Richtung des Sitzes 42 verschiebt, der in diesem Pail auf der in Strömungsrichtung

909826/0827

abwärts liegenden Seite der Kugel 12 angeordnet ist. Der erhöhte !Druck der Kugel 12 auf den strömungsabwärtsgelegenen Sitz 42 hat eine Verbreiterung der gegenseitigen Beriihrungsfläohe der Kugeloberfläche 14 und der strömungsabwärtsgelegenen dichtfläche 64 zur Polge, die in Pig. 3 durch die Klammer 96a gekennzeichnet ist.

Gleichzeitig driickt die Spannung in dem stromaufwärtsgelegenen Sitz 40, gegebenenfalls verstärkt durch den Mediumdruck an der stromaufwartsgelegenen Seite der Ventilkugel 12, den radial innenliegenden Teil des Sitzes gegen die Kugeloberfläche 14, so daß eine Dichtung auf der strömaufwärtegelegenen Seite der Kugel 12 entsteht und aufrecht erhalten wird. Aufgrund der möglicherweise begrenzten, resultierenden Kraft, die den stromaufxrärtsgelegenen Sitz 40 gegen die Kugeloberfläche 14 driickt, kann die gegenseitige Berührungsfläche 94a zwischen der Kugeloberfläche 14 und der Dichtfläche 62 möglicherweise sehr schmal sein, wie aus der Schattierung 94a in Pig. und der ochioalen Klammer 94a in Fig. 3 ersichtlich ist.

Obwohl die resultierende Kraft, die z.B. die Dichtfläche 62 gegen die Kugeloberfläche 14 drückt;, möglicherweise sehr klein 1st, ist durch die Tatsache, daß diese Kraft infolge der bereits beschriebenen Anordnung der Dichtfläche 62 relativ zur Kugeloberfläche 14 auf eine sehr schmale Zone, beginnend als Xdnienbertihrung, konzentriert wird, der gegenseitige Druck zvrLschen der Dichtfläche und der Kugeloberfläche 14 entlang der gegenseitigen Berührungßzone ausreichend intensiv, um Fertigungeungenauigkeiten der Dichtfläche 62 des gegebenenfalls aus einem nachgiebigen polyrsrisohen Material hergestellten Ventilsitzes 40 auszugleichen und tatsächlich au eliminieren.

909826/0827

Dadurch werden Erhebungen auf der Dichtfläche 62 entlang der gegenseitigen Berührungsfläche der Dichtfläche 62 und der Kugeloberfläche 14 wirksam niedergedrückt, so daß jederzeit »auch wenn die die Kugel 12 gegen den Sitz 40 drükkende Kraft sehr begrenzt ist, eine wirksame Dichtung ge» währleistet ist.

Gemäß Fig. 3 wirkt die aus dem Mediumdruck resultierende, auf die Kugel 12 wirkende und auf den stromabwärtsgelegenen Sitz 42 übertragene Kraft eine Auslenkung des radial innenliegenden !Teils deB Sitzes 42 in das Spiel 56a.

Im allgemeinen nimmt die Verformung des stromabwärtögelegenen Sitzes 42 mit wachsendem Differenadruck des Msdi ms auf die Vontilkugel 14 und mit wachsender Betriebsdauer dee Kugelventile 10 au. Dadurch kami mit der Zeit und bei bestimmten Gelegenheiten das Spiel 56a an der Stirnfläche des stromabwärtsgelegenen Sitzes 42 vollständig verschwinden und die gegenseitige Beruhrungezone der stromabwärtsgelegenen Dichtfläche 64 und der Kuceloberfläche 14 sich über die gesamte Breite der Dichtfläche 64 erstrecken, wie aus der Schattierung 96b in Fig. 7 und der Klammer 96b In Fig. 6 zu ersehen ist. In diesem Zusammenhang sei abschließend bemerkt, daß die Faktoren Betrieb, Zeit und Kräfte des Medium-Druckes, die ausreichen um eine Ausbreitung der gegenseitigen Berührungsfläche zwiöchen der Kugel 12 und einer der Dichtflächen 62 bzw. 64 über die gesamte Breite der !Dichtfläche 62 bzw. 64 au bewirken, einsein oder kombiniert alle anfänglichen Pertigungsungenauigkeiten der Dichtfläche 62 bzw. 64 glätten und so eine leckagöfreie Dichtung zwischen der Ventilkugel 12 und dem Ventilsitz 40 bzw. 42 gewährleistea.

909826/0827

BAE) ORIGINAL

Claims

Patentansprüche

1» Kugelventil mit nachgiebigem Sitz, einem Ventilkörper mit einer inneren Ventilkammer und zwei Durchflußöffnungen, die mit der Kammer verbunden sind, einer zentral durchbohrten Ventilkugel zur Durchflußsteuerung» die drehbar innerhalb der Ventilkammer angeordnet ist und unter der Kraft des auf sie wirkenden Mediumdruckes drehbar ist und die eine grundsätzlich sphärische Hußere Oberfläche aufweist, weiterhin mit einem ringförmigen Ventilsitz aus nachgiebigem polymerischen Material, der das innere Ende einer der Darchflußöffnungen umgibt und mit einer ersten Stützvorrichtung, die den Ventilsitz umgibt sowie Betätigungsvorrichtungen, die mit der Ventilkugel verbunden sind und mit deren Hilfe die Ventilkugel zwischen der Auf- und der Zu-Steilung hin- und herbewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Stützvorrichtung (52) sich radial nach Innen entlang der der Ventilkugel (12) abgekehrten stirnfläche (50) der radialen Seite des Ventilsitzes (40; 42) erstreckt; daß zwischen dem radial innenliegenden Teil des Ventilsitzes (40} 42) und dem benachbarten
Teil (58) der zweiten Stützvorrichtung (52) normalerweise ein Spiel (56) besteht, wenn der Ventilsitz (40; 42) spannungsfrei ist; und daß der nachgiebige Sitz
(40; 42) eine ringförmige Dichtfläche (62; 64) hat, die als Rotationsfläche um die Ventilsitz-Achse (66) geformt ist und im Radialschnitt eine konkave Krümmung besitzt, die relativ zur weitgehend sphärischen äußeren Oberfläche (14) der Ventilkugel (12) derart angeordnet ist, daß bei einer leichten Berührung zwischen

9 0 9826/0827

Kugel (12) und Dichtfläche (62; 64) eine Linienberührung entlang der inneren Kante (68) der Dichtfläche (62; 64) entsteht und daß die Dichtfläche relativ zur Ventilsitz-Achse (66) seitlich nach außen von der Kugeloberfläche progressiv divergiert, und daß der radial innenliegende Teil des Ventilsitzes M40; 42) unter dem Einfluß der von der Kugel (12) auf den Ventilsitz (40; 42) übertragenen Kraft in Richtung der zweiten Stützvorrichtung (52) bewegbar ist, so daß sich die gegenseitige Berührung zwischen der weitgehend sphärischen Kugeloberfläche (14) und der Dichtfläche (62; 64) auf ein sich stetig verbreiterndes ringförmiges Band der ™ letzteren erstreckt.
2. Kugelventil rait nachgiebigem Sitz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsmittelpunkt (70) der konkaven Krümmung der Dichtfläche (62; 64) innerhalb eines Vierecks (72) nahe dem Mittelpunkt (74) der Ventilkugel (12) liegt, dessen eine Seite durch einen ersten Bogen (80) mit einem Krümmungsradius, der gleich dem Radius der Kugeloberfläche (14) ist, und einem Krümmungsmittelpunkt, der in einem Mittelpunkt der Bögen (76) liegt, welcher mit der inneren Kante (68) der Dichtfläche (62; 64) zusammenfällt, begrenzt wird und das ei- λ ne zweite Seite besitzt, die durch einen die Ventilsitzachse (66) schneidenden, zweiten Bogen (82) mit einem Krümmungsradius, der gleich dem 1,15-fachen Wert des Radius der Kugeloberfläche (14) ist und einem Krümmungsmittelpunkt, der im Mittelpunkt der Bögen (76) liegt, begrenzt wird.

909826/08 27
3. Kugelventil mit nachgiebigem Sitz nach Anspruch, 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Viereck (72) eine dritte Seite (84) besitzt, die sich relativ sur Dichtfläche (621 64) weitgehend radial zwischen dem ersten Bogen (80) und dem zweiten Bogen (82) erstreckt» die den zweiten Bogen (82) in der Ventilsitz-Achse (66) schneidet und die den ersten Bogen (80) in Richtung der Dichtfläche (62$ 64) in einem Abstand von der Ventilsitz-Achse (66) schneidet, der gleich dem 0,104-fachen des Radius der Ventilkugel (12) istι und daß das Viereck (72) eine vierte Seite (88) besitzt, die sich weitgehend parallel zur dritten Seite (84) radial zwischen dem ersten Bogen (80) und dem zweiten Bogen (82) erstreckt und die di© Ventilsits-Achse (66) in einem Punkt(90) schneidet, der ma das 1,02-fache des Radius der Kugeloberflache (14) von dem Hittelpunkt der Bögen (76) entfernt ist, und die den zweiten Bogen (82) entgegen der Richtung der Dichtfläche (62j 64) in einem Abstand schneidet, der gleich dem 0,09-fsehen des Radius der Kugeloberfläche (14) ist.
4. Kugelventil mit nachgiebigem Sitz nach Anspruch 1, öadurch gekennzeichnet, daß der Srümmungsradius der Dichtfläche (62; 64) größer als der Radius der äußeren Ku~ geloberflache (14) ist.
5. !Kugelventil mit nachgiebigem Sitz nach Anspruch 4# dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der Dichtfläche (62j 64) nicht größer ist, als das 1,15-fache des Radius der Kugeloberfläche (14).
6· Kugelventil mit nachgiebigem Sitz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet„ daß der Krümmungsmittelpunkt der Dichtfläche (62 j 64) im Radialsohnitt bezogen auf die
909826/0827
Dichtflache (62; 64) in einem Abstand liegt, der in der Richtung der Pichtflache (62; 64) durch eine Parallele zur Ventilsitz-Achse (66), deren Abstand von der Ventilsitz-Achse (66) das 0,0104-fache des Radius der Kugeloberflacks (14) beträgt und entgegen der Richtung der Dichtfläche (62; 64) durch eine Parallele zur Ventilsitz-Achse (66) deren Abstand von der Ventilsitz-Achse (66) das 0,09-fache des Radius der Kugeloberflache (14) beträgt, begrenzt ist.
9 0982 6/0827

^BAB