DE2213893C3

DE2213893C3 - Schwenkbare Ventilkappe für ein Drosselklappenventil

Info

Publication number: DE2213893C3
Application number: DE2213893A
Authority: DE
Inventors: Kalman North Scituate Kormos; Dezso Cranston Szilagyi
Original assignee: General Signal Corp
Current assignee: SPX Corp
Priority date: 1971-04-02
Filing date: 1972-03-22
Publication date: 1975-08-07
Also published as: DE2213893B2; GB1326176A; JPS5114291B1; US3726504A; DE2213893A1; FR2136126A5; CA956292A

Description

Die Erfindung betrifft eine Drosselklappe mit an der Zylindrischen Gehäuseinnenwand ausgebildeter kegeliger Ventilsitzflache und mit einer um eine außerhalb ihrer Ebene liegenden Achse schwenkbaren Klappenscheibe, die in einer in ihrem Rand vorgesehenen Ring- nut einen einstückigen Dichtungsring trägt

Bei einer bekannten Drosselklappe der vorgenannten Art besteht der einstückige Dichtungsring aus einem elastomeren Material. Im Betrieb kann beim Schließen der Drosselklappe der Dichtungsring relativ leicht aus der Umfangsnut der Klappenscheibe herausgedrückt werden, da er, bedingt durch die Eigenschaft des elastomeren Materials, nicht für hohe Ringspan-

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nungen geeignet ist Ein weiterer Nachteil ist bei der bekannten Drosselklappe noch dann zu sehen, daß das elastomere Material des Dichtungsrings relativ scnnell verschleißt Ein Erneuern des Dichtungsrings ist jedoch umständlich und zeitraubend, da hierzu die Klappenscheibe aus dem Gehäuse ausgebaut werden mu3. Eine Ausbildung des Klappenscheibenrandes als Abdichtkante hätte jedoch den Nachteil, daß die Abdichtkante, wen» die Klappenscheibe z. B. aus Gußeisen besteht relativ schnell korrodiert und dadurch ihre Dichtwirkung verliert Zur Reparatur müßte die gesamte Klappenscheibe ausgebaut und gegen eine Ersatzklappenscheibe ausgetauscht werden. Zur Vermeidung dieses Nachteils könnte die gesamte Klappenscheibe vollständig aus einem korrosionsfesten Material ausgebildet oder der Klappenscheibenrand durch Aufschweißen mit einer korrosionsfesten Abdichtkante versehen werden. Beide Lösungen sind jedoch entweder material- oder lohnaufwendig.

Es ist ferner eine Drosselklapppe der vorgenannten Art bekanntgeworden, bei welcher der Dichtungsring aus einem elastomeren Material besteht und mit einen-, oder mehreren eingebetteten Stahldrähten verstärkt ist. Durch diese Stahldrähte kann aber keine so hohe Ringspannung und keine solche Anpressung des Dichtungsrings gegen die Umfangsnut erzielt werden, daß der Dichtungsring bei jeder Belastung und allen Betriebsbedingungen fest auf dem Klappenscheibenrand verbleibt da sonst das elastomere Material auf dem Klappenscheibenrand zerstört werden wurden. Darüber hinaus weist die vorbekannte Drosselklappe die bereits geschlidderten Nachteile auf, daß der verwendete Dichtungsring aus elastomeren Material nicht abriebfest und auch nicht korrosionsfest ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Drosselklappen der vorgenannten Art derart zu verbessern, daß die vorgenannten Nachteile vermieden werden und eine billige Drosselklappe mit einer verschleiß- und korrosionsfesten Abdichtkanto auf der Klappenscheibe geschaffen wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst daß der Dichtungsring aus korrosionsfestem Material hoher Festigkeit vorzugsweise Edelstahl, besteht und infolge einer hohen durch Aufschrumpfen erzeugten Eigenspannung fest in der Ringnut der Klappenscheibe sitzt.

Hierdurch wird eine absolut sichere Befestigung eines Dichtungsrings auf dem Klappenscheibenrand erreicht der sowohl starr ist als auch jedem Korrosionsangriff widersteht Die durch einen solchen Dichtungsring erzielbare lange Lebensdauer ergibt eine weitgehend wartungsfreie und sichere Drosselklappe.

Gemäß weiteren vorteilhaften Merkmalen der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der Dichtungsring einen mit einem elastischen Klappensitz in Eingriff kommenden abgerundeten äußeren Umfangsabschnitt hat und daß der innere Umfangsabschnitt des Dichtungsrings in Übereinstimmung mit der Nutenform der Umfangsnut in der Klappenscheibe ausgebildet ist Der Dichtungsring kann einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Zur Erzeugung einer großen Ringspannung, d.h. einer großen Zugspannung in Umfangsrichtung, durch welche der Ring fest gegen die Oberfläche der Nut gepreßt wird, entspricht der Anpreßdruck zwischen dem Dichtungsring und der Nutfläche wenigstens dem vierfachen Druckwert für den die Drosselklappe ausgelegt ist

Vorteilhaft kann der Nutengrund der Umfangsnut

einen minimalen Durchmesser aufweisen, wobei die Sutenränder größere, aber ungleiche Durchmesser haken und der Nutenrand mit dem größeren Durchmesser auf der der Schwenkachse zugewandten Seite der lüappenscheibe angeordnet ist Hierdurch wird das ßndring«¹ der Dichtungsmasse in die Fläche zwischen Am Ring und der Nut erleichtert Um den durch die Zugspannung in Umfangsrichtung erzielten festen Sitz des Dichtungsrings in der Nut zu unterstützen, kann vorteilhaft vorgesehen sein, daß der Dichtungsring mit • lUappe/ttcheibe an in Umfangsrichtung voneinander im Abstand befindlichen Stellen durch Heftschweißungen verbunden ist

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal kann vorgesehen sein, daß sich in dem Nutengrund eine Rille befindet deren Grund von dem Innenumfang des Diehtrings einen Abstand hat Hierdurch wird der Berührungsbereich zwischen dem Dichtungsring und der Nut verringert und damit der Berührung-druck für eine bestimmte Größe einer Ringspannung erhöh L

Der aus dem korrosionsfesten Material bestehende Ring kann zunächst die Form eines Drahtes oder eines geraden Stangenmaterials aufweisen, der bzw. das die gewünschte Querschnittsform hat Das Stangenmaterial wird zur Bildung eines Wickels gewalzt der dann auf die genaue Länge geschnitten und zur Herstellung des fertigen Rings verschweißt wird. Der Ring wird durch ein Schrumpfverfahren in die Nut eingesetzt. Durch das Schrumpf verfahren wird vorzugsweise ein so hoher Berührungsdruck zwischen dem Ring und der Nut erzeugt der zur Verhinderung eines Lösens des Rings durch hydrostatische Kräfte oder durch Reibungskräfte ausreicht die durch die beim Betrieb auftretenden Kräfte beim lneingriffkommen mit dem Ventilsitz entstehen. Da die Erfindung die erforderliche Menge des korrosionsfesten Materials stark vermindert und eine mechanische Bearbeitung des die Ventilkante bildenden Teils vermeidet ohne daß teuere oder unzuverlässige Fertigungstechniken zur Anwendung kommen, stellt die Erfindung eine praktische und ausgezeichnte Lösung des Problems der Herstellung einer Ventilkante dar.

Im nachfolgenden sind verschiedene Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung beschrieben, el·? in der Zeichnung gezeigt sind. In dieser sind

Fig. 1 ein Teil eines axialen Schn.ttes durch em Drosselklappenventil mit einem Ausführungsbeispiel

der Erfindung, . .

F i g. 2 ein vergrößerter Ausschnitt der in F1 g. 1 gezeigten Ventilkante, . .

F 1 g 3 und 4 Ausschnitte ähnlich dem der F1 g. 2, die zwei alternative Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen und

F i g 5 und 6 Querschnittdarstellungen der alternativen Ringe, die für eine Verwendung in großen Ventilen geeignet sind. .

Gemäß F i g. 1 ist die Erfindung in einem Drosselklappenventil eingebaut, das ein mit einem Strömungsdurchgang 12 ausgebildeten zylindrischen Ventilgehause 11 aus Gußeisen und eine von einer Drehwelle 14 gehaltene kreisförmige Klappenscheibe 13 hat, wobei die Drehwelle 14 von in dem Gehäuse 11 angebrachten Lagern gehalten ist Das Gehäuse ist mit einem Sitzring 15 aus Gummi ausgerüstet, der eine konische oder sphärische Sitzfläche 16 hat die so angeordnet ist, daß sie mit einer Kante der Klappenscheibe 13 zusammenwirkt Der Sitzring 15 ist so geformt, daß er in eine Vertiefung paßt die durch eine Nut im Gehäuse 11 und durch einen verschiebbaren Klemmring 18 gebildet ist Der Sitzring 15 wird zwischen einer Rtngfläche 19 und einer Ventilgehäusewand 21 durch eine Reihe von gleichmäßig auf dem Umfang im Abstand befindlichen, mit Schrauben arbeitenden Stellgliedern 22 zusammengepreßt Diese einstellbare Ausführung eines Ventilsitzes ist bevorzugt jedoch können auch übliche Formen von Ventilsitzen verwendet werden.

Der erfindungsgemäbe Dichtungsring 17 wird durch einen unter Spannung stehenden Ring von kreisförmigem Querschnitt gebildet, der in eine entsprechend ausgebildete ringförmige Nut 23 eingesetzt ist, die in dem äußeren Umfang der Klappenscheibe 13 herausgearbeitet ist Der Ring ist aus einem Draht oder aus einem geraden Stangenmaterial aus korrosionsfestem Material, beispielsweise rostfreiem Stahl, hergestellt und er hat eine Streckfestigkeit von etwa 3500 kg/cm² bis 4200 kg/cm². Das Stangenmaterial hat die für den Dichtungsring erwünschte Querschnittsform, und es wird auf einer Maschine zum Herstellen eines Drahtes oder auf einer Federwickelmaschine zu einem Wickel gerollt Nachdem der gerollte Wickel in die richtige Größe geschnitten ist werden die Enden zusammengeschweißt und der sich ergebende Schweißgrat wird beseitigt Der hergestellte Ring hat einen Innendurchmesser, der geringfügig kleiner ist beispielsweise etwa 0,001 mm pro Millimeter Durchmesser als der geringste Durchmesser der Nut 23, und der Ring wird auf die Klappenscheibe 13 aufgeschrumpft. Für dieses Verfahren muß der Ring auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der er sich um den erforderlichen Betrag zum Aufbauen ausdehnt. Der Ring darf jedoch nicht so hoch erhitzt werden, daß sich nachteilige Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften des Materials ergeben, aus dem der Ring besteht. Bei rostfreiem Stahl hat sich eine Temperatur von etwa 340 bis 370° C als ausreichend erwiesen. Die Passung zwischen dem Ring 17 und der Nut 23 belastet den Ring mit einer Ringspannung, und sie bewirkt, daß der Ring fest gegen die Nutenfläche gepreßt wird. Der Betrag der Ringspannung soll so hoch sein, jedoch ausreichend unterhalb der Streckfestigkeit des Ringmaterials liegen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, einen Anpreßdruck des Rings gegen die Nut auszuwählen, der wenigstens dem vierfachen Betrag der Druckstufe des Ventils entspricht für den die Klappenscheibe bestimmt ist. Die Erfahrung hat gezeigt daß dieser minimale Anpreßdruck eine ausreichende Sicherheit gibt daß der Ring 17 sich nicht von der Nut 23 während des Betriebs entweder durch die hydrostatischen Kräfte oder durch die Reibungskraft, die beim Reiben des Dichtungsrings quer über den Ventilsitz 15 erzeugt wird, löst.

In den Fällen, in denen die Ringspannung auf eine Größe begrenzt ist, die die Erzeugung des gewünschten minimalen Anpreßdrucks zwischen dem Ring und der Nut bei dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel verhindert, sollten verschiedene Alternativen vor der Verringerung des bei diesem minimalen Wert enthaltenden Sicherheitsabstandes berücksichtigt werden. Eine naheliegende Möglichkeit ist die, den Ring 17 aus einem Material herzustellen, das eine höhere Streckfestigkeit hat um die zulässige Ringspannung zu erhöhen. Eine andere Alternative ist die, die vorhandene Haltekraft durch die Schrumpfpassung durch eine Heftschweißung des Rings 17 an die Klappenscheibe 13 zu unterstützen, wie dies bei 24 in F i g. 3 dargestellt ist Die Schweißungen werden im gleichmäßigen Abstand voneinander um den Umfang der Klappenscheibe aus-

geführt, und die erforderliche Anzahl der Schweißstellen wird gemäß dem Durchmesser des für den Ring 17 verwendeten Drahtes ausgewählt, so daß ein Verbiegen der Drahtabschnitte zwischen den Schweißstellen verhindert ist. Eine andere und weniger aufwendige Alternative ist die, einen mittleren Abschnitt der Nut 23 herauszuschneiden, wie dies in F i g. 4 mit einer ringförmigen Vertiefung 25 dargestellt ist. Diese Maßnahme verringert den Berührungsbereich zwischen dem Ring und der Nut, und dementsprechend wird der Berührungsdruck für eine bestimmte Größe einer Ringspannung erhöht Natürlich kann jede dieser Maßnahmen alleine oder in Verbindung mit einer oder mit zwei anderen Maßnahmen getroffen werden.

Obwohl der Ring 17 fest gegen die Nut 23 gepreßt ist, verändern Unregelmäßigkeiten in den passenden Metallflächen eine Ausbildung einer flüssigkeitsdichten Verbindung. Aus diesem Grunde wird bei dicht schließenden Ventilen eine Dichtungsmasse an den Rändern 26, 27 der Fläche zwischen dem Ring und der Nut aufgebracht Als eine zustäzliche Vorsichtsmaßnahme hat es sich als wünschenswert erwiesen, eine Schulter X auf der Drehwellenseite der Nut 23 zur Herstellung einer keilförmigen Vertiefung an dem Rand 26 in radialer Richtung nach außen um etwa 1,5 mm über die Mitte des Rings 17 zu verlängern. Diese Maßnahme erleichtert ein Eindringen der Dichtungsmasse in die Fläche zwischen dem Ring und der Nut

Die radiale Höhe der Schulter X auf der Wellenseite der Nut 23 ist nicht begrenzt mit Ausnahme der Forderung, daß der Sitz 15 mit dem Ring 17 in Eingriff kommt und nicht irgendein Teil der Klappenscheibe 13. Jedoch muß die Höhe einer Schulter Y auf der entgegengesetzten Seite der Nut unter Berücksichtigung des Verfahrens festgelegt werden, durch das der Ring 17 eingesetzt wird. Das bedeutet, daß die Höhe der Schulter Y durch den Durchmesser der Ventilklappe 13, durch den Koeffizienten der thermischen Ausdehnung des Materials des Rings 17. durch die in dem Ring erforderliche Ringspaiinung, d. h. das Maß der Passung

ίο zwischen dem Ring und der Nutenfläche, und durch die maximale Temperatur, auf die der Ring 17 während des Schrumpfprozesses erhitzt werden darf, bestimmt ist. Die Begrenzung einer Schuherhöhe, die durch diese Faktoren bestimmt ist kann im Falle von kleinen Venti-

!5 len ein Problem darstellen, denn es ist unter der Berücksichtigung der normalen Herstellungstoleranzen immer eine minimale Schulterhöhe von etwa 0,4 mm erforderlich. Falls diese Forderung nicht erfüllt werden kann oder nur mit einer Verringerung des Berührungs drucks zwischen dem Ring und der Nut unter das ge wünschte Minimum; ist es empfehlenswert daß eine oder beide Hilfsmaßnahmen, die in den F i g. 3 und 4 aufgezeigt sind, verwendet werden. Zwei alternative Querschnittsformen für die Ringe bei diesen Ventilen sind in den F i g. 5 und 6 dargestellt. Bei jedem dieser Ausführungsbeispiele bietet der Ring sowohl einen großen Querschnittsbereich und dementsprechend eine hohe zulässige Ringspannung, als auch einen Außendurchmesset·, der auf einem kleinen Radius abgerundet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche·

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L Drosselklappe mit an der zylindrischen Gehäuseinnenwand ausgebildeter kegeliger Ventilsitzflä- S ehe und mit einer um eine außerhalb ihrer Ebene liegenden Achse schwenkbaren Klappenscheibe, die in einer in ihrem Rand vorgesehenen Ringnut einen einstöckigen Dichtungsring trägt, dadurch gekennzeichnet, daS der Dichtungsring (17) aus korrosionsfestem Material hoher Festigkeit, vorzugsweise Edelstahl, besteht, und infolge einer hohen durch Aufschrumpfen erzeugten Eigenspannung fest in der Ringnut (23) der Klappenscheibe (13) sitzt
2. Drosselklappe nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (17) einen mit einem elastischen Klappensitz (16) in Eingriff kommenden abgerundeten äußeren Umfangsabschnitt hat und daß der innere Umfangsabschnitt des Dichtungsrings (17) in Obereinstimmung mit der Nutenform der Umfangsnut (23) in der Klappenscheibe (13) ausgebildet ist
3. Drosselklappe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Dichtungsring (17) einen kreisförmigen Querschnitt hat
4. Drosselklappe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Anpreßdruck zwischen dem Dichtungsring (17) und der Nutenfläche wenigstens dem vierfachen Druckwert entspricht für den die Drosselklappe ausgelegt ist
5. Drosselklappe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Nutengrund der Umfangsnut (23) einen minimalen Durchmesser hat daß die Nutenränder (26,27) größere, aber ungleiche Durchmesser haben, daß der Nutenrand (26) mit dem größeren Durchmesser auf der der Schwenkachse (14) zugewandten Seite der Klappenscheibe (13) angeordnet ist
6. Drosselklappe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Dichtungsring (17) mit der Klappenscheibe (13) an in Umfangsrichtung voneinander im Abstand befindlichen Stellen durch Heftschweißungen (24) verbun- den ist.
7. Drosselklappe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß sich in dem Nutengrund eine Rille (25) befindet deren Grund von dem Innenumfang des Dichtungsrings (17) einen Abstand hat