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ROHRKUPPLUNG
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Gegenstand der Erfindung ist eine Rohrkupplung mit einem um die zu
verbindenden Rohrenden spannbaren Gehäuse, in dem eine im Axialquerschnitt C-förmige,
nach innen offene Manschette eingeschlossen ist, deren gegeneinander weisende Schenkel
als Dichtlippen ausgebildet sind und deren Steg sich gegen die Innenseite des Gehäuses
stützt.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine solche in ihren Grundzügen
in der DT-OS 24 28 101 beschriebene Rohrkupplung so auszugestalten, dass die Dichtheit
von
Anfang an und zeitlich unbegrenzt gewährleistet ist, unabhängig
von der Formgenauigkeit der zu verbindenden Rohrenden und Beschaffenheit ihrer Oberfläche,
von den Druckverhältnissen im Rohr und von Temperatureinflüssen, welche von dem
durch das Rohr geführte Medium oder von der Umgebung ausgehen. Dabei liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, dafür zu sorgen, dass die Dichtlippen die Rohrenden unter
allen Umständen an ihrem ganzen Umfang gleichmässig satt umschliessen. Zur Lösung
dieser Aufgabe ist der Steg auf den Dichtlippen je mittels eines an sich bekannten
Schraubenfederringes abgestützt.
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Gemäss der US-PS 3.420.554 sind in dem eine im Querschnitt C-förmige,
allerdings nach aussen offene, Manschette umschliessenden Gehäuse einer Rohrkupplung
Einlagen in Form von Schraubenfederringen vorgesehen.
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Diese liegen jedoch an den Stirnseiten der Manschette an, um ein Herausfliessen
des Manschettenmaterials entlang der Mantelfläche der Rohrenden zu verhindern. Die
im vorliegenden Fall zwischen den Dichtlippen und dem Steg eingesetzten Schraubenfederringe
erfüllen jedoch ganz andere Funktionen. Zum ersten übertragen sie die von dem Gehäuse
auf dem Steg ausgeübten radial nach innen gerichteten Kräfte auf die Dichtlippen
und dadurch kann die Manschette beim Schliessen des Gehäuses im Umfangssinne gestaucht
werden, ohne dass der Steg und / oder die Dichtlippen sich wellenförmig verformen
würden. Bei diesem Stauchen wird das aus der Manschette und den Schraubenfederringen
bestehende Dichtungselement etwa einer plastischen Masse vergleichbar beansprucht
und verformt, wobei die Dichtlippen die Rohrenden mit einem Würgegriff umschliessen
und sich - wie gesagt einer plastischen Masse ähnlich -an den Rohrmantel anschliessen.
Dies führt dazu, dass
die Kupplung gleich nach der Montage vollkommen
dicht ist und zwar selbst dann, wenn die Rohrenden Schweissnähte oder sonstige erhebliche
Unebenheiten aufweisen.
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Diese Betriebsbedingung wird durch Temperaturschwankungen, selbst
wenn dabei erhebliche und langanhaltende Druckperioden herrschen, nicht beeinflusst,
da die Schraubenfederringe ohne weiteres in der Lage sind, das Schwellen oder Schwinden
des Manschettenmaterials auszugleichen.
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Dabei spielt die eigene Vorspannung der Schraubenfederringe ebenfalls
eine Rolle. Weitere Funktionen der Schraubenfederringe werden weiter hinten erläutert
werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführung weist der zwischen den Schraubenfederringe
liegende Bereich des Steges an seiner nach innen gekehrten Seite an sich bekannte
Ringwülste, dabei vorzugsweise ein wellenartiges Axialprofil auf. Diese Ringwülste
verhindern ein wellenförmiges Verformen des Steges und zwar sowohl bei der Montage
der Kupplung als auch zufolge Wärmedehnungen bzw. Anschwellen des Materials selbst
unter Temperatureinwirkung. Der Steg stützt sich mithin immer gegen die innere Wandung
des Gehäuses ab, namentlich auch dann, wenn das Rohrinnere nach einer langen Hochtemperaturperiode
drucklos ist.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung ist der Steg von einer endlichen
Stahlbandeinlage umschlossen, welche radial nach innen abgewinkelte Ränder aufweist.
Eine solche verengungsfähige Stahlbandeinlage stellt beim Schliessen des Gehäuses
einen eigentlichen Gleitbelag dar. Zudem wirkt sie im Bereiche eines Schlitzes des
Gehäuses als eine Brücke, die dank den abgewinkelten
Rändern des
Bandes selbst bei relativ grossen Schlitzbreiten die Manschette zu stützen und ähnlich
die im Bereiche des Gehäuses nach innen zu drücken vermag.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist nachstehend
anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht
einer zur Montage auf Rohrenden bereiten Rohrkupplung, Fig. 2 einen Schnitt längs
der Linie II - II der Fig. 1 mit in die Kupplung eingeführten Rohrenden, wobei dieser
Schnitt in zwei übereinander angeordneten Hälften dargestellt ist: Die obere Hälfte
entspricht im wesentlichen der in Fig. 1 links erscheinenden Hälfte bei noch lose
um das entsprechende Rohrende gezogener Kupplung, die untere Hälfte dagegen der
in Fig. 1 rechts erscheinenden Hälfte bei gespanntem Gehäuse, Fig. 3 und 4 in pespektivischer
Darstellung zwei der Elemente der in Fig. 1 dargestellten Kupplung als wären diese
Elemente der Fig. 1 ohne Verdrehung entnommen worden, und Fig. 5 einen Teilschnitt
durch eine Ausführungsvariante des in Fig. 2 dargestellten Elementes.
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Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Rohrkupplung 10 weist ein Gehäuse
11 etwa in der Form einer Spannbride oder -muffe auf, dessen Gehäusekörper 12 im
wesentlichen
zylindrisch ist und an seinen stirnseitigen Enden nach
innen weisende Flansche 13, 14 aufweist. Das Gehäuse 11 ist einstückig aus einem
hochfestem Blech, z.B. aus rostfestem Stahl hergestellt. Nach aussen und voneinander
weg umgebogene, einstückig mit dem Gehäuse 11 ausgebildete Lappen 15, 16 umschliessen
je einen z.B. zylindrischen Spannbalken 17, 18, welche Balken mittels einer Anzahl
Bolzen - hier zwei Innensechskantbolzen 19, 20 - miteinander verbunden sind.
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Die freien Endkanten der Lappen 15, 16 sind zweckmässig mit der äusseren
Mantelfläche des Gehäusekörpers 12 verschweisst. Im vorliegenden Beispiel sind die
Köpfe 21, 22 der Innensechskantbolzen 19 bzw. 20 durch in den Lappen 15 ausgebildete
Langlöcher 23 bzw. 24 zugänglich. Der an die Köpfe 21, 22 anschliessende Teil der
Bolzen 19, 20 greift mit etwas Spiel durch nicht dargestellte Querbohrungen im Spannbalken
17, durch nicht sichtbare Oeffnungen in gebogenen Bereich des Lappens 15, sodann
mit Spiel durch Oeffnungen 25, 26 im gebogenen Bereich des Lappens 16 und schliesslich
in mit einem Innengewinde versehene Querbohrungen im Spannbalken 18. Aus dem Gesagten
ergibt sich, dass das Gehäuse 11 durch Anziehen der Bolzen 19, 20 sich in der Art
einer Spannbride oder -muffe zusammenziehen lässt.
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Für die im Gehäuse 11 zwischen den Flanschen 13 und 14 vorhandenen
Bestandteile sei insbesondere auf die Fig. 2 verwiesen. Das Gehäuse 11 umschliesst
eine in ihrem Axialquerschnitt C-förmige, nach innen offene Dichtmanschette 27,
vorzugsweise aus einem synthetischen Gummi, deren Steg 28 mit seiner Aussenseite
unter Zwischenlage einer Stahlbandeinlage 29 an der zylindrischen Innenseite 30
des Gehäusekörpers 12 satt
anliegt. Die Stahlbandeinlage 29 dient
unter anderen Dingen dazu, die zwischen den umgebogenen Bereichen der Lappen 15,
16 vorhandene Lücke (in Fig. 1 mit 31 bezeichnet) zu überbrücken. Auf die Stahlbandeinlage
29 wird noch zurückzukommen sein.
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An den Steg 28 der Dichtmanschette 27 schliessen beiderends deren
als Dichtlippen 32 bzw. 33 ausgebildete Enden an. Die Dichtlippen weisen an ihrer
freien Endkante eine scharfe Dichtkante 34 bzw. 35 auf, die beim Spannen des Gehäuses
11 dichtend auf die Mantelfläche der durch die Kupplung 10 zu verbindenen Rohrenden
36, 37 zu liegen kommen (im oberen Teil der Fig. 2 ist das Gehäuse noch nicht festgespannt).
An der dem Steg 28 zugekehrten Seite der Dichtlippen 32, 33 ist eine nach aussen
offene, im Querschnitt etwa halbkreisförmige Ringnut 38, 39 ausgebildet, in der
ein praktisch in sich geschlossenen, leicht gedehneter, metallischer Schraubfederring
40 bzw. 41 eingebettet liegt. Dieser stützt mit seinem Aussenumfang einen vergleichsweise
dünnwandigen Bereich 42 bzw. 43 des Steges an dessen Innenseite und ist umgekehrt
auch darauf abgestützt. Zwischen den Ringnuten 38, 39 und der eigentlichen Wurzel
44, 45 der Dichtlippen ist ein ringförmiger Hohlraum 46, 47 vorhanden, der durch
die Windungen der Schraubfederringe 40, 41 hindurch mit dem Raum 48 zwischen der
Innenseite des Steges 28 und der Aussenseite der Rohrenden 36, 37 in Verbindung
steht.
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Der Sinn dieser Anordnung ist der folgende. Die Schraubfederringe
40, 41 üben im wesentlichen vier
Funktionen aus. Dadurch dass sie
aussen an der Innenseite der Bereiche 42 bzw. 43 des Steges 28 abgestützt sind,
bieten sie erstens Gewähr dafür, dass beim Spannen des Gehäuses die Dichtlippen
32, 33 sofort mit einer grösseren radialen Anpresskraft als nur durch die eigene
Elastizität an die Aussenseite der Rohrenden 36 bzw. 37 angepresst werden. Zweitens
bieten sie, da sie leicht gedehnt sind, Gewähr dafür, dass der Innendruck der Rohre,
der über den Rohrstoss hindurch den Raum 48 beaufschlagt, auch auf der ganzen Länge
der dem Steg 28 zugekehrten Seite der Dichtlippen 32, 33 einschliesslich der Hohlräume
46, 47 wirksam ist und somit die Dichtlippen an ihren gesamten Aussenumfang hydrostatisch
nach innen anpresst. Drittens bieten die Schraubfederringe Gewähr dafür und dies
ist im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass insbesondere beim Nachlassen der Eigenelastizität
des Materials der Dichtmanschette 27 infolge mehrmaliger und über längere Zeit erfolgender
thermischer Wechselbeanspruchung die Dichtlippen 32 und 33 stets an den Aussenumfang
der Rohrenden 36, 37 gedrängt bleiben, auch wenn einmal kein Innendruck herrscht
und das unter Umständen nicht mehr ausreichend elastische Material der Manschette
ein Abheben der Dichtlippen 32 und 33 ermöglichen würde. Zugleich verhindern die
Schraubfederringe 40, 41 auch ein Abheben der dünnwandigen Bereiche 42, 43 des Manschettensteges
28 von der Stahlbandeinlage 29, welches Abheben bei den praktisch unvermeidbaren
Alterungserscheinungen von Gummimaterial bei thermischer Beanspruchung eintreten
kann, sobald der Rohrinnendruck absinkt oder ausfällt.
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Dieser zuletzt genannten Erscheinung tritt auch die besondere
Profilierung
der Innenseite des zwischen den Dichtlippen 32 und 33 liegenden Bereiches des Steges
28 entgegen. Man erkennt, dass dieser Bereich nicht eine konstante Wandstärke, sondern
in axialem Abstand voneinander angeordnete, ringförmige und nach innen ragende Wülste
49 aufweist, die dieser Innenseite ein gewelltes Profil verleihen. Dieses Profil
ist in Fig. 1 mit der punktierten Linie 50 angedeutet. Diese Wülste 49 dienen als
radial nach aussen wirksame Versteifungsrippen, die ein Abheben des Steges 28 von
der Stahlbandeinlage 29 verhindern, wenn das Manschettenmaterial nach vorangegangener,
thermisch bedingter Ausdehnung sich wieder zusammenzieht.
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Aus dem Gesagten ergibt sich, dass der Steg 28 der Dichtmanschette
27 - im Axialschnitt gesehen - nicht wie bei der vorbekannten Kupplung im wesentlichen
nur im Bereich der Dichtlippen 32, 33 in radialer Richtung durch die Abstützung
versteift ist (hier durch die Schraubfederringe 40, 41) sondern in dem zwischen
den Dichtlippen 32, 33 liegenden Bereich angeformte, radial nach aussen wirksame
Versteifungselemente in Form der Ringwülste 49 aufweist. Es ist festgestellt worden,
dass durch diese Profilierung des Steges 28 auch nach längerer Einsatzzeit der Kupplung
bei nahe an der oberen Grenze der (für das Manschettenmaterial) zulässigen Betriebstemperatur,
der Steg der Manschette zur satten Anlage an der Innenwand 30 des Gehäuses 11 bzw.
an der Stahlbandeinlage 29 gedrängt wird, selbst wenn das Manschettenmaterial infolge
der Langzeitbeanspruchung seine ursprünglichen Elastizitätseigenschaften eingebüsst
hat. Die Dichtheit der Kupplung ist
auch dann noch gewährleistet,
wenn die ursprünglich elastischen Eigenschaften des Manschettenmaterials durch eher
plastische Eigenschaften abgelöst wurden, namentlich auch, weil die Schraubfederringe
40 bzw.
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41 ihre Elastizität bis weit über die für Gummimaterial zulässigen
Temperaturgrenzen beibehalten.
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Die Stirnseite der Dichtmanschette 27 sind in zwei im wesentlichen
konische Flächen 51, 52 bzw. 53, 54 aufgeteilt. Die radial äusseren konischen Flächen
51, 53 liegen an den nach innen umgebogenen Seitenrändern 55, 56 der Stahlbandeinlage
29 an. Diese selbst besitzt zweckmässigerweise - was allerdings nicht dargestellt
ist - bei ungespanntem Gehäuse 11 die Form einer nicht ganz geschlossenen Windung,
wobei deren Enden etwa so weit auseinanderliegen, wie die gebogenen Abschnitte der
Lappen 15, 16, wobei jedoch - versteht sich - diese Enden der Stahlbandeinlage 29
vorzugsweise an einer der Lücke 31 diametral gegenüberliegenden Stelle angeordnet
sind.
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Die inneren konischen Flächen 52 bzw. 54 der Stirnseite der Manschette
27 liegen je satt auf einem kegelstumpfförmigen Spannring 58 bzw. 57 an. Diese,
ebenfalls aus hochfestem Stahl gefertigten Spannringe bestehen aus einem Band, dass
konisch zu etwas mehr als einer Windung mit einander lose überlappenden Windungsenden
aufgebogen wurde. An ihrem grösseren Durchmesser sind die Spannringe 57, 58 im Gehäuse
in der Kehle 59 bzw.
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60 zwischen Gehäusekörper 12 und Flansch 14 bzw.
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Flansch 13 axial gehalten. Im Bereich ihres kleineren Durchmessers
weisen die Spannringe eine grosse Anzahl
durch J-förmige Einschnitte
entstandene Lamellen 61 auf, die aus der kegeligen Fläche des Spannringes herausgedreht
sind, so dass sie einander schuppenartig überlappen. Die freie Endkante jeder dieser
Lamellen 61 bildet somit eine Kralle 62, die dazu bestimmt ist, sich in die Mantelfläche
der zu verbindenden Rohrenden zu vergraben und sich daselbst festzukrallen.
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Wenn nun ausgehend von der in Fig. 2 oben dargestellten Lage das Gehäuse
11 über die Rohrenden 36, 37 gespannt wird, dringen die Krallen 62 an den Enden
der Lamellen 61 der Spannringe 57, 58 unmittelbar in den Aussenmantel der Rohrenden
ein. Dies deshalb, weil die Spannringe 57, 58 im Bereich ihres grösseren Durchmessers,
also der Kehle 60 bzw. 59, durch eine sowohl an der äusseren als auch an der inneren
Mantelfläche angreifende Fassung verspannt sind. Diese Fassung besteht einerseits
aus einem äusseren, massiven Sprengring 63 (vergleiche Fig. 4) der einen Querschnitt
in Form eines Dreiecks mit nach innen weisender Spitze aufweist. Der Sprengring
63 besitzt somit eine zylindrische Aussenfläche 64, die satt an der Innenseite 30
des Gehäusekörpers 12 im Bereich der Kehlen 59, 60 anliegt, eine erste kegelige
Fläche 65, die satt an dem Seitenrand 55 bzw. 56 und damit auf der konischen Fläche
51 bzw. 53 der Stirnseite der Manschette 27 anliegt und schliesslich eine zweite
kegelige Fläche 66, die satt an der äusseren Mantelfläche des Spannringes 57 bzw.
58 anliegt. Die Enden 67, 68 (Fig. 4) des Sprengringes 63 liegen (bei ungespanntem
Gehäuse 11) höchstens so weit auseinander,
wie die gebogenen Teile
der Lappen 15, 16, so dass sie beim Spannen des Gehäuses 11 satt aufeinander zu
liegen kommen und der Sprengring 63 zu einem steifen, in sich geschlossenen Ring
wird. Die Lücke zwischen den Enden 67 und 68 ist selbstverständlich in bezug auf
die Lücke 31 verdreht angeordnet, wie sich aus Fig. 4 im Zusammenhang mit Fig. 1
ergibt.
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Andererseits besteht die Fassung der lamellierten Spannringe 57, 58
aus einem weiteren, an ihrer inneren Mantelfläche angreifenden Sprengring 69 (Fig.
3), der in der Ausführungsform der Fig. 1 bis 3 einen kreisrunden Querschnitt aufweist.
Dieser Sprengring 69 ist auf der Innenseite des Flansches 13 bzw. 14 abgestützt.
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Die Enden 70, 71 des Sprengringes 69 liegen (bei ungespanntem Gehäuse
11) etwa gleich weit auseinander wie die Enden 67, 68 des Sprengringes 63 und kommen
(bei gespanntem Gehäuse) satt aufeinander zu liegen.
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Die Lücke zwischen den Enden 70 und 71 ist in der Kupplung 10 sowohl
in bezug auf die Lücke 31 als auch auf die Lücke zwischen den Enden 67 und 68 verdreht
angeordnet.
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Die durch die Sprengringe 63 und 69 gegebene Fassung der Spannringe
58 und 57 bietet trotz der Nachgiebigkeit des Materials der Manschette 27 Gewähr
dafür, dass beim Spannen des Gehäuses 11 die Krallen 62 unmittelbar gezwungen werden,
sich in die Aussenfläche der zu verbindenden Rohrenden 36, 37 zu verankern, selbst
wenn im Raum 48 noch kein hydrostatischer Druck ansteht, der über die inkompressible
Manschette 27 dasselbe bewirken würde. Von allem Anfang an bietet
somit
die dargestellt Kupplung nicht nur eine dichte sondern auch eine einem Formschluss
in axialer Richtung und auch in Verdrehungsrichtung gleichkommende Verbindung der
Rohrenden, sobald das Gehäuse festgespannt ist. Diese Verbindung bleibt auch bei
einer praktisch unbegrenzten Betriebsdauer gewährleistet, selbst wenn die Betriebstemperaturen
nahe an der oberen Zulässigkeitsgrenze liegen.
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Eine Ausführungsvariante für den Sprengring 69 ist in Fig. 5 dargestellt.
Dieser Sprengring 69' weist einen dreieckigen Querschnitt und somit eine kegelige
Fläche 72 auf, die zur Anlage an die innere Mantelfläche des Spannringes 57 bzw.
58 bestimmt ist, sowie eine ebene Ringfläche 73, die zur Anlage an die Innenseite
des Flansches 13 bzw. 14 bestimmt ist. Der radial innerste Angriffspunkt der an
der inneren Mantelfläche der Spannringe 57, 58 angreifenden Sprengringe 69 oder
69' liegt auf einem grösseren Durchmesser, als der innerste Angriffspunkt des an
der äusseren Mantelfläche der Spannringe 57 bzw. 58 angreifenden Spannringes 63.
Dadurch bleibt dem Spannring 57, 58 die Möglichkeit erhalten, seinen Oeffnungswinkel
zu vergrössern, mit der Folge, dass die Krallen 62 sich noch tiefer in die Aussenfläche
der verbundenen Rohrenden 36, 37 eingraben.