DE2734935A1

DE2734935A1 - Dichtungsverfahren und -anordnung

Info

Publication number: DE2734935A1
Application number: DE19772734935
Authority: DE
Inventors: John Gregori Emm Melville
Original assignee: Worcester Controls UK Ltd
Current assignee: Worcester Controls UK Ltd
Priority date: 1976-08-04
Filing date: 1977-08-03
Publication date: 1978-02-09
Also published as: NL7708664A; ZA774659B; ES461349A1; SE7708856L; US4134595A; FI772354A; JPS5320052A; BR7705129A; AU2758877A; FR2360807A1; IL52636A0

Description

Worchester Controls Limited, BurrelLRoad, Haywards Heath, Sussex RH16 1TL, England

Dichtungsverfahren und -anordnung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spannen oder Beanspruchen eines Ringdichtungselementes, ein Verfahren zum Dichten eines Ringspaltes und eine Dichtungsanordnung, die im besonderen, jedoch nicht ausschließlich, auf Ventile mit Absperrkörper anwendbar ist.

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Solche Ventile sind gewöhnlich mit ringförmigen Sitzelementen versehen, die entsprechende Schlitze oder Kanäle in dem Ventilkörper umgeben und zwischen der Innenfläche des Ventilkörpers und der Oberfläche des Absperrkörpers sitzen. Die Sitzelemente dienen dazu, Dichtungen zwischen dem Absperrkörper und dem Ventilkörper und bei Ventilen mit schwimmendem Absperrkörper Lagerflächen für diesen zu bilden.

In dem Bemühen, zwangsläufige Dichtungsberührung zwischen den Sitzelementen und den Oberflächen des Absperrkörpers und des Ventilkörpers bei niedrigem Betriebsdruck zu erhalten, kann das Ventil so eingerichtet sein, daß jedes Sitzelement elastisch beansprucht wird, um eine Gegenwirkung auf diese Oberflächen auszuüben. Auf diese Weise können Änderungen der relativen Abmessungen, die sich aus TemperaturSchwankungen, Änderungen innerhalb der Fertigungstoleranzen und der Bewegung des Absperrkörpers unter variierenden Befcriebsbelastungsbedingungen ergeben, durch elastische Verformung der Sitzelemente angepaßt oder ausgeglichen werden.

Eine Schwierigkeit ergibt sich jedoch bei der Verwendung von Material für die Sitzelemente, das schlechte elastische Eigenschaften und das Bestreben zu plastischer Verformung hat, wie beispielsweise Fluorkohlenstoff-Kunststoff. Dieses Material, im besonderen PTFE (Polytetrafluoräthylen), ist

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besonders wertvoll als Sitzelementmaterial, weil es die meisten seiner nützlichen Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich beibehält, von nahezu allen bekannten chemischen Bubstanzen unbeeinflusst bleibt und ausgezeichnete Antifriktionseigenschaften hat. Eine Eigenschaft des Materials ist jedoch, daß es sich bei Beanspruchung über einen Zeitraum plastisch zu verformen sucht, um die Beanspruchung zu vermindern, wobei die Wirkung bei erhöhten Temperaturen besonders ausgeprägt ist. Außerdem ist der momentane elastische Bereich von PTFE ziemlich begrenzt. Das heißt, die prozentuale Verformung, der das Material unterworfen werden kann, so daß es sogleich in seine ursprüngliche Form oder Größe bei Entfernung des Biegungseinflusses zurückkehrt, ist klein (vgl. beispielsweise die prozentuale Verformung von Gummi).

In einem Kugelventil oder Ventil mit kugelförmigem Absperrkörper kann die Belastung, der das Sitzelement bei unter Betriebsdruck geschlossenem Ventil unterworfen wird, viele Größenordnungen größer als die Zusammenbaubeanspruchung oder -spannung sein (d.h,, die elastische Beanspruchung, die "eingebaut" ist, um zwangsläufige Dichtungsberührung, wie oben angegeben, unter geringem Betriebsdruck zu erhalten). Eine sdche Belastung kann schwerwiegende örtliche plastische Verformung eines PTFE-Sitzelementes, Verlust an Zusammenbauspannung und infolgedessen Sickerung bei

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geringem Druck ergeben. Eine ähnliche plastische Verformung kann als Folge von großen Temperaturschwankungen auftreten. Das Verhältnis der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Stahl (aus dem der Ventilkörper und der Absperrkörper gewöhnlich hergestellt sind) und PTFE hat die Größenordnung von 1:10, so daß sich bei erhöhten Temperaturen das Sitzelement relativ zu den anderen Bauteilen ausdehnt« Infolgedessen kann das Sitzelement wesentlicher Ringdruckbeanspruchung oder -spannung aus der Bohrung der Sitzelementaussparung in dem Ventilkörper und radialer Druckbeanspruchung infolge Einengung zwischen den Oberflächen des Absperrkörpers und des Ventilkörpers unterworfen werden. Bei niedrigen Temperaturen zieht sich das Sitzelement zusammen, so daß es dicht um den kugelförmigen Absperrkörper greift oder sich zwischen dessen Oberfläche und die Schulter der Sitzaussparung klemmt. Dies ergibt Verformung des Sitzelementes, vergrößertes Betriebsdrehmoment und erhöhten Verschleiß.

Ähnliche Probleme entstehen bei Wellen- und Kolbendichtungen. In einer Wellen- oder Kolbendichtungsanordnung ist es für zwangsläufige Dichtung erforderlich, eine Minimalbelastung des Ringdichtungselementes gegen die Oberfläche der Welle oder des Kolbens auf der Innenseite des Ringes und die Oberfläche des Wellengehäuses oder der Zylinderkammer auf der Außenseite des Ringes aufrechtzuerhalten« Andererseits soll die Belastung nicht zu groß sein, da dies Reibung und Verschleiß erhöht«

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Eine übliche Dichtungsanordnung; besteht aus einem Dichtungsring, beispielsweise einem "O-Rin^", der in lern Ringspalt zwischen der Oberfläche der Welle oder des Kolbens und der Oberfläche des V/ellengehäuses oder der Kolbenkammer zusammengepreßt ist. Der Ring ist somit radialer Zusammenpressung zwischen diesen Flächen unterworfen. Eine Schwierigkeit bei dieser Anordnung besteht jedoch darin, daß sich die radiale Spannung oder Beanspruchung in dem Dichtungsring sehr schnell mit der Änderung der Dicke des ringförmigen Spaltes ändert. Somit kann geringe Exzentrizität der Welle oder geringe Änderung des Durchmessers der Kolbenkammer wesentliche Änderung der Belastung an dem Sichtungsring verursachen, woraus entweder Sickerung oder übermäßige Abnutzung des Ringes resultiert. Außerdem ist die Lebensdauer des Dichtungsringes in einer solchen Anordnung verhältnismäßig kurz, da sogar unter idealen Bedingungen schon geringer Verschleiß des Ringes eine beträchtliche Verkleinerung der ausgeübten Dichtungsbelastung erzeugt. Dies kann nur dadurch ausgeglichen werden, daß die Anfangszusammenpressung des Ringes vergrößert oder der Ring aus weicherem Material hergestellt wird, was aber in beiden Fällen zu beschleunigtem Verschleiß führt.

Die obigen Probleme sind bei Dichtungsringen aus Fluorkohlenstoff-Kunststoff material, beispielsweise PTFE, besonders ausgeprägt.

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^Irtiter einem "f.-niehfc^punlifc wLl'.'I ein /erfahren zum Dichtexi ο ine r, ringförmigen Spaltes ^er.chaffen, bei dem ein erster von einem zweiten all^emsin kreisförmigen Flächenbereich dadurch getrennt v/ir:l, :Jaß ein ringförmiges Element darin plaziert wird, das so beansprucht wird, daß eine Dichtungsbelastunr; auf diese Flächenbereiche ausgeübt wird. Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Element durch toroidales (d.h. in Form eines Torus, Ringkörpers oder Wulstes) Drehen über einen wesentlichen Winkel beansprucht und in dem Spalt so plaziert wird, daß es frei toroidal auf den ersten und zweiten Flächenbereich gegenwirkt, wodurch die Dichtungsbelastung im wesentlichen gänzlich durch die toroidale Gegenwirkung des ringförmigen Elementes erzeugt wird.

Unter einem anderen Gesichtspunkt wird eine Dichtungsanordnung geschaffen, die einen ersten und einen zweiten allgemein kreisförmigen Flächenbereich aufweist, wobei diese Bereiche durch einen ringförmigen Spalt und ein ringförmiges Element voneinander getrennt sind, das in dem Spalt angeordnet und so beansprucht ist, daß eine Dichtungsbelastung auf den ersten und den zweiten Flächenbereich derart ausgeübt wird, daß zwischen diesen Bereichen eine Dichtung entsteht. Die Anordnung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Element kompressiv und ausweitbar in einem ersten bzw. zweiten Teil seines Radialschnitte ringförmig beansprucht und so angeordnet ist, daß es frei

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ORIGINAL INSPECTED

toroidal auf den ersten und zweiten Flächenbereich unter der Wirkung der ringförmigen Beanspruchungen gegenwirkt, wodurch die Dichtungsbelastung im wesentlichen gänzlich durch die toroidale Gegenwirkung des ringförmigen Elementes erzeugt wird«

Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung bildet ein Kugelventil oder Ventil mit kugelförmigem Absperrkörper, das eine im obigen Absatz beschriebene Dichtungsanordnung aufweist, bei der der erste Oberflächenbereich ein ringförmiger Innenflächenbereich des Ventilkörpers ist, der zweite Oberflächenbereich ein Flächenbereich des kugelförmigen Absperrkörpers ist und das ringförmige Element ein Sitzelement fur den Absperrkörper ist«

Eine andere spezielle Ausfuhrungsform der Erfindung bildet eine Wellen- oder Kolbendichtungsanordnung, die eine oben beschriebene Dichtungsanordnung aufweist, in der der erste oder zweite allgemein kreisförmige Flächenbereich ein zylindrischer Innenflächenbereich eines Wellengehäuses oder einer Kolbenkammer ist und der andere dieser Flächenbereiche ein zylindrischer Flächenbereich einer Welle oder eines Kolbens ist« Der erste Flächenbereich ist von dem zweiten Flächenbereich längs der Achse der Welle oder des Kolbens in Abstand angeordnet, damit das ringförmige Element toroidal auf die Flächenbereiche gegenwirken kann, um eine Dichtung zwischen diesen zu bilden«

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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen ersichtlich, die lediglich als Beispiel im Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben sind« In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt einer Sitzanordnung in einem Drehventil oder -schieber mit kugelförmigem Absperrkörper;

Fig. 2 einen Querschnitt eines Teiles des Ventils der Fig. 1 während des Zusammenbaues;

Fig. 3 Querschnitte eines Teiles eines Sitzelementes für ein Ventil mit kugelförmigem Absperrkörper in verschiedenen Stufen der toroidalen Drehung;

Fig. 4- einen Querschnitt eines Teiles eines Sitzelementes und benachbarter Bauteile in dem Ventil der Fig. 1;

Fig. 5 einen Querschnitt eines Ventils mit kugelförmigem Absperrkörper nach der Erfindung;

Fig. 6 eine der Fig. 4- ähnliche Ansicht, die eine abgeänderte Form des Dichtungselementes veranschaulicht;

Fig. 7 einen Querschnitt eines Teiles einer Wellen- oder Kolbendichtungsanordnung nach der Erfindung; und

Fig. 8 einen Querschnitt des Sitzelementes eines speziellen Beispiels des Ventils mit kugelförmigem Absperrkörper nach der Erfindung.

Fig. 1 ist ein Querschnitt einer Sitzanordnung in einem Ventil mit kugelförmigem Absperrkörper und zeigt den Ab-

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sperrkörper 11, den Ventilkörper 13» eine in dem Körper 13 ausgebildete ringförmige Sitζaussparung 15 mit einer Schulter 16, die einen Kanal oder Schlitz 17 des Ventils umgibt, und ein ringförmiges Sitzelement 19, das in der Sitzaussparung 15 gehalten wird. Der kugelförmige Absperrkörper 11 und der Ventilkörper 13 bestehen aus Stahl, und das Sitzelement 19 ist aus PTFE hergestellt.

Das Sitzelement 19 ist in Berührungseingriff mit dem Absperrkörper 11 und der Schulter 16 durch Spannungen innerhalb des Sitzelementes selbst gedrückt. Genauer gesagt wird das Sitzelement 19 beim Zusammenbau des Ventils toroidal (d.h. in Form eine· Torus, Ringkörpers oder Wulstes) in der Richtung der Pfeile 21 in die dargestellte Lage gedreht,Die auf diese Weise in dem Sitzelement bewirkten Spannungen oder Beanspruchungen suchen das Element in der umgekehrten Richtung toroidal zu drehen, so daß der radial innere, ringförmige Bereich 23 des Elementes in Dichtungsberührung mit einem entsprechenden im wesentlichen kreisförmigen Bereich 24 der Oberfläche des Absperrkörpers 11 gedrückt wird und die "Ferse" oder "Führungsfase" 14 des Elementes in Dichtungsberührung mit der Schulter 16 gedrückt wird. Es wird bemerkt, daß die Führungsfase 14 den von der Schulter 16 gebildeten ringförmigen Flächenbereich längs einer auf der Achse 25 zentrierten, im wesentlichen kreisförmigen Linie berührt» Das ringförmige Sitzelement 19 sowie die Bohrungen des Schlitzes 17 und der ringförmigen Aussparung

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haben die gemeinsame Achse 25» die durch die Mitte des Absperrkörpers 11 verläuft.

Fig. 2 veranschaulicht das Verfahren zum Zusammenbauen des Ventils und zeigt im besonderen die Form des Sitzelementes 19 in reinem anfänglichen, unbeanspruchten Zustand vor einem solchen Zusammenbau.

Es wird bemerkt, daß das Sitzelement anfänglich allgemein dreieckigen Querschnitt hat und mit einer im wesentlichen ebenen, ringförmigen Fläche 31, einer konischen Innenfläche 33 und einer konischen Außenfläche 35 ausgebildet ist. Die Ecke zwischen den Flächen 31 und 33 ist kegelstumpfförmig, um eine kurze Innenbohrung 37 zu erhalten.

Für den Zusammenbau des Ventils wird das Sitzelement 19 in der Aussparung 15 oder (wie in der Zeichnung dargestellt) an der öffnung dieser Aussparung plaziert, wobei die Ferse oder Führungsfase 14 von der Ecke zwischen den konischen Oberflächen 33 und 35 gebildet wird, die nach innen gerichtet der Aussparung zugewandt sind. Dann wird zunächst der Absperrkörper 11 auf der Achse 25 zentriert und in die Aussparung in Richtung des Pfeiles 29 in die zusammengebaute Lage gedruckt, wie in Fig. 1 gezeigt ist, wodurch das Sitzelement 19 in Richtung der Pfeile 27 toroidal gedreht wird. Es wird bemerkt, daß der Winkel, über den der Sitz toroidal aus der anfänglichen in Fig. 2 gezeigten, entlasteten Gestalt in die in Fig. 1 dargestellte Form in einem zusammen-

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gebauten Ventil gedreht wird, beträchtlich ist. Der Drehwinkel ist derart, daß die anfänglich konische Oberfläche 35 allgemein zylindrisch wird, während der Scheitelwinkel der zylindrischen Oberfläche 33 aus der Größe von 90° in einen stumpfen Winkel von annähernd 180° (obwohl dieser Wert nicht erreicht wird) wesentlich vergrößert wird. Eine solche "massive" toroidale Drehung des Sitzelementes beansprucht ringförmig das PTFE-Material über seine momentane elastische Grenze hinaus über ein wesentliches Verhältnis des Radialschnittes des Elementes, was aus der Tatsache hervorgeht, daß bei Entfernung eines solchen Sitzelementes aus einem früher zusammengebauten Ventil sich das Element anfänglich in eine Form entspannt, die zwischen der anfänglichen und der zusammengebauten Form liegt·

Die Spannungen oder Beanspruchungen, von denen angenommen wird, daß sie sich in dem Sitzelement während der "massiven" toroidalen Drehung entwickeln, sind in Fig, 3 schematisch veranschaulicht* In Fig. 3 stellt (a) die anfängliche, unbeanspruchte Form des Sitzelementes dar, während (b) und (c) aufeinanderfolgende Zwischenformen bei toroidaler Drehung des Sitzelementes während des Zusammenbaues des Ventils veranschaulichen und (d) die Form des Sitzelementes, die der aus Fig. 1 ersichtlichen entspricht, in dem zusammengebauten Ventil unter Bedingungen der Betriebsbelastung Null zeigt. Wenn das Sitzelement toroidal gedreht wird, wird ein

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Teil des Querschnittes des Sitzelementes im Umfang reduziert, und ein anderer Teil des Querschnittes wird im Umfang vergrößert. Diese zwei Querschnittteile sind in Fig.3 bei 37 bzw. 39 dargestellt, wobei die Teile durch einen neutralen Bereich getrennt sind, der sich im allgemeinen in der Nähe der gestrichelten Linie 41 befindet und für den wenig Änderung des Umfangs auftritt. Infolgedessen wird bei toroidaler Drehung das Sitzelement ringförmig gespannt oder beansprucht, wobei der Teil 37 des Abschnittes kompressiv ringförmig beansprucht wird und der Teil 39 des Querschnitts extensiv ringförmig beansprucht wird (kompressive und extensive ringförmige Beanspruchungen sind in der Zeichnung mit "-" bzw. "+" bezeichnet). Scher- und Biegebeanspruchungen können auch im Element erzeugt werden, aber diese sind verglichen mit den ringförmigen Beanspruchungen verhältnismäßig klein.

Die der größten ringförmigen Beanspruchung (d.h., Umfangslängsdehnung oder -zusammenpressung)unterworfenen Bereiche des Sitzelementes sind von dem neutralen Bereich 41 am weitesten entfernt. In diesen Bereichen wird zuerst die momentane elastische Grenze des PTFE-Materials während der toroidalen Drehung des Elementes überschritten« Venn die toroidale Drehung des Elementes fortgesetzt wird, breiten sich die in der Zeichnung mit den schraffierten Flächen 45 und 47 des Schnittes angegebenen Bereiche, in denen die elastische Grenze überschritten wird, fortschreitend nach innen gegen

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den neutralen Bereich 41 aus. In der zusammengebauten Sitzanordnung ist ein wesentlicher Anteil der Querschnittsflache des Sitzelementes der Beanspruchung über die momentane elastische Grenze des Materials hinaus unterworfen worden. Somit entsprechen die in den Bereichen 45 und 47 bleibenden ringförmigen Spannungen allgemein der maximalen elastischen Spannung oder Beanspruchung, die das Material aushält, wobei die ringförmigen Spannungen im wesentlichen gleichmäßig über diese Bereiche verteilt sind.

Die in den bei 37 bzw. 39 des Sitzelementes in dem zusammengebauten Ventil entstandenen kompressiven und extensiven ringförmigen Spannungen bewirken, daß das Sitzelement toroidal auf die Oberfläche des Absperrkörpers 11 und die Oberfläche 16 des Gehäuses Gegenwirkung ausübt, um eine Dichtung zwischen diesen zu bilden, wie zuvor erwähnt wurde. Es wird bemerkt, daß die Dichtungsbelastung (wenn sich das Ventil unter den Bedingungen der Betriebsbelastung Null befindet) somit gänzlich durch die toroidale Gegenwirkung des Sitzelementes erzeugt wird. Das Sitzelement ist frei von jeder Berührung mit der Innenfläche des Gehäuses 13 oder der Oberfläche des Absperrkörpers 11 im Gegensatz zu den Flächen des inneren ringförmigen Bereichs 23 und der Führungsfase 14. Außerdem trägt im wesentlichen die gesamte Masse des Materials des Sitzelementes zu einer solchen toroidalen Gegenwirkung und bei einer Beanspruchung auf im wesentlichen das von dem PTFE-Material aushaltbare Maximum zu der toroidalen

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Gegenwirkung bis zu seiner größtmöglichen Leistungsfähigkeit bei.

Ein besonderes Merkmal der beschriebenen Anordnung besteht darin, daß eine verhältnismäßig große prozentuale Änderung der Dicke des ringförmigen Spaltes zwischen der Oberfläche 16 des Ventilkörpers und der Oberfläche des Absperrkörpers 11 nur eine verhältnismäßig kleine prozentuale ringförmige Verformung des Sitzelementes ergibt. Infolgedessen hält das Sitzelement seine toroidale Gegenwirkung auf die Oberflächen des Ventilkörpers und des Absperrkörpers trotz wesentlicher Änderung der relativen Positionen dieser Oberflächen aufrecht. Dieses Merkmal hat besondere Bedeutung für bestimmte Leistungskennwerte des Ventils, wie weiter unten ausführlicher erörtert wird.

In Fig. 3 ist die Form des Sitzelementes, wenn sich das Ventil unter hoher Betriebsbelastung befindet, bei (e) gezeigt. Die auf das Sitzelement von dem Absperrkörper 11 ausgeübte Kraft ist mit dem Vektor 49 angegeben, und dieser reicht aus, um das Sitzelement toroidal zu drehen, bis die Oberfläche 33 eben gegen die Schulter 16 der Sitzaussparung liegt und die Ferse oder Führungsfase 14 an der Bohrung 15 der Aussparung angreift. Die Kraft 49 wird im wesentlichen durch die Reaktionskräfte 51 und 53 ausgeglichen, die sich in diesen Berührungsbereichen entwickeln.

Es wird bemerkt, daß bei anfänglicher Biegung in die bei

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(e) gezeigte Form weitere plastische Verformung in den Bereichen 4-5 und 4-7 des Sitzelementes auftritt, so daß bei Rückkehr in die "zusammengebaute" Form (d.h., die Form, wenn das Ventil unter der Betriebsbelastung Null ist) die Spannungen in dem Material geringfügig gegen das von dem Material aushaltbare Maximum reduziert werden. Diese Situation ist bei (f) angegeben. Bei nachfolgenden Biegungen zwischen den Formen (e) und (f) ist die Verformung des Sitzelementes im wesentlichen elastisch.

Bei Entfernung des Sitzelementes aus einem früher zusammengebauten Ventil gelangt das Element zurück in eine Form zwischen der anfänglichen Form (a) und der zusammengebauten Form (d), wobei die Zwischenform bei (g) gezeigt ist. Es wird bemerkt, daß das Element in der Form (g) keinen von außen ausgeübten Kräften oder Momenten unterworfen ist, so daß alle Spannungen in dem Material ausgeglichen sein müssen« Es wird angenommen, daß in diesem Zustand die Enden der Bereiche 37 und 39 extensiv bzw, kompressiv ringförmig beansprucht sind, während die inneren Teile der Bereiche 37 und 39 ihre kompressiven und extensiven Spannungen beibehalten· Beim erneuten Zusammenbau eines Ventils gelangt die Spannungsstruktur wieder zurück in die bei (d) oder (f) angegebene.

Es wird bemerkt, daß das veranschaulichte Sitzelement in den "vorgespannten" Zustand, der bei (g) gezeigt ist, in anderer Weise toroidal gedreht «erden könnte als dadurch,

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daß es in ein Ventil mit Absperrkörper eingebaut wird. Beispielsweise könnte ein Werkzeug verwendet werden, um das Element im wesentlichen in die bei (d) gezeigte Lage zu drehen, so daß ein wesentlicher Teil des Materials des Elementes über seine momentane elastische Grenze hinaus ringförmig beansprucht wird, wie oben beschrieben ist, und dann zugelassen wird, daß sich das Element auf im wesentlichen den bei (g) gezeigten "vorgespannten" Zustand entspannt und zum Zusammenbau in einem Ventil zu einem späteren Zeitpunkt vorbereitet ist. Außerdem hat ein Sitzelement, das anfänglich mit der bei (g) gezeigten Form hergestellt ist, d.h. ein Element mit dieser Form, aber ohne die angegebenen "eingeriegelten" ringförmigen Spannungen, wenn es in ein Kugelventil eingebaut ist, nicht die hier mit Bezug auf das Element beschriebene Leistung, das wesentlicher toroidaler Drehung unterworfen worden ist.

Wie zuvor erwähnt wurde, ist es ein besonderes und vorteilhaftes Merkmal der oben beschriebenen Ventilsitzanordnung, daß das Sitzelement 19 seine toroidalen Gegenwirkungseigenschaften über einen beträchtlichen Bereich von Änderungen in den Abmessungen des von dem Sitzelement abgedichteten ringförmigen Spaltes beibehält. Infolgedessen wird die Dichtungsbelastung zwischen dem Sitz und den Absperrkörper- und Gehäusefiächen wenig durch lemessungsÄnderungen innerhalb normaler Bereiche der Tertigungstolerans beeinflußt« Solche Änderungen können leicht durch toroidale Abbiegung

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des Sitzelementes ohne merkliche Änderung der von dem Sitzelement ausgeübten Gegenwirkung angepaßt oder ausgeglichen werden·

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der beschriebenen Anordnung ist die Fähigkeit, wesentliche Änderung der Temperatur ohne merkliche Verminderung der Ventilleistung zu tolerieren. Wie aus Fig. 1 und 3 ersichtlich ist, ist in dem zusammengebauten Ventil unter den Bedingungen der Betriebsbelastung Null ein wesentliches Spiel zwischen der allgemein zylindrischen Oberfläche 35 des Sitzelementes und der Bohrung 15 der Sitzaussparung vorgesehen. Dieses Spiel schafft einen Raum, in dem sich das Sitzelement (relativ zu dem Körper 15) bei erhöhten Temperaturen ausdehnen kann, ohne einer Zusammenschnürung und daraus folgender Verformung durch die Aussparung oder Verengung zwischen den Oberflächen des Absperrkörpers und des Ventilkörpers unterworfen zu sein«

Fig. 4 zeigt eine schematische Veranschaulichung von Änderungen der Form des Sitzelementes unter weiten Temperaturschwankungen· Bei Temperaturen im mittleren Bereich verläuft der Umriß des Sitzelementquerschnittes 19 wie mit ausgezogenen Linien angegeben und entspricht dem Umriß gemäß Fig. 1. Venn sich die Temperatur erhöht, vergrößert sich der Durchmesser des Sitzelementes relativ zu dem der Aussparung 15, so daß sich der Querschnitt nach links (bezogen auf die Zeichnung) in die Stellung 19* bewegt· Es wird bemerkt, daß die Berührung des Sitzelementes mit der Oberfläche des Absperr-

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körpers 11 durch toroidale Drehung des Elementes unter der oben erörterten Wirkung der ringförmigen Spannungen aufrechterhalten wird.

Wenn sich die Temperatur vermindert, wird der Durchmesser des Sitzelementes relativ zu dem der Aussparung 15 und des Absperrkörpers 11 verkleinert, so daß sich der SitzelementquRrschnitt nach rechts (bezogen auf die Zeichnung) in die mit 19" angegebene Lage bewegt. Es wird auch in diesem Fall bemerkt, daß eine solche relative Bewegung des Sitzelementquerschnitts leicht durch toroidale Drehung des Elementes ausgeglichen werden kann, wobei daher für das Element nur geringes Bestreben besteht, sich rings um den Absperrkörper festzuklemmen oder zwischen dessen Oberfläche und der Aussparungsschulter 16 verkeilt zu werden.

Es ist ein weiteres bemerkenswertes Merkmal der beschriebenen Anordnung, daß das Ventil wesentliche Betriebsbelastung aushalten kann, ohne daß daraufhin Sickerung an dem Sitzele— ment auftritt, das dieser Belastung unterworfen war. Wiederum mit Bezug auf Fig. 3 und im besonderen auf die Darstellung (e) wird bemerkt, daß die auf den Sitz ausgeübten Kräfte 49, 51 und 53 (die örtlich ausreichend sind, um das Sitzmaterial im wesentlichen über den Punkt hinaus, bei dem plastische Verformung auftritt, kompressiv zu beanspruchen) in dem unteren Teil (bezogen auf die Zeichnung) des Sitzquerschnitts hauptsächlich in dem ringförmigen Bereich 43 und der Ferse 14 konzentriert werden. In diesen Bereichen können be-

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trächtliche plastische Verformung und permanente Modifizierung der Spannungsstruktur durch die höhen Belastungskräfte verursacht werden. Jedoch wird die Masse des Sitzmaterials durch diese Kräfte nicht beeinflußt, so daß über einen großen Anteil des Sitzquerschnittes die ringförmigen Spannungen oder Beanspruchungen, welche die zuvor beschriebene toroidale Gegenwirkung hervorrufen, nicht merklich geändert werden. Infolgedessen wird bei Entfernung der Betrieb sbelastung ausreichende toroidale Elastizität von dem Sitzelement beibehalten, um Dichtungsberührung mit der Oberfläche des Absperrkörpers 11 und der Schulter 16 aufrechtzuerhalten und irgendwelche Bemessungsänderungen in dem Sitz anzupassen oder auszugleichen, die durch Verformung unter der Wirkung der Betriebsbelastung verursacht worden sein können«

Pig. 5 ist ein Querschnitt eines vollständigen Ventils mit kugelförmigem Absperrkörper gemäß der Erfindung· Der dargestellte Schnitt verläuft in der zu der Drehachse 61 des kugelförmigen Absperrkörpers 11 senkrechten Ebene. Der Ventilkörper 13 weist einen Hauptteil 13'» in dem der eine Ventilschlitz 17' gebildet ist, und einen ringförmigen Ventilkörperteil 13", der sich mit Gewindeeingriff in eina? axialen Öffnung 63 des Hauptteils 13' befindet, um den anderen Ventilschlitz 17" zu bilden.

Das Ventil ist unter Bedingungen der Betriebsbelastung dargestellt, wobei das Ventil natürlich geschlossen und dem am

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Schlitz 17" ausgeübten Betriebsdruck unterworfen ist. Der an dem Absperrkörper 11 entstehende Druck drückt diesen in die Abströmrichtung (nach links mit Bezug auf die Zeichnung) wodurch das strömungsabwärts befindliche Sitzelement 19* in Gegenlagerberührung mit der strömungsabwärts befindlichen Schulter 16' gedreht wird, wie oben mit Bezug auf Fig» 3(e) beschrieben ist.

Beim Zusammenbau des dargestellten Ventile wird das Sitzelement 19' in der öffnung 63 plaziert und dann axial in die Bohrung 15 des Ventilkörperteils 13' entweder mittels des Absperrkörpers 11 oder mit einem geeigneten Werkzeug gedrückt, im wesentlichen wie oben mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben wurde. Ein anderes Verfahren wird für das Sitzelement 19" verwendet: Das Element wird zuerst in der erforderlichen Richtung mittels eines geeigneten Vorrichtungs- oder Spannwerkzeugs toroidal gedreht und dann eingesetzt, während es auf diese Weise in dem gespannten oder beanspruchten Zustand gehalten wird.

Schließlich wird der ringförmige Teil 13" in die öffnung 63 geschraubt, um an seinem inneren Ende eine Schulter 16" zum Eingriff mit der Ferse oder Führungsfase des Elementes 19" zu bilden.

Ein bemerkenswertes Merkmal der beschriebenen Anordnung ist die Fähigkeit, Hohlraumdruckentlastung su schaffen. Venn ein Ventil mit Absperrkörper unter Einschluß von Flüssigkeit

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in dem Hohlraum des Absperrkörpers geschlossen ist, können große Drücke durch die eingeschlossene Flüssigkeit entwickelt werden, falls eine beträchtliche Temperaturänderung erfolgt. Die oben beschriebene Anordnung hat eine solche Geometrie, daß auf das Sitzelement in der umgekehrten Rich- * tung, d.h. in der Richtung des zugeordneten Ventilschlitzes 17 ausgeübter Pluidumdruck bestrebt ist, das Sitzelement von der Oberfläche des Absperrkörpers 11 toroidal wegzudrehen.

In Pig, 5 markieren die Pfeile 55 Fluidumdruck, der durch in dem Hohlraum 65 des Absperrkörpers 11 eingeschlossene Flüssigkeit ausgeübt wird. Es wird bemerkt, daß für Druck, der aus dieser Richtung ausgeübt wird, um gegen die toroidale Gegenkraft in dem Sitzelement zu wirken, der Berührungskreis des Sitzelementes mit der Oberfläche 16" (an der Führungsfase 14") außerhalb des Kegels liegen muß, der durch eine Extrapolation der Radien 57 des Absperrkörpers erzeugt wird, die den kreisförmigen Bereich 59^W schneiden, bei dem das Sitzelement normalerweise die Oberfläche des Absperrkörpers 11 berührt.

Unter Bedingungen der Betriebsbelastung erfolgt Hohlraumdruckentlastung bei dem strömungsaufwärts befindlichen Sitzelement 19", da die Belastung an diesem Element wesentlich kleiner als die an dem strömungsabwärts befindlichen Sitzelement 19* ist.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der beschriebenen Anordnung besteht darin, daß das Ventil so gestaltet werden kann,

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daß es verhältnismäßig geringe Dichtungsbelastung zwischen dem Sitzelement und dem kugelförmigen Absperrkörper 11 hat, wobei dies dadurch ermöglicht wird, daß keine "Reserve" der Belastung vorgesehen werden muß, um zu ermöglichen, daß sich Bemessungsänderungen aus begrenzten Fertigungstoleranzen, Temperaturschwankungen oder Verformung des Sitzelementes unter Bedingungen hoher Betriebsbelastung ergeben. Wie oben bemerkt wurde, können solche Bemessungsänderungen leicht durch toroidale Drehung des Sitzelementes ohne merkliche Änderung in der von dem Sitzelement ausgeübten toroidalen Gegenwirkung angepaßt oder ausgeglichen werden. Von den Fachleuten wird bemerkt, daß eine Verminderung der Lichtungsbelastung einen wesentlichen Vorteil bei großen Ventilen mit Absperrkörpern bietet, in denen das "Wegbrechmoment" wesentlich sein kann.

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Anordnung liegt darin, daß das Sitzelement mit bekannten Formpreß- und Drehtechniologien leicht aus PTFE hergestellt werden kann,

Fig. 6 zeigt den Radialschnitt durch eine abgeänderte Form des Sitzelementes 19 und der zugeordneten Sitzaussparung 15· In der in Fig. 6 dargestellten Form ist die "Ferse" oder "Führungsfase" 14 des Sitzelementes abgeschrägt, so daß die Ecke 14a des Elementes, welche die Schulter 16 berührt, einen verhältnismäßig schiefen Winkel hat und auf einem Kreis mit reduziertem Radius verglichen mit den in Fig, 1 bis 5 gezeigten Anordnungen liegt. Dies hat die Wirkung, den

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effektiven Momentanarm zu verkleinern, durch den die Torsionsbelastung des Sitzelementes auf den Eingriffsbereich des Sitzelementes und des Absperrkörpers übertragen wird, wobei die "augenscheinliche Steifheit" des Sitzes vergrößert wird. Die Anordnung hat den zusätzlichen Vorteil, daß die Ecke 14a, die zur Bildung von Dichtungsberührung mit der Schulter 16 dient, in Abstand von dem Teil der Ferse 14 angeordnet ist, die hohen Beanspruchungen unter den Bedingungen der Betriebsbelastung unterworfen ist und daher weniger einer dadurch bedingten Verformung unterliegt und weniger empfindlich ist, möglicherweise durch falsche Behandlung und dergleichen vor dem Einbau des Sitzes in ein Ventil beschädigt zu werden«

Es wird bemerkt, daß das Verfahren des Spannens oder Beanspruchens eines ringförmigen Dichtungselementes, das Verfahren des Dichtens eines ringförmigen Spaltes und die Dichtungsanordnung an sich, wie oben in dem besonderen Zusammenhang eines Sitzelementes in einem Ventil oder Schieber mit drehbarem Kugelabsperrkörper beschrieben ist, mit Vorteil in anderen Zusammenhängen, beispielsweise bei Wellendichtungen und dgl., angewandt werden kann«

Fig. 7 «*igt eine Wellen- oder Kolbendichtungsanordnung nach der Erfindung und im besonderen einen Radialschnltt durch das ringförmige Dichtungeelement 75 und angrenzende Teile des Wellengehluaes oder dar Kolbenkammer 71 und dar Walle oder daa Kolbens 73·

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Beim Zusammenbau der dargestellten Anordnung wurde das Dichtungselement um einen wesentlichen Winkel im Uhrzeigersinn (bezogen auf die Zeichnung) toroidal gedreht. Das Element übt daher Gegenwirkung toroidal in der umgekehrten Richtung aus, wie durch die Pfeile 76 und 78 angegeben ist, um Dichtungseingriff der Ecken 77 und 79 mit den Elementen 71 bzw. 73 herzustellen.

Die dargestellte Anordnung ist im besonderen dafür bestimmt, Abdichtung gegen Fluidumdruck herzustellen, der von rechts (mit Bezug auf die Zeichnung) wirkt, wie mit dem Pfeil P gezeigt ist. Eine ringförmige Schulter 81 an dem Element 73 bildet ein Widerlager für das Dichtungselement, um dessen axiale Verschiebung nach links unter der Wirkung des ausgeübten Druckes zu verhindern«

Es wird bemerkt, daß in der dargestellten Anordnung die Berührungspunkte 771 79 des Dichtungselementes mit den Elemen ten 71* 73 iß axialem Abstand angeordnet sind (wobei die axiale Richtung mit Bezug auf die Zeichnung die horizontal· Richtung ist), so daß die Dichtungsbelastung an diesen Elementen im wesentlichen gänzlich durch toroidale Gegenwirkung des Dichtungselementes aufrechterhalten wird, ohne daB dieses Element radialer Beanspruchung unterworfen wird.

BEISPIEL

Zwei ringförmige Sitzelemente wurden durch Drehen aus einem stranggepreßten Rohr aus PTFE-Material, Spezifikation BS 4271, Grad A1, hergestellt« Die Sitze wurden auf die in

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107,32	τηιη
124,46	mm
86,36	mn)
82,5°
47.5°
35.0°

Pig. 8 gezeigte Form geschnitten, wobei die in dieser Figur angegebenen Abmessungen die folgenden waren:

Durchmesser Ό1 Durchmesser D2 Durchmesser D3 Winkel A1 Winkel A2 Winkel A3

Die Sitze wurden in den entsprechenden ringförmigen Aussparungen (ähnlich der einen bei 15 in Fig. 1 gezeigten) in einem Gehäuse für ein Ventil oder Schieber mit drehbarem Kugelabsperrkörper plaziert, wobei die Aussparungen eine Bohrung von 117.48 mm hatten. Das Ventil wurde mit einem kugelförmigen Absperrkörper (11 in Fig. 1) mit einem Durchmesser von 136,22 mm zusammengebaut, wobei die Aussparungsschultern (16 in Fig. 1) der entsprechenden Aussparungen voneinander um 111,73 mm getrennt waren.

Ventile, die in der obigen Weise konstruiert waren, wurden verschiedenartigen Leistungsprüfungen unterworfen, wobei gefunden wurde, daß sie wesentlich verbesserte Leistungskennwerte verglichen mit zur Zeit kommerziell verfügbaren Ventilen mit Absperrkörpern zeigten, im besonderen mit Bezug auf hohe Drucktoleranz, Temperaturänderungstoleranz und die Fähigkeit, Hohlraumdruckentlastung zu ermöglichen, und daß sie ein beträchtlich vermindertes Wegbrechmoment haben«

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Claims

Patentanwälte Gauting, 2. August 1977 Dipl.-Phys. Willy Lorenz Unsere Akte: ^112-j,DT Dipl.-Ing. Anton Frhr. Riederer von Paar " ~ * Uh 1320,!) i-^C : ;, Telefon (Ολ'1· ο .'ijfco.>ij Patentansprüche

1. Verfahren zum Dichten eines ringförmigen Spaltes, bei dem ein erster von einem zweiten allgemein kreisförmigen Flächenbereich dadurch getrennt wird, daß ein ringförmiges Element darin plaziert wird, das so gespannt oder beansprucht wird, daß eine Dichtungsbelastung auf diese Flächenbereiche ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Element durch toroidales Drehen über einen wesentlichen Winkel gespannt oder beansprucht und in dem Spalt so plaziert wird, daß es frei toroidal auf den ersten und zweiten Flächenbereich gegenwirkt, wodurch die Dichtungsbelastung im wesentlichen gänzlich durch die toroidale Gegenwirkung des ringförmigen Elementes erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Material des ringförmigen Elementes Fluorkohlenstoff-Kunststoffmaterial ist, dadurch gekennzeichnet, daß der wesentliche Winkel ausreicht, um das Material des Elementes über dessen momentane elastische Grenze hinaus über einen wesentlichen Anteil des Radialschnitts des Elementes ringförmig zu beanspruchen.

3· Dichtungsanordnung, die einen ersten und einen zweiten allgemein kreisförmigen Flächenbereich aufweLst, wobei diese Bereiche durch einen ringförmigen Spalt und ein

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ORIGINAL INSPECTED

ringförmiges Element voneinander getrennt sind, das in dem Spalt angeordnet und so gespannt oder beansprucht ist, daß eine Dichtungsbelastung auf den ersten und zweiten Flächenbereich derart ausgeübt wird, daß zwischen diesen Bereichen eine Dichtung entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Element kompressiv und ausweitbar in einem ersten bzw. zweiten Teil seines Radialschnitts ringförmig gespannt oder beansprucht und so angeordnet ist, daß es frei toroidal auf den ersten und zweiten Flächenbereich unter der Wirkung der ringförmigen Beanspruchungen gegenwirkt, wodurch die Dichtungsbelastung im wesentlich gänzlich durch die toroidale Gegenwirkung des ringförmigen Elementes erzeugt wird.

4·. Dichtungsanordnung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Element durch toroidale Drehung des Elementes um einen wesentlichen Winkel kompressiv und extensiv ringförmig gespannt oder beansprucht ist.

5. Dichtungsanordnung nach Anspruch 4, bei der das Material des ringförmigen Elementes aus Fluorkohlenstoff-Kunststoff material besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der wesentliche Winkel ausreicht, um das Material des Elementes über seine momentane elastische Grenze hinaus über einen wesentlichen Anteil des RadialSchnitts des Elf enfces ringförmig zu beanspruchen.

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6. Ventil oder Schieber mit drehbarem Kugelabsperrkörper das bzw. der eine Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5 aufweist, bei dem der erste Flächenbereich ein ringförmiger Innenflächenbereich des Ventilkörpers ist, der zweite Flächenbereich ein Flächenbereich des Kugelabsperrkörpers ist und das ringförmige Element ein Sitzelement für den Absperrkörper ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Sitzelement an dem Innenflächenbereich längs einer im wesentlichen kreisförmigen Linie angreift, wobei der Innenflächenbereich sich allgemein nach außen relativ zu der Achse der kreisförmigen Linie erstreckt und der Flächenbereich des Absperrkörpers koaxial zu der kreisförmigen Linie verläuft.

7. Ventil oder Schieber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmige Linie die einzige Berührung zwischen dem Sitζelement und der Innenfläche wenigstens dann ist, wenn das Ventil oder der Schieber im wesentlichen Bedingungen der Betriebsbelastung Null unterworfen ist«

8» Ventil oder Schieber nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmige Linie so ausreichenden Radius hat, daß sie außerhalb des Kegels liegt, der durch Extrapolation der Radien des Absperrkörpers erzeugt ist, die dessen Flächenbereich schneiden.

9· Wellen- oder Kolbendichtungsanordnung, die eine Dichtungsanordnung nach Anspruch 3, 4 oder 5 aufweist, bei

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der einer der ersten und zweiten allgemein kreisförmigen Flächenbereiche ein zylindrischer Innenflächenbereich eines Wellengehäuses oder einer Kolbenkammer ist und der andere der ersten und zweiten allgemein kreisförmigen Flächenbereiche ein zylindrischer Flächenbereich einer Welle oder eines Kolbens ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Flächenbereich in axialem Abstand von dem zweiten Flächenbereich angeordnet ist, so daß das ringförmige Element Gegenwirkung toroidal auf den ersten und zweiten Flächenbereich unter der Wirkung der ringförmigen Spannungen oder Beanspruchungen ausüben kann.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste oder zweite Oberfläche mit einer radial verlaufenden Schulter zwecks Gegenlagerung durch das ringförmige Element zu dessen axialer Plazierung ausgebildet ist.

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