DE19959109A1 - Stellgerät - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Stellgerät mit einem im Gehäuse 1 angeordneten metallischen Sitzring 2 und einem mit diesem Sitzring 2 zusammenwirkenden doppelexentrisch angeordneten, einen Schließteller aufweisenden schwenkbaren Schließkörper 3, wobei entweder der metallische Sitzring 2 oder der Schließteller 3.1 eine schräg konische Sitzkontur aufweisen (triexzentrisches Stellgerät). Der Schließkörper 3 besteht aus einem Schließteller 3.1, der über zwei Stützen 3.2 mit zwei doppelexzentrisch angeordneten Wellenteilen 4 verbunden ist. In Wirkverbindung mit der schräg konischen Sitzkontur wird durch die doppelexzentrisch angeordneten Wellenteile 4 eine Triexzentrizität erreicht, wodurch das erfindungsgemäße Stellgerät nahezu reibungsfrei geöffnet bzw. geschlossen werden kann. Die besondere Gestaltung des Schließkörpers 3 bewirkt, daß der Schließkörper 3 im geöffneten Zustand vollständig aus dem Strömungsbereich des strömenden Mediums ausgeschwenkt ist, was neben günstigen strömungstechnischen Eigenschaften zur Molchbarkeit des erfindungsgemäßen Stellgerätes führt. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Stellgerät kann auch nach längerem Verharren in einer bestimmten Stellung ruckfrei und mit geringem Drehmoment betätigt werden. Es ist sowohl als Absperr- als auch als Regelarmatur einsetzbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Stellgerät mit einem im Gehäuse angeordneten metallischen Sitzring und einem mit diesem Sitzring zusammenwirkenden doppelexzentrisch ange­ ordneten, einen Schließteller aufweisenden schwenkbaren Schließkörper, wobei entweder der metallische Sitzring oder der Schließteller eine schräg konische Sitzkontur aufweist, die sich durch ein breites Anwendungsgebiet dadurch auszeichnet, das sie sowohl als Absperrorgan als auch als Stellglied in einem Regelkreis angewendet werden kann, keine Leckage aufweist und molchbar ist.

Es wird bereits seit längerem versucht, Stellgeräte, beispielsweise Klappen, hinsichtlich ihrer Funktionalität dahingehend zu verbessern, daß sie bei unterschiedlichsten Anwen­ dungen eine Absperrung mit möglichst geringer Leckage über lange Betriebszeiten gewährleisten sowie ruckfrei aus der Schließstellung anfahren, um ein sensibles Öffnen und letztlich eine Anwendung als Stellglied in einem Regelkreis zu ermöglichen. Diese Forderung steht nicht nur für eine ständige, d. h. in kurzen Zeitintervallen erfolgende, Öffnung bzw. Schließung des Stellgerätes, sondern insbesondere auch für Betätigungen nach relativ langen Stillstandszeiten. Eine weitere Forderung ist die Molchbarkeit entspre­ chender Stellgeräte, die üblicherweise bei Klappen und Ventilen nicht gegeben ist. Von der KEYSTONE Gesellschaft mbH ist beispielsweise eine triexzentrische Klappe bekannt, die im Gehäuse eine schräg konische Dichtfläche und im doppelexzentrisch angeordneten Klappenteller einen schwimmend gelagerten, flexiblen, aus mehreren Schichten bestehenden Dichtring aufweisen, der sich beim Schließen der Klappe selb­ ständig zentriert und verformt und damit am gesamten Umfang eine gleichmäßige gute Dichtung bewirkt. Der Dichtring kann sowohl ausschließlich aus Metallschichten, vorzugsweise Edelstahlblech einer Dicke zwischen 0,3 und 1 mm, als auch aus Metall­ schichten, zwischen denen ein plastisch verformbares Dichtmaterial, beispielsweise Graphit, eingebettet ist, bestehen. Durch die doppelexzentrische Anordnung des Klap­ pentellers soll in Wirkverbindung mit der schräg konischen Dichtfläche eine reibungs­ freie Schließ- bzw. Öffnungsbewegung erreicht werden. Diese an sich vorteilhafte Wirkung wird aber durch die schwimmende, selbstzentrierende Lagerung des Dichtrin­ ges im Klappenteller partiell wieder aufgehoben. Nachteilig ist bei diesen Klappen ferner die unbefriedigend geringe Standzeit des Dichtringes, bei dem es infolge der beim Schließen und Öffnen der Klappe, insbesondere infolge der Selbstzentrierung auftreten­ den Reibung, zu einer dauerhaften Verformung der Metallschichten bzw. zum Austritt von zwischen den Metallschichten eingebettetem Dichtmaterial kommt.

In der DE-OS 43 39 587 wird eine triexzentrische Drosselklappe beschrieben, die im Gehäuse einen freistehenden, kegelförmigen Bereich aufweisenden Sitzring besitzt, dessen freistehende, äußere Kante gegenüber der am Umfang des Klappentellers ausge­ formten schräg konischen Dichtfläche dichtet. Der Sitzring ist dabei so gestaltet, das er beim Schließen der Klappe durch Verformung an die Dichtfläche des Klappenteilers angepreßt wird. Nachteilig bei dieser Lösung ist der hohe Verschleiß, dem die äußere dichtende Kante des Sitzringes unterliegt. Dieser Verschleiß ist insbesondere auf die hohen Strömungsbelastungen zurückzuführen, der die Kante bei geringen Öffnungswin­ keln der Klappe ausgesetzt ist. Außerdem neigt diese in der DE-OS 43 39 587 beschrie­ bene Drosselklappe, entgegen der in der Erfindungsbeschreibung getroffenen Aussage, zum Aufspringen beim Öffnen aus der Schließstellung. Ihr Stellverhalten ist damit für eine Vielzahl von Stellaufgaben nicht ausreichend sensibel. Weiterhin haftet beiden vorgenannten Klappen der Nachteil an, daß sie im Prinzip nicht molchbar sind. Molchbare Stellgeräte sind beispielsweise Kugelhähne und Drehkegelventile. Diese neigen aber konstruktionsbedingt dazu, sich bei längerem Verharren in einer Stellung festzusetzen, so daß eine anschließende Bewegung des Schließkörpers einen erhöhten Kraftaufwand erfordert. Ein ruckartiges Lösen ist dann in aller Regel die Folge. Für sensi­ ble Stellbewegungen in Regelkreisen sind sie daher nicht geeignet.

Ziel der Erfindung ist ein Stellgerät mit einem im Gehäuse angeordneten, metallischen Sitzring und einem doppelexzentrisch angeordneten, einen Schließteller aufweisenden schwenkbaren Schließkörper, bei dem entweder der metallische Sitzring oder der Schließteller eine schräg konische Sitzkontur aufweist, das eine breite Anwendung sowohl als Absperr- als auch als Regelarmatur ermöglicht. Dazu besteht die Aufgabe, ein Stellgerät zu entwickeln, das molchbar ist, keine Leckage aufweist, einem geringen Verschleiß unterliegt und ruckfrei auch nach längerer Verweilzeit in einer Stellung mit kleinen Winkeln verstellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe von einem Stellgerät dem 1. Patentanspruch gemäß gelöst. Die Unteransprüche beschreiben besondere vorteilhafte Ausgestaltun­ gen des Stellgerätes.

Das erfindungsgemäße Stellgerät zeichnet sich dadurch aus, daß aufgrund der besonde­ ren Anordnung des Schließkörpers an einer zweigeteilten Welle im geöffneten Zustand ein ungehinderter Durchgang für das fluide Medium sowie die Molchbarkeit des Stell­ gerätes, und daß aufgrund der doppelexzentrischen Anordnung des Schließkörpers in Wirkverbindung mit einer schräg konischen Sitzkontur ein reibungsfreies Schließen und Öffnen des Stellgerätes erreicht wird, wobei daraus sowie aus der Gestaltung der Sitz­ kontur keine Leckage bei hohen Standzeiten resultieren. Das Stellgerät kann weiterhin auch nach längerem Verharren in einer bestimmten Stellung ruckfrei und mit geringem Drehmoment betätigt werden. Insgesamt kann damit das erfindungsgemäße Stellgerät für eine Vielzahl von Anwendungsfällen eingesetzt werden.

Eine erste bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung wird darin gesehen, das der im Gehäuse angeordnete Sitzring die Form eines schiefgestellten Kegelstumpfes aufweist, so daß die innere Mantelfläche des schiefgestellten Kegelstumpfes die schräg konische Sitzkontur bildet. Bevorzugt wird dieser Sitzring durch Kaltumformung, beispielsweise Tiefziehen, aus einem Kreisring aus austenitischem Stahl hergestellt. Entsprechend hergestellte Sitzringe sind überraschenderweise ausreichend elastisch und ausreichend fest, um über lange Betriebszeiten, d. h. eine Vielzahl von Schließzyklen, ein dichtes Schließen des Stellgerätes zu gewährleisten. Günstigerweise sollte der Sitzring einen ebenen Bereich, aus dem heraus sich der schiefe Kegelstumpf erhebt, besitzen. Der ebene Bereich des Sitzringes kann bevorzugt zur Montage des Sitzringes im Gehäuse benutzt werden, so daß der schiefe Kegelstumpf im wesentlichen freistehend bleibt. Der Sitzring ist dabei in azimutaler Richtung so angeordnet, daß sich der steilste Bereich des schiefen Kegelstumpfes azimutal in Richtung der radialen exzentrischen Verschiebung des Drehpunktes des schwenkbaren Schließkörpers und der am meisten geneigte Bereich des schiefen Kegelstumpfes entgegen der Richtung der radialen exzentrischen Verschiebung des Drehpunktes des schwenkbaren Schließkörpers befindet. Der schwenkbare Schließkörper weist einen Schließteller auf, der über zwei Stützen mit zwei Wellenenden, die in Längsrichtung fluchten, verbunden ist. Die Wellenenden sind im Gehäuse des Stellgerätes doppelexzentrisch angeordnet. Die Stützen sind so gestal­ tet, daß im geöffneten Zustand der Schließkörper vollständig aus dem Durchgangsbe­ reich des fluiden Medium ausgeschwenkt ist.

Bei dieser ersten bevorzugten Ausgestaltung des Stellgerätes weist der schwenkbare Schließkörper in seinem Außenbereich eine Dichtkante auf und ist innerhalb des Stell­ gerätes doppelexzentrisch so angeordnet, daß er sich bei Drehung zum Schließen des Stellgerätes in die Öffnung des Kegelstumpfes hineinbewegt, wobei die Dichtkante auf dem inneren Mantel des Kegelstumpfes zum Anliegen kommt. Die Dichtkante sollte nicht als scharfe Kante oder Schneide ausgeführt, sondern abgerundet sein, um zum einen eine plastische Verformung der Kante oder der gegenüberliegenden Dichtfläche zu vermeiden und zum anderen den Verschleiß der Dichtkante gering zu halten. Beim Schließen des Stellgerätes kommt die Kante linienförmig auf der inneren Mantelfläche des schiefen Kegelstumpfes zum Anliegen. Schiefer Kegelstumpf und Stellglied sind dabei so justiert, daß die Dichtkante ohne nennenswerte elastische Verformung des schiefen Kegelstumpfes vollständig auf der inneren Mantelfläche linienförmig dichtet.

Die Dichtkante kann entweder aus dem Material des schwenkbaren Schließkörpers selbst ausgeformt sein, sie kann aber auch von einem am schwenkbaren Schließkörper angeordneten Bauteil aus einem zur Dichtung geeigneten Werkstoff gebildet werden. Eine zweite bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, im Gehäuse des Stellgerätes einen Sitzring mit der Form eines Kreisringes anzuordnen und den äußeren, die Sitzkontur bildenden Bereich des Schließtellers in Form eines schiefen Kegelstump­ fes zu gestalten. In Wirkverbindung mit der doppelexzentrischen Anordnung der mit dem Schließkörper verbundenen Wellenenden ergibt sich auch bei dieser Ausgestal­ tung eine dreifache Exzentrizität. Der besondere Vorteil dieser Ausgestaltung der Erfin­ dung liegt in der Einfachheit des im Gehäuse angeordneten Sitzringes. Die innere Kante dieses Sitzringes liegt im geschlossenen Zustand des Stellgerätes linienförmig an der Mantelfläche des schiefen Kegelstumpfes des Schließkörpers an. Sie sollte deshalb auch als Dichtkante ausgeführt und insbesondere nicht scharfkantig sein.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in

Fig. 1: den Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Stellgerätes im geschlossenen Zu­ stand mit metallischem Sitzring in Form eines schiefgestellten Kegelstumpfes, in

Fig. 2: den Teilschnitt eines geöffneten erfindungsgemäßen Stellgerätes, in

Fig. 3: einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Stellgerätes im geschlossenen Zustand mit metallischem Sitzring in Form eines Kreisringes und einem in Form eines schiefen Kegelstumpfes gestalteten Schließteller und in

Fig. 4: einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Stellgerätes im geschlossenen Zustand mit metallischem Sitzring in Form einer Aushalsung und einen in Form eines schiefen Kegelstumpfes gestalteten Schließteller.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist innerhalb eines Gehäusegrundkörpers 1 ein Sitzring 2 ange­ ordnet, an dem im geschlossenen Zustand der Schließteller 3.1 eines schwenkbarer Schließkörpers 3 dicht anliegt. Der Schließteller 3.1 ist über zwei seitlich angeordnete Stützen 3.2 mit zwei doppelexzentrisch angeordneten Wellenteilen 4, die in Längsrich­ tung fluchten, starr verbunden. Die Wellenteile 4 sind im Gehäuse 1 gelagert, wobei mindestens eines von beiden nach außen geführt ist. Die Stützen 3.2 sind, wie in Fig. 2 dargestellt, so gestaltet, daß im geöffneten Zustand des Stellgerätes Schließteller 3.1 und Stützen 3.2 so aus dem Strömungsdurchgang ausgeschwenkt sind, daß das strömende Fluid ungehindert das Stellgerät durchströmen kann. Zur Vermeidung von Verwirbelun­ gen ist innerhalb des Stellgerätes ein strömungstechnisch günstig gestalteter Strömungs­ durchgangskörper 5 angeordnet.

Fig. 1 zeigt ferner einen Sitzring 2 der aus einem Kreisring aus 1,5 mm dickem Edel­ stahlblech durch Kaltumformung hergestellt wurde. Der Sitzring 2 weist einen ebenen Bereich 2.1 und einen Bereich in Form eines schiefen Kegelstumpfes 2.2 auf. Der Sitzring 2 ist mittels eines Spannringes 6 im Gehäusegrundkörper 1 des Stellgerätes befestigt.

Dabei ist der Sitzring 2 in azimutaler Richtung so angeordnet, daß sich der steilste Bereich des schiefen Kegelstumpfes 2.2 azimutal in Richtung der radialen exzentrischen Verschiebung des Drehpunktes des schwenkbaren Schließkörpers 3 und der am meisten geneigte Bereich des schiefen Kegelstumpfes 2.2 entgegen der Richtung der radialen exzentrischen Verschiebung des Drehpunktes des schwenkbaren Schließkör­ pers befindet. Der Schließteller 3.1 des schwenkbare Schließkörpers 3 weist eine Dicht­ kante 7 auf, die von einem im Schließteller 3.2 verspannten Ring 8 aus einem PTFE- Compound gebildet wird. In der Schließstellung kommt die Dichtkante 7 auf der inneren Mantelfläche des schiefen Kegelstumpfes 2.2 zum Anliegen, wobei durch die azimutale Ausrichtung des Sitzringes 2 erreicht wird, daß in der Schließstellung keine nenneswerte elastische Verformung des schiefen Kegelstumpfes 2.2 zu verzeichnen ist. Dies sichert ein ruckfreies Öffnen des Stellgerätes auch bei kleinen Öffnungswinkeln.

Die Fig. 3 und 4 zeigen zwei weitere Ausgestaltungen der Sitzkontur des erfindungs­ gemäßen Stellgerätes. Im Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten Ausgestaltung weist hierbei der Schließteller 3.1 die Form eines schiefen Kegelstumpfes auf, während der Sitzring 2 zylindersymmetrisch ausgeführt ist, und zwar bei der in Fig. 3 gezeigten Ausgestaltung als Kreisring und bei der in Fig. 4 gezeigten Ausgestaltung in Form einer Aushalsung, die beispielsweise durch Tiefziehen aus einem Kreisring gefertigt sein kann. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausgestaltung kommt im geschlossenen Zustand die vorzugsweise abgerundete Innenkante des Sitzringes 2 auf der Mantelfläche des schie­ fen Kegelstumpfes zum Anliegen. Im Schließteller 3.2 ist ein Ring 8 aus einem PTFE- Compound verspannt, der der Verbesserung des Dichtverhaltens dient.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausgestaltung kommt im geschlossenen Zustand die Innenfläche der Aushalsung des Sitzringes 2 auf der Mantelfläche des schiefen Kegel­ stumpfes dichtend zum Anliegen.

Claims (10)

1. Stellgerät mit einem quer zur Strömungsrichtung des Fluides im Gehäuse angeordne­ ten metallischen Sitzring und einem mit diesem Sitzring zusammenwirkenden doppelexzentrisch angeordneten, schwenkbaren einen Schließteller aufweisenden Schließkörper, wobei entweder der metallische Sitzring oder der Schließteller des Schließkörpers eine schräg konische Sitzkontur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die schräg konische Sitzkontur die Form eines schiefgestellten Kegelstumpfes besitzt und das Zusammenwirken von Sitzring (2) und Schließteller (3.1) des Schließkörpers (3) derart erfolgt, daß im geschlossenen Zustand Sitzring (2) und Schließteller (3.1) auf der Mantelfläche des schiefgestellten Kegelstumpfes linienför­ mig dichtend anliegen und der doppelexentrisch angeordnete schwenkbare Schließkörper (3) im geöffneten Zustand vollständig aus der Fluidströmung ausge­ schwenkt ist.

2. Stellgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Sitzring (2) aus einem austenitischen Stahl besteht.

3. Stellgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Sitzring (2) die Form eines Kreisringes besitzt.

4. Stellgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Sitzring (2) die Form eines schiefgestellten Kegelstumpfes aufweist, der durch Kaltumformung ausgeformt wurde.

5. Stellgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der schwenkbare Schließkörper (3) mittels zweier Stützen (3.2) mit einer doppelexzentrisch angeordneten aus zwei in Längsrichtung fluchtend gelagerten Teilen bestehenden Welle (4), die im Bereich des strömenden Fluids eine Unterbre­ chung aufweist, derart in Verbindung steht, daß der Schließkörper (3) beide Teile der unterbrochenen, doppelexzentrisch angeordneten Welle (4) miteinander verbindet.

6. Stellgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Schließteller (3.1) tragenden Stützen (3.2) so ausgeführt sind, daß im geöffneten Zustand der Schließkörper (3) vollständig aus der das strömende Fluid führenden Öffnung des Stellgerätes ausgeschwenkt ist.

7. Stellgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließteller (3.1) eine schräg konische Sitzkontur aufweist.

8. Stellgerät nach Anspruch 4 oder 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließteller (3. 1) eine Dichtkante (7) aufweist.

9. Steilgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtkante (7) in Form einer abgerundeten Schneide ausgeführt ist.

10. Stellgerät nach Anspruch 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtkante (7) von einem am Schließteller (3.1) angeordneten Bauteil (8) aus einem zur Dichtung geeigneten Werkstoff gebildet wird.