DE1801113A1 - Kugelventil mit nachgiebigem Sitz - Google Patents
Kugelventil mit nachgiebigem SitzInfo
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- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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Description
DIPL.-ING. Dl EtER K. SPEISER 1801113
Aktenzeichen: Heuanmeläung 2a Bremen ι
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
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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 unterdrückenp 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
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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-
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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;
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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.
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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.
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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.
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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-
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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-
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- 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
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- 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-
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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.
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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
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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.
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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.
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BAE) ORIGINAL
Claims (9)
- Patentansprüche1» 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 zwischen9 0 9826/0827Kugel (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 6/0827BAB
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