DE2901353C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Drosselklappenventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Drosselklappenventil dieser Art ist in der älteren Patentanmeldung P 27 16 568.0-12 beschrieben. Bei dieser Ausgestaltung bilden die Dichtflächen des Dichtbereichs am Umfang der Ventilklappe und des Ventilsitzes am Innenumfang des Ventilgehäuses in einer Stellung der Ventilklappe, in der ihre Drehachse senkrecht oder annähernd senkrecht zur Achse der Durchgangsöffnung steht, einen imaginären Zylinder, dessen Achse zur Achse der Durchgangsöffnung in einer zur Drehachse senkrechten Ebene geneigt ist.

Eine ähnliche Ausgestaltung ist aus der US-PS 20 11 641 zu entnehmen, bei der die Ventilklappe einen separaten Dichtring aufweist, der durch Schrauben in einer Ringausnehmung befestigt oder zwischen zwei Drosselklappenhälften gehalten sein kann. Aufgrund der mehrteiligen Ausgestaltung der Ventilklappe ist ein schmaler Dichtbereich vorgegeben.

Eine der vorbeschriebenen Ausgestaltung ähnliche Ausgestaltung ist aus der US-PS 20 83 154 zu entnehmen, bei der der Dichtbereich an Ringsegmenten der Ventilklappe ausgebildet ist, die mittels axialer Einstellschrauben verstellbar an der Ventilklappe angeordnet sind.

In der US-PS 34 75 007 ist ein Drosselklappenventil dargestellt, bei dem die Umfangsfläche der Ventilklappe in deren Querschnitt halbkreisförmig gerundet ist. Außerdem ist die Ebene der Ventilklappe zur Drehachse der Drosselklappenwelle radial versetzt. Durch letzteres ergibt sich eine steilere Anlauf- Bogenbewegung des Ventilklappenrandes gegenüber dem Ventilsitz beim Schließen der Ventilklappe.

Den vorbeschriebenen weiteren Ausgestaltungen ähnliche Ausgestaltungen sind auch aus der DE-OS 19 55 707 und der DE-OS 20 46 027 zu entnehmen, bei denen in der Schließstellung jeweils die Ebene der Ventilklappe zur Achse der Durchgangsöffnung nicht etwa rechtwinklig, sondern schräg angeordnet ist.

Bei einem Drosselklappenventil der eingangs angegebenen Art ist sowohl der Ventilsitz im Ventilgehäuse als auch der Dichtbereich an der Ventilklappe aus einem harten Material hergestellt, das über einen langen Zeitraum seine Qualität beibehält, korrosionsbeständig, mechanisch fest und widerstandsfähig gegen Schleifwirkungen von in Flüssigkeiten enthaltenem Sand und dgl. ist. Der Ventilsitz im Ventilgehäuse und der Dichtbereich an der Ventilklappe haben daher eine hohe Lebensdauer. Da die Ventilklappe zum Verschließen der Durchgangsöffnung eine zur Achse derselben rechtwinkelige Stellung einnimmt, weist sie die Form einer Scheibe auf, was besonders vorteilhaft hinsichtlich der Herstellung und Bearbeitung ist. Weiters ist es von Vorteil, daß der mit der Ventilklappe in Berührung stehende Ventilsitz im Ventilgehäuse eine zylindrische Oberfläche aufweist, da damit eine leichte Herstellung der Dichtfläche des Ventilsitzes im Ventilgehäuse mit hoher Präzision und mit Werkzeugmaschinen weitverbreiteter Art möglich ist.

Bei der Überprüfung der Dichtheit zwischen dem Ventilsitz im Ventilgehäuse und dem Dichtbereich an der Ventilklappe, wobei diese beiden Teile in der Schließstellung einander in einer geneigten Lage berühren, übt ein innerer Flüssigkeitsdruck bei geschlossenem Drosselklappenventil einen das Ventilgehäuse 1 erweiternden Druck aus, wodurch es in weiterer Folge zu einem Weiterdrehen der Drosselklappenwelle mit der Ventilklappe kommt. Dadurch ergibt sich eine gegenseitige Beziehung zwischen dem Ventilsitz im Ventilgehäuse und der Ventilklappe, wobei der Ventilsitz die Ventilklappe entlang des gesamten Umfanges fest umschließt und eine ausgezeichnete Abdichtung entsteht.

Bezüglich der Wechselwirkung zwischen dem Neigungswinkel der Achse des imaginären Zylinders und einer weiteren geringfügigen Drehung der Ventilklappe nach dem Schließen des Drosselklappenventils wurde folgende Beobachtung gemacht. Wenn der Neigungswinkel groß ist, steigt die auf die Dichtfläche des Ventilsitzes wirkende Komponente der auf die Ventilklappe einwirkenden Drehkraft an, und die zur weiteren Drehung der Ventilklappe erforderliche Schließkraft kann die Reibungskräfte zwischen den Dichtflächen nicht überwinden. Daher entstehen bereits bei relativ geringem Innendruck Undichtigkeiten. Um eine gute Abdichtung zu erzielen ist es wichtig, für eine gewisse konstruktive Flächenpressung zu sorgen, um auch geringes Spiel zwischen den Dichtflächen so weit wie möglich zu vermeiden. Andererseits ermöglicht ein kleiner Neigungswinkel ein leichtes Weiterdrehen der Ventilklappe, so daß selbst bei hohem Innendruck gute Dichtheit erreicht wird.

Wenn jedoch dieses Weiterdrehen etwas zu weit geht, entsteht ein anderes Problem. Der innere Flüssigkeitsdruck wirkt bei geschlossenem Drosselklappenventil auf einer Seite der Ventilklappe, und das Drosselklappenventil wird, wenn es der Betrieb erfordert, geöffnet, nachdem der Druck abgesenkt wurde. Wenn in einem solchen Fall die Weiterdrehung der Ventilklappe zum Zeitpunkt des Aufbaues oder des Absenkens des Druckes zu groß ist und es beim Absenken des Druckes zum Zusammenziehen des Ventilgehäuses kommt, während die Ventilklappe in ihrer gegenüber der Schließstellung weiter verdrehten Position verbleibt, wird die einen größeren Durchmesser aufweisende Ventilklappe in den nun einen kleineren Durchmesser aufweisenden Ventilsitz des Ventilgehäuses gedrückt. Dies erfordert dann eine größere Betätigungskraft zum Öffnen des Drosselklappenventils als zum Schließen, und es kann vorkommen, daß ein Öffnen nicht möglich ist, ohne ein so großes Drehmoment aufzubringen, daß die Dichtflächen am Ventilsitz im Ventilgehäuse und an der Ventilklappe beschädigt werden.

Wenn der Neigungswinkel noch kleiner ist, kann es vorkommen, daß die Ventilklappe über den der vollen Schließstellung entsprechenden Totpunkt hinaus bewegt wird, so daß dann ein Öffnen des Drosselklappenventils nur dadurch möglich ist, daß das Ventilgehäuse mit der Ventilklappe erweitert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Drosselklappenventil der eingangs genannten Art so auszubilden, daß das Öffnen und Schließen der Ventilklappe mit geringen Stellkräften möglich ist und stets gute Dichtheit in der Schließstellung des Drosselklappenventils erreicht wird.

Es wurden zunächst Studien an einem Drosselklappenventil der eingangs angegebenen Art ausgeführt, die anhand der Fig. 4 sowie 5A und 6A bis Fig. 5E und 6E erklärt werden. Fig. 4 zeigt ein den Druck- und Drehmomentverlauf des Drosselklappenventils darstellendes Diagramm. In den Fig. 5A bis 6E ist das Ventilgehäuse 1 mit einer Durchgangsöffnung und einer darin drehbar gelagerten Ventilklappe 9 schematisch dargestellt. Die Drehachse P1 der Ventilklappenwelle erstreckt sich rechtwinklig zur Achse P der Durchgangsöffnung. Der Dichtbereich a am Umfang der Ventilklappe 9 und der Ventilsitz b am Innenumfang des Ventilgehäuses 1 sind durch zylindrische Dichtflächen gebildet, die in der Schließstellung der Ventilklappe 9, nämlich dann, wenn die Ventilklappe 9 in einer zur Achse P der Durchgangsöffnung senkrechten oder annähernd senkrechten Lage steht, einen imaginären Zylinder bilden, dessen Achse P2 in einer zur Drehachse P1 senkrechten Ebene geneigt ist.

Die Studien umfassen die Beziehung zwischen dem Anfangsdruck X, bei dem die ersten Undichtigkeiten auftreten, wenn ein Flüssigkeitsdruck auf der einen Seite der Ventilklappe 9 in der Schließstellung des Drosselklappenventils einwirkt, und dem erforderlichen Drehmoment 2 zum Öffnen des Drosselklappenventils, wenn der Flüssigkeitsdruck abgesenkt wird. Bei den Untersuchungen diente als Bezugsgröße ein Ventilschließmoment Y, und der Neigungswinkel R wurde in verschiedenen Stufen von 2° bis 7° verändert. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, steigt der Flüssigkeits-Anfangsdruck, bei dem die ersten Undichtigkeiten auftreten, mit kleiner werdendem Neigungswinkel R, wobei jedoch auch das erforderliche Drehmoment Z zum Öffnen des Drosselklappenventils größer wird. Wenn dagegen der Neigungswinkel R vergrößert wird, wird auch das erforderliche Drehmoment Z zum Öffnen des Drosselklappenventils niedriger, aber desto niedriger ist gleichzeitig der Anfangsdruck X, bei dem die ersten Undichtigkeiten auftreten.

In Fig. 5A bis 5E ist einer der genannten Versuche bei einem Neigungswinkel R von 7° dargestellt und in Fig. 6A bis 6E ein weiterer, wobei der Neigungswinkel R auf 2° eingestellt war. In beiden Fällen wurde ein Drosselklappenventil mit 2400 mm lichter Weite verwendet, dessen Ventilsitz im Ventilgehäuse 1 und Dichtbereich an der Ventilklappe 9 auf einen Druck von 19,6 bar (20 kp/cm²) ausgelegt waren.

Fig. 5A und 6A zeigen jeweils einen ersten Schritt dieser Versuchsreihen, wobei die Ventilklappe 9 sich im Schließvorgang, jedoch noch in einer geöffneten Stellung befindet. Fig. 5B und 6B zeigen einen zweiten Schritt, wobei die Ventilklappe 9 sich in der Schließstellung befindet. In diesem Zustand ist der Ventilsitz b im Ventilgehäuse 1 durch die von der Ventilklappe 9 auf ihn einwirkenden Schließkraft geringfügig aufgeweitet.

Die Fig. 5C und 6C zeigen einen dritten Schritt, wobei an einer Seite der Ventilklappe 9 eine Flüssigkeit den Raum ausfüllt und ein Anfangsdruck sich aufbaut. In diesem Zustand erweitert sich der Ventilsitz b weiter, und die Ventilklappe 9 wird verschoben und gleichzeitig um die Drosselklappenwelle 4 gedreht, wobei der Dichtbereich a an der Ventilklappe 9 mit dem Ventilsitz b in Berührung gebracht wird.

Die Fig. 5D und 6D zeigen einen vierten Schritt, wobei ein Druck von 19,6 bar (20 kp/cm²) auf einer Seite der Ventilklappe 9 aufgebracht ist. In diesem Zustand erweitert sich der Ventilsitz b noch weiter, und die Ventilklappe 9 wird weiter verschoben und um ihre Drehachse zum Ventilsitz b weiter hin gedreht. In diesem Augenblick neigt die Ventilklappe 9 dazu, aufgrund von Lagerspielen der Drosselklappenwelle 4 und Biegung derselben, parallel zur Richtung der Durchgangsöffnung verschoben zu werden. Daraus resultiert ein ungleichmäßiger Dichtungseffekt zwischen einem fest schließenden Bereich T und einem lose schließenden Bereich S des Ventilsitzes b und des Dichtbereichs a an der Ventilklappe 9. Im Falle der Anwendung eines Neigungswinkels R von 7°, wie in Fig. 5D dargestellt, berührte die Ventilklappe 9 den Ventilsitz b nicht gleichmäßig, und ihre Verdrehung war gering, worauf ein geringer Druck zwischen dem Dichtbereich der Ventilklappe 9 und dem Ventilsitz des Ventilgehäuses 1 oder ein Spalt in einem gewissen Bereich des Umfanges der Ventilklappe 9 und damit Undichtigkeiten resultierten. Im Gegensatz dazu war bei der Anwendung eines Neigungswinkels R von 2° eine dichte Anlage des Dichtbereichs a der Ventilklappe 9 und des Ventilsitzes b im Ventilgehäuse 1 vorhanden, so daß keine Undichtigkeiten auftraten.

Die Fig. 5E und 6E zeigen einen fünften Schritt, wobei der Druck von 19,6 bar (20 kp/cm²) in der Schließstellung des Drosselklappenventils auf Null abgesenkt wurde, worauf sich der Ventilsitz b zusammenzog und die Ventilklappe 9 fest umschloß. Im Falle der Anwendung des Neigungswinkels R von 2° befanden sich der Dichtbereich a und der Ventilsitz b unter hohem Druck miteinander in Berührung, wobei gegenseitig ein Druck und eine Keilwirkung ausgeübt wurde, und es war unmöglich, die Ventilklappe 9 zu öffnen. Im Falle der Anwendung des Neigungswinkels R von 7° berührte der Ventilsitz b nur eine schmale Fläche der Ventilklappe 9, und diese konnte daher leicht geöffnet werden. Diese Ergebnisse bestätigen, daß das Öffnungsdrehmoment des Drosselklappenventils um so kleiner ist, je größer der Neigungswinkel R ausgeführt ist, während mit kleiner werdendem Neigungswinkel R die Qualität der Abdichtung ansteigt.

Unter Berücksichtigung der vorstehend angeführten Zustände wurde gefunden, daß der Neigungswinkel R innerhalb eines bestimmten Bereiches liegen muß, um ein Öffnen des Drosselklappenventils ohne Beschädigung des Ventilsitzes im Ventilgehäuse 1 oder an der Ventilklappe mit einer Betätigungskraft, die nicht viel größer als die zum Schließen des Drosselklappenventils erforderliche Kraft ist, zu ermöglichen, selbst wenn ein Druckaufbau oder eine -absenkung in der Schließstellung des Drosselklappenventils bei wirkungsvoller Abdichtung erfolgt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Neigungswinkel R, den die Achse P2 des imaginären Zylinders mit der Achse P der Durchgangsöffnung einschließt, 2° 30 Minuten bis 6° 30 Minuten beträgt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und der Fig. 1 und 2 der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Drosselklappenventil in Längsschnitt,

Fig. 2 den Schnitt II-II in Fig. 1,

Fig. 3 den Schnitt III-III in Fig. 1.

Ein Ventilgehäuse 1 aus Gußeisen oder Stahl, z. B. Stahlguß oder Schmiedestahl, weist eine Durchgangsöffnung für eine Flüssigkeit auf und ist mit Flanschen 3a und 3b zum Anschluß an Rohrleitungen 2 sowie mit zylindrischen Teilen 5a und 5b zur Lagerung einer drehbaren Drosselklappenwelle 4 versehen, deren Drehachse P1 rechtwinkelig zur Achse P der Durchgangsöffnung steht. Die Drosselklappenwelle 4 ist in den zylindrischen Teilen 5a und 5b mittels der Lager 6a und 6b drehbar gelagert. Ein Ende der Drosselklappenwelle 4 ragt über den zylindrischen Teil 5a hinaus und ist dort mit einer Antriebseinrichtung 7 versehen. Das andere Ende ruht im gegenüberliegenden zylindrischen Teil 5b, das mit einem Deckel 8 verschlossen ist.

An der Drosselklappenwelle 4 ist eine Ventilklappe 9 befestigt, die an ihrem Umfang einen ringförmigen metallischen Dichtbereich a aufweist. Die Durchgangsöffnung ist vollständig verschlossen, wenn die Ventilklappe 9 rechtwinkelig oder annähernd rechtwinkelig zur Achse P der Durchgangsöffnung steht, und sie ist vollkommen offen, wenn die Ventilklappe 9 parallel oder etwa parallel zur Achse P liegt.

Das Ventilgehäuse 1 ist an seiner inneren Umfangsfläche mit einer ringförmigen Nut 10 versehen, in der ein ringförmiger metallischer, mehrteiliger Ventilsitz b eingepaßt und dort durch Schweißung befestigt ist.

In der Schließstellung der Ventilklappe 9 berühren der Ventilsitz a und der Dichtbereich b einander entlang des gesamten Umfanges, um ausreichende Dichtheit zu ermöglichen. Wie in Fig. 2 dargestellt, sind der Ventilsitz a an der Ventilklappe 9 und der Dichtbereich b im Ventilgehäuse 1 so ausgebildet, daß sie nach Art eines Keiles in Kontakt gebracht werden können, so daß die Dichtflächen der Umfangsfläche eines imaginären Zylinders entsprechen, dessen Achse P2 mit der Achse P der Durchgangsöffnung einen Winkel einschließt, wobei die Achse P2 gegenüber der Achse P in der Dreh-Schließrichtung der Ventilklappe 9 geneigt ist. Die Achse P der Durchgangsöffnung und die Achse P2 des imaginären Zylinders schneiden die Drehachse P1 der Drosselklappenwelle 4 im Zentrum der Ventilklappe 9.

Der Neigungswinkel R der Achse P2 des imaginären Zylinders (bzw. der Dichtflächen des Dichtbereichs a an der Ventilklappe 9 und des Ventilsitzes b im Ventilgehäuse 1 gegenüber der Achse P der Durchgangsöffnung beträgt 2° 30′ bis 6° 30′ und liegt vorzugsweise im Bereich von 5°.

Als Material für den harten ringförmigen Ventilsitz a und Dichtbereich b kommen auch Plastik, Hartgummi oder ähnliches in Frage. Der Dichtbereich b im Ventilgehäuse 1 kann mit dem Ventilgehäuse 1 einstückig oder von einem eingeschweißten Wulst gebildet sein. Im Falle, daß der Ventilsitz b mit dem Ventilgehäuse 1 nicht einstückig ausgeführt ist, können verschiedene Befestigungsarten zur Anwendung kommen, z. B. kann der Ventilsitz b mittels Schrauben oder ähnlichem am Ventilgehäuse 1 befestigt sein oder direkt am Ventilgehäuse 1 angeschweißt sein.

Claims (2)

1. Drosselklappenventil mit einem Ventilgehäuse, das eine zylindrische Durchgangsöffnung und eine Ventilklappe aufweist, die um eine Drehachse senkrecht oder annähernd senkrecht zur Achse der Durchgangsöffnung drehbar ist und an ihrem Umfang einen ringförmigen Dichtbereich trägt, der mit einem gehäuseseitigen ringförmigen Ventilsitz entlang des gesamten Umfangs des Ventilgehäuses in keilförmiger Berührung ist, wenn die Ventilklappe in einer zur Achse der Durchgangsöffnung senkrechten oder annähernd senkrechten Lage steht, wobei die Dichtflächen des Dichtbereichs und des Ventilsitzes einen imaginären Zylinder bilden, dessen Achse zur Achse der Durchgangsöffnung in einer zur Drehachse senkrecht gerichteten Ebene geneigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (R), den die Achse (P2) des imaginären Zylinders mit der Achse (P) der Durchgangsöffnung einschließt, 2° 30 Minuten bis 6° 30 Minuten beträgt.

2. Drosselklappenventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (R) im Bereich von 5° liegt.