DE2029273A1

DE2029273A1 - Hilfsenergiebetätigte Drosselklappe mit axial beweglichem, steuerbarem Dichtring

Info

Publication number: DE2029273A1
Application number: DE19702029273
Authority: DE
Inventors: Hans 6700 Ludwigshafen. F16kl-36 Bender
Original assignee: GULDE REGELARMATUREN KG
Current assignee: GULDE REGELARMATUREN KG
Priority date: 1970-06-13
Filing date: 1970-06-13
Publication date: 1971-12-23

Description

Anmelderin: Firma GULDE REGELARMATUREN KG

67oo Ludwigshafen/RHein - Oggersheim.

Hilfsenergiebetätigte Drosselklappe mit axial beweglichem, steuerbarem Dichtring.

Die Erfindung betrifft eine mit Hilfsenergie betätigte Drosselklappe mit der dicht abgesperrt werden kann, die aber auch für Regelungsaufgaben besonders dadurch geeignet ist, daß die Klappenscheibe im Bereich der Schließstellung möglichst reibungsfrei und damit auch ruckfrei bewegt werden kann,

Drosselklappen sind in Rohrleitungen eingebaut und haben die Aufgabe den Durchfluß zu drosseln oder abzusperren. Je nach Aufgabenstellung wird im allgemeinen zwischen Drosselklappen oder Absperrklappen unterschieden.

Drosselklappen weisen in Schließstellung einen Ringspalt zwischen der Gehäuseinnenwand und dem Außendurchmesser der Klappenscheibe auf, um ein Festklemmen zu verhindern. Dichtes Absperren ist nicht möglich,

Absperrklappen sind mit Dichtringen aus elastischen Werkstoffen ausgerüstet, die an der Klappenscheibe oder im Gehäuse befestigt sind. Beim Schließen werden diese Dichtringe dadurch verformt, daß sie beim Einschwenken der Klappenscheibe in die Schließstellung zwischen die festen Konturen der Gehäuseinnenwand und der Klappenscheibe gedrückt werden, Dieswr Vorgang ist mit hoher Reibung verbunden.

Mit derartigen Absperrklappen kann auch gedrosselt werden, d.h, es sind beliebige Teilöffnungen möglich. Der steile Anstieg der Reibung während des Absperrvorganges macht aber derartig dichtschließende Absperrklappen für feinfühlige Regelung in Nähe Schließstellung besonders dann ungeeignet, wenn sie mit pneumatischen Stellantrieben verstellt werden. Infolge der veränderlichen Reibungs-'kräfte und weil mit kompressibler Hilfsenergie betriebene Kolbenoder Membranantriebe nicht selbsthemmend sind, entstehen beim Verstellen ruckartige Bewegungen, die eine feinfühlige Regelung unmöglich machen.

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Es sind aber auch Drosselklappen für dichtes Absperren bekannt in deren Gehäuse ein elastischer Ring so gelagert ist, daß er radial verformt werden kann.

Der Innendurchmesser dieses elastischen Ringes ist etwas größer als der Außendurchmesser der Klappenscheibe, sodaß diese reibungsfrei in Schließstellung schwenken kann. Die radiale Verformung und dichte Anpressung auf die in Schließstellung stehende Klappenscheibe wird durch Beaufschlagen des elastischen Ringes mit einem Druckmittel erreicht.

In allen bekannten dichtschließenden Absperrklappen werden elastische Dichtringe verwendet. Die Temperaturbeständigkeit der bekannten elastischen Werkstoffe ist aber begrenzt. Bei hohen Temperaturen kann nur mit metallischen Werkstoffen oder mit Asbest gearbeitet werden.

Drosselklappen mit genau eingepassten und an der Innenwand des Klappengehäuses metallisch dicht anschlagenden Klappenscheiben erreichen zwar relativ gute Dichtheiten, sind aber nur für niedrige Drücke und Temperaturen geeignet,· weil sie infolge Biegung und Temperaturgang undicht werden, und die Klappenscheibe im Klappengehäuse festklemmen kann.

Bekannt sind auch sogenannte Dreihebelklappen und Klappen mit Kolbenringen. Die Dreihebelklappe trägt eine Asbestdichtung im Klappengehäuse und durch ein Hebelwerk im Innern des Klappengehäuses hebt die Klappenscheibe erst ab und schwenkt dann aus. Weil beim Absperren die Klappenscheibe über einen Hebel angedrückt wird, sind hohe Drehmomente an der Klappenwelle erforderlich, und es kann nur gegen niedrige Differenzdrücke abgesperrt werden. Drosselklappen, in deren Klappenscheiben Kolbenringe eingebaut sind, eignen sich zwar für hohe Differenzdrücke und hohe Temperaturen sind aber nicht genügend dicht, weil eine Leckage im Stoß des Kolbenringes unvermeidlich ist.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Drosselklappe zu schaffen, die unabhängig von Temperatubeanspruchung metallisch dichtschließend absperren kann und die bei Differenzdrücken, wie sie mit den üblichen Drossel- und Absperrklappen beherrscht werden, auch im Bereich der Schließstellung ohne Reibung in der Dichtzone relativ leichtgängig bewegt werden kann.

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Nach der Erfindung ist die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein metallischer Dichtring axial beweglich und zugleich dicht, beispielsweise durch Faltenbalg, mit dem Klappengehäuse verbunden ist. Über eine HilfsSteuerung können die auf den Dichtring wirkenden Differenzdrücke so gesteuert werden, daß der Dichtring entweder dichtend auf die Klappenscheibe gedrückt oder von dieser abgehoben wird. Innerhalb eines Stellsignalbereiches wie er beispielsweise bei Drosselklappen für Regelung üblich ist, lassen sich Schaltpunkt des Hilfssteuerventiles und Arbeitsbereich des Klappenantriebes so einrichten, daß der Dichtring nur dann öffnend oder schließend bewegt wird, wenn die Klappenscheibe in Schließstellung steht.

Damit diese Funktion auch bei schneller Änderung des Stellsignales sichergestellt ist, ist dem Hilfssteuerventil ein Verblockrelais vorgeschaltet.

Anstelle des metallischen Dichtringes und des Metallfaltenbalges kann aber auch ein elastischer Dichtring eingesetzt werden, der sowohl am Gehäuse als auch an der Klappenscheibe dichten kann. Auch beim elastischen Dichtring lassen sich die Differenzdrücke so steuern, daß er entweder zwischen Gehäuse und Klappenscheibe gedrückt, oder abgehoben wird.

Beispielsweise kann der elastische Dichtring als O-Ring ausgeführt sein. Der erfindungsgemäße Vorteil gegenüber den bekannten elastischen Dichtringen besteht darin, daß durch die Steuerung mit dem Differenzdruck die Abdichtfunktion weitgehend reibungs- und damit verschleißfrei ausgeübt wird.

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Nachstehend wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten schematischen Ausführungsbeispiele näher erläutert :

Es zeigt

Fig. 1 die Schnittdarstellung einer Drosselklappe mit metallischem Dichtring und beispielsweise mit pneumatischem Antrieb der mit steigendem Stellsignal die Drosselklappe öffnet

dargestellt ist die Drosselklappe bei Stellsignal 0: die Klappenscheibe steht in Schließstellung und der Dichtring wird dichtend an die Klappenscheibe angedrückt,

Fig. 2 die Schnittdarstellung der Drosselklappe wie Fig. 1 aber dargestellt ist die Drosselklappe bei einem bestimmten Stellsignal : das Hilfssteuerventil wurde bereits geöffnet, die Klappenscheibe steht noch in Schließstellung.

Fig. 3 die Schnittdarstellung einer Drosselklappe wie Fig. 1 und 2 aber dargestellt ist die Drosselklappe beim Stellsignalhöchstwert : das Hilfssteuerventil ist noch wie bei Fig. 2 geöffnet und die Klappenscheibe steht in Offenstellung.

Fig. 4 die Schnittdarstellung einer Drosselklappe wie in Fig. 1 jedoch mit elastischem Dichtring*

Fig. 5 die Schnittdarstellung einer Drosselklappe mit metallischem Dichtring und beispielsweise mit pneumatischem Antrieb der mit steigendem Stellsignal die Drosselklappe schließt

dargestellt ist die Drosselklappe beim Stellsignalhöchstwert : die Klappenscheibe steht in Schließstellung und der Dichtring wird dichtend an die Klappenscheibe angedrückt ,

Im Klappengehäuse 1 ist ein Dichtring 2 gelagert» Durch einen Metallfaltenbalg 3 ist der Dichtring 2 mit dem Klappengehäuse 1 verbunden. Durch den Widerstand den die Klappenseheibe 4 in der Strömung verursacht, entsteht zwischen Einströmseite 5 und Ausströmseite 6 ein Differenzdruck.

Wird das Hilfssteuerventil 7 bzw, 8 geschlossen wie in Fig. 1 bzw. 5 dargestellt, so steht im Raum 9 der Vordruck p^ an, der durch den Ringspalt Io eingedrungen ist„

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OftS

Der Differenzdruck wirkt somit auf den Dichtring 2 und zwar auf die Kreisringfläche, die durch die Berührungslinie 11 des Dichtringes 2 mit der Klappenscheibe 4 und dem fiktiven Durchmesser 12 der wirksamen Fläche des Metallfaltenbalges 3 begrenzt wird. Durch den Differenzdruck wird deshalb der axial bewegliche Dichtring 2 an die Klappenscheibe 4 gedrückt. .

Wird das Hilfssteuerventil 7 bzw. 8 geöffnet wie in Fig. 2 dargestellt, so wird der Raum 9 mit dem Nachdruck p„ auf der Ausströmseite 6 in Verbindung gesetzt. Der Querschnitt des Ringspaltes Io muß kleiner sein als die Abströmquerschnitte 13 damit sich bereits im Raum der Druck p„ einstellt.

Auf den Dichtring 2 wirkt somit der Differenzdruck und zwar auf die Kreisringfläche, die durch die Berührungslinie 11 oder durch den Durchmesser 14 des Ringspaltes 15 zwischen Dichtring 2 und Klappenscheibe 4 und dem Gehäusedurchmesser 16 an Spalt Io begrenzt wird. Der Differenzdruck drückt deshalb den Dichtring 2 zurück der somit von der Klappenscheibe 4 abhebt.

Auch bei Öffnung der Klappenscheibe 4 bis zur Vollöffnung wie in Fig, 3 dargestellt, bleibt das Hilfssteuerventil 7 bzw. 8 offen und der Dichtring 2 wird zurückgehalten, weil der Druck in der kugelförmig erweiterten Zone 17 des Dichtringes 2 höher ist als in Raum

Die Drehachse der Klappenscheibe 4 ist versetzt angeordnet, sodaß die Klappenwelle 18 hinter der Dichtkante 19 liegt. Wird die Klappenscheibe 4 geschwenkt, so wird von der an ihrem Umfang liegende Dichtkante 19 ein Weg beschrieben, der die Oberfläche einer Kugel darstellt. Die mit der Klappenscheibe 4 zusammenwirkende Zone 17 des des Dichtringes 2 ist nach dieser Kugel gefomt. Dadurch ist eine voll ständige kreisrunde Brührungslinie 11 mit der Klappenscheibe 4 auch dann gewährleistet, wenn deren Schließstellung etwas variiert. Der Abstand der Berührungslinie 11 zur Achse der Klappenwelle 18 ist so gewählt, daß zwischen Dichtring 2 und Klappenscheibe 4 keine Selbsthemmung auftreten kann.

° Fig. 4 zeigt einen elastischen Dichtring 2o der in gleicher Weise

oo wie der starre Dichtring 2 durch den Differenzdruck entweder an die ^ Klappenscheibe 21 gedrückt oder von dieser abgehoben werden kann. -. Q Zugleich dichtet dieser elastische Dichtring 2o aber auch am Klappen- -^ gehäuse 22. Die jeweiligen Berührungen 23,24 und der Ringspalt 25

to an Klappenscheibe 21 und Klappengehäuse 22 sind entsprechend der r Berührungslinie 11 und dem Ringspalt Io in Fig. 1 so-gewählt, daß- ; Kreisringflächen entstehen, die eine Steuerung mit dem Differenz-., druck in gleicher Weise wie für Fig. 1 bis Fig. 3 beschriebenen mög-

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lieh machen.

Der elastische Dichtring 2o , beispielsweise in Form eines o-Ringes, ist in einer Nut 2 6 im Klappengehäuse 2 2 gelagert. Die Nut 2 6 ist so geformt, daß eine Bewegung in vorwiegend axialer Richtung möglich ist. Steht die Klappenscheibe 21 in Schließstellung, so ergeben die im Klappengehäuse 22 und die am Umfang 21 der Klappenscheibe 21 vorgegebenen Konturen einen Ringquerschnitt der so geformt ist, daß er durch den vom Differenzdruck angedrückten Dichtring 2o abgedichtet werden kann.

Fig. 1 bis 5 zeigen beispielsweise pneumatische Stellantriebe 2 8 bzw. 29 und HilfsSteuerventile 7 bzw, 8 für"die Betätigung von Drosselklappen. Das pneumatische Stellsignal Uo,¹H,42 wird von einem Regler oder von einem zusätzlich angebauten Stellungsregler vorgegeben.

In den Fig. 1 bis 3 sind beispielsweise die hier beschriebenen Phasen dargestellt und zwar an einer Drosselklappe die bei steigendem Stellsignal geöffnet wird. Je nach dem vorgegebenen Stellsignaldruck wird die Feder 3 2 zusammengedrückt und somit die jeweils gewünschte Stellung der Klappenscheibe 4 erreicht.

Beim allgemein benutzten Einheits-Stellsignalbereich von o,2 bis l,o atü kann beispielsweise die Feder 3o des Hilfssteuerventiles 7 so ■ eingestellt werden, daß bei einem Druckbereich von o,2 bis o,2 5 atü der Durchgang 31 geöffnet wird. Die Feder 3 2 des Stellantriebes 2 8 sei beispielsweise ausgelegt für einen Druckbereich von o,2 6 bis l,o atü. Mit dieser Abstimmung schaltet das HilfsSteuerventil 7 bevor die Klappenscheibe 4 aufgeschwenkt wird.

Damit bei sehr schneller Änderung des Stellsignales 4o,41,42 das Hilfssteuerventil 7 bzw. 8 nicht anspricht bevor die Klappenscheibe 4 bzw. 21 die Schließstellung erreicht hat, ist ein Verblockrelais 33 bzw. 34 vorgeschaltet das nur in Schließstellung die Entlüftung des Hilfssteuerventiles 7 bzw, 8 freigibt.

Die Schaltung der Verblockrelais 3 3 bzw. 3 4 erfolgt über den Anschlag 3 5 der mit der Klappenscheibe 4 bzw, 21 bewegt wird. In Fig, 1 bis 5 steht dieser Anschlag 35 beispielsweise über Klappenwelle 18, Hebel 3 6 und Lasche 3 7 an der Kolbenstange 38 mit der Klappenscheibe 4 bzw. 21 in Verbindung.

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Fig. 5 zeigt die Anordnung von Steuergeräten 8, 34 und Stellantrieb 29 an einer Drosselklappe die mit steigendem Stellsignal geschlossen wird. Die Wirkungsweise ist dabei umgekehrt wie für Fig.l bis 3 beschrieben; die Steuerung des Hilfssteuerventiles 8 erfolgt bevor der Stellsignalhöchstwert und nachdem die Schließstellung erreicht ist und das Verblockrelais 34 ermöglicht die Schaltung des Hilfssteuerventiles 8 erst dann, wenn die Klappenscheibe 4 ihre Schließstellung erreicht hat.

Abweichend von den hier dargestellten Schaltungen können die Hilfssteuerventile 7 bzw. 8 auch unmittelbar vom Regler gesteuert werden was beispielsweise dann erforderlich wäre, wenn der Kolben 39 des pneumatischen Antriebes von beiden Seiten mit Stellsignaldrücken beaufschlagt d.h. doppeltwirkend gefahren würde.

Die in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Drosselklappen werden beispielsweise durch pneumatische Stellantriebe und Steuergeräte betätigt.

In gleicher Weise können Stellantriebe und Steuergeräte mit beliebiger Hilfsenergie, beispielsweise elektrisch oder hydraulisch für die Betätigung der Drosselklappen verwendet werden. Ebenso ist es möglich für Steuergeräte und Stellantriebe verschiedene Hilfsenergien zu verwenden; beispielsweise durch elektrisches Stellsignal die Steuergeräte zu schalten und über einen elektropneumatischen Stellungsregler ein pneumatisches Stellsignal für den pneumatischen Stellantrieb zu geben. .

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Claims

Ansprüche

l.yHilfsenergiebetätigte Drosselklappe mit Dichtring und versetzt zu diesem gelagerter Klappenscheibe, dadurch gekennzeichnet , daß ein mit dem Klappengehäuse in dichter Verbindung stehender Dichtring, beispielsweise mittels Metallfaltenbalg jaxial beweglich ist, und daß dessen differenzdruckwirksame Flächen so abgestimmt sind, daß er mittels Differenzdruck dichtend auf die in Schließstellung stehende Klappenscheibe gedruckt oder auch von dieser abgehoben werden kann.
2. Hilfsenergiebetätigte Drosselklappe mit Dichtring und versetzt zu diesem gelagerter Klappenscheibe dadurch gekennzeichnet, daß ein elastischer Dichtring vorwiegend axial beweglich im Klappengehäuse gelagert ist und daß dessen differenzdruckwirksamen Flächen so abgestimmt sind, daß er mittels Differenzdruck dichtend zwischen Klappengehäuse und Klappenscheibe gedruckt oder auch von dieser abgehoben werden kann.
3. Hilfsenergiebetätigte Drosselklappe mit Dichtring und versetzt zu diesem gelagerter Klappenscheibe nach Anspruch 1 und dadurch gekennzeichnet, daß die wahlweise Beaufschlagung der dxfferenzdruckwirksamen Flächen des Dichtringes mit dem Differenzdruck über ein Hilfssteuergerät erfolgt.
4. Hilfsenergiebetätigte Drosselklappe mit Dichtring und versetzt zu diesem gelagerter Klappenscheibe nach Anspruch 1 bis dadurch gekennzeichnet, daß dem Hilfssteuergerät ein Relais vorgeschaltet ist, das durch eine mit der Klappenscheibe verbundene Rückmeldung die Schaltung des HilfsSteuergerätes nur dann freigibt wenn die Klappenscheibe in Schließstellung steht.
5. Hilfsenergiebetätigte Drosselklappe mit Dichtring und versetzt zu diesem gelagerter Klappenscheibe nach Anspruch 1 bis H dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltsignal für das Hilfssteuergerät mit dem Stellsignal für den Stellantrieb in Verbindung steht.

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