DE2933459A1

DE2933459A1 - Kugelventil mit hohlraumdruckverminderung

Info

Publication number: DE2933459A1
Application number: DE19792933459
Authority: DE
Inventors: Joseph B Wright
Original assignee: Jamesbury Corp
Current assignee: Neles Jamesbury Inc
Priority date: 1978-11-29
Filing date: 1979-08-17
Publication date: 1980-06-12
Also published as: US4236691A; GB2037404B; BR7906982A; CA1098504A; GB2037404A; DE2933459C2

Description

T Q₁ \£ Patentanwälte:

IEDTKE - DÜHLING - IV:NNF. Dipl.-lng. H.Tiedtke

GO Dipl.-Chem. G. Bühling RUPE - TELLMANN-

Dipl.-lng. R. Kinne Dipl.-lng. R Grupe ³ "2933459 Dipl.-lng. B. Pellmann

Bavariaring 4, Postfach 202403

8000 München 2

Tel.: 089-539653

Telex: 5-24845 tipat

cable: Germaniapatent München

17. August 1979 B 9846/case 267-035-16 W.G.

JAMESBURY CORP.
Massachusetts / USA

Kugelventil mit Hohlraumdruckverminderung Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kugelventil mit Hohlraumdruckverminderung sowie auf einen ringförmigen Ventilsitz zur Hohlraumdruckverminderung bei einem Kugelventil.

Bei bestimmten Arten von Ventilen und Schiebern mit zwei Ventilsitzen, darunter Kugelventilen, kann in dem von den Ventilsitzen begrenzten Hohlraum Strömungsmittel eingeschlossen sein, wenn das Ventil in seiner Schließstellung ist. Wenn dieses Strömungsmittel erwärmt ist, erfolgt im Hohlraum aufgrund der Ausdehnung des Strömungsmittels ein Druckanstieg. Beispiele für dieses Phänomen sind beispielsweise ein Ventil für flüssiges Chlor mit einer Temperatur von -45,5° C, das durch die Sonne erwärmt wird, oder ein Ventil, in dem sich flüssige Kohlenwasserstoffe befinden, das durch Feuer erwärmt wird. Wenn nicht auf irgendeine Weise eine Druckverminderung bzw. Entlüftung erfolgt, können die Folgen dieses Hohlraumdruckanstiegs von Zerstörung der Ventilsitze, die Leckage des

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Ventiles zur Folge haben, bis zu Verformung oder Zerstörung des Ventilkörpers oder Ventilgehäuses reichen, was durch Abgabe des Strömungsmittels an die Umgebung katastrophale Folgen haben kann.
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Es ist bereits bekannt, das Problem des Hohlraumdruckanstiegs dadurch zu lösen, daß seitlich durch die Kugel ein Loch gebohrt wird, das bei geschlossenem Kugelventil stromauf weist. Wenn sich der Hohlraumdruck aufzubauen beginnt, erfolgt einfach eine Entlüftung bzw. ein Druckabbau in die stromauf angeordnete Leitung, in der niedrigerer Druck als im erwärmten Hohlraum herrscht. Ein wesentlicher Nachteil dieses Vorgehens besteht darin, daß dadurch das Ventil zu einem nur in einer Richtung brauchbaren Ventil wird, d.h. es kann in eine Leitung nur so eingebaut werden, daß das Entlüftungsloch in der Kugel bei geschlossenem Kugelventil stromauf weist. Da dies die Gefahr mit sich bringt, daß das Kugelventil falsch eingebaut wird, und da dies dazu führt, daß dieses Kugelventil nicht benutzt werden kann, wenn in der Leitung das Strömungsmittel in beiden Richtungen strömen können soll, hat sich dieses bekannte Kugelventil nicht bewährt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Kugelventil mit Hohlraumdruckverminderung sowie einen ringförmigen Ventilsitz zur Hohlraumdruckverminderung bei einem Kugelventil zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in den Patentansprüchen gekennzeichnete Kugelventil sowie den in den Patentansprüchen gekennzeichneten Ventilsitz gelöst.

Die Erfindung ist besonders geeignet für ein Kugelventil, wie es in der US-PS 2 945 666 dargestellt und beschrieben ist. Beim erfindungsgemäßen Kugelventil sind in einem Wulstabschnitt des Ventilsitzes an geeigneten Stellen Nuten ausge-

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bildet, durch die der im Hohlraum herrschende Druck so weitergeleitet wird, daß dadurch der auf den Ventilsitz wirkende, resultierende Kraftvektor in gewünschter Weise beeinflußt wird. Wenn dieser resultierende Kraftvektor aufgrund eines Anstiegs des Hohlraumdruckes zunimmt, führt er dazu, daß ein Lippenabschnitt des Ventilsitzes zeitweilig von der Kugel des Kugelventils abgehoben wird, so daß durch den Spalt zwischen der Kugel und dem Ventilsitz der Hohlraumdruck entweichen kann. Die Anordnung der Nuten im Wulstabschnitt des Ventilsitzes ermöglicht es, den Wulstabschnitt so zu formen, daß er die Kugel weiterhin abstützen kann, wenn sie sich aufgrund hoher Druckbeaufschlagung stromab zu bewegen versucht, und ermöglicht es dennoch, den Hohlraumdruck auch auf einen solchen Abschnitt der Oberfläche des Ventilsitzes wirken zu lassen, daß sich der erwähnte Kraftvektor einstellt.

Weiter Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Elemente bezeichnen. Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch ein Kugelven

til, in dem der Bereich besonders gekennzeichnet ist, in dem sich bei einer

Erwärmung des Kugelventils Druck aufbaut;

Figur 2 eine Schnittdarstellung eines ringför-

migen Ventilsitzes und angrenzende Abschnitte der Kugel sowie des Gehäuses des Kugelventils für den Fall, daß kein Leitungsdruck und kein Hohlraumdruck herrschen;
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Figur 3

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eine Figur 2 ähnliche Schnittdarstellung für den Zustand, daß sich die Kugel aufgrund von Leitungsdruck stromab bewegt hat;

Figur 4 eine Figur 3 ähnliche Schnittdarstellung

zur Erläuterung des resultierenden Kraftvektors, der sich bei einem nicht erfindungsgemäß ausgebildeten Ventilsitz aufgrund des Hohlraumdruckes ergibt;

Figur 5 eine perspektivische Ansicht eines erfin

dungsgemäßen Ventilsitzes mit im Wulstabschnitt desselben ausgebildeten Nuten;

Figur 6 eine Schnittdarstellung des Ventilsitzes

gemäß Figur 5, wobei die Schnittebene unmittelbar neben einer der Nuten des Ventilsitzes liegt; und

Figur 7 eine Figur 4 ähnliche Schnittdarstellung

durch den erfindungsgemäßen Ventilsitz, die zeigt, wie die Nuten im Wulstabschnitt ermöglichen, daß der Hohlraumdruck im Bereich des Lippenabschnittes des Ventilsitzes einen resultierenden Kraftvektor erzeugt, der zur Verminderung des Hohlraumdruckes führt.

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In Figur 1 ist ein Kugelventil 1 dargestellt, das auch als Kugelschieber bezeichnet werden kann und ein Gehäuse 2, eine Kugel 3 mit einem durch die Kugel hindurchführenden Durchlaß 4, ringförmige Ventilsitze 5 und 6 sowie Anschlußöffnungen 7 und 8 aufweist, wobei jeder Ventilsitz jeweils konzentrisch zu einer der Anschlußöffnungen angeordnet ist. Das Kugelventil 1 ist in Figur 1 in seiner Schließstellung dargestellt. Geöffnet wird das Kugelventil, indem ein Schaft 9 um 90° um seine Längsachse gedreht wird. Der Bereich, in dem unerwünschter Hohlraumdruck auftreten kann, ist in Figur 1 punktiert und als Bereich P bezeichnet.

Der ringförmige Ventilsitz 5 ist ausschnittsweise im Querschnitt in Figur 2 dargestellt und sitzt in einer komplementär ausgebildeten Nut im Gehäuse 2 und steht in Berührung mit der Kugel 3. In Figur 2 ist der Ventilsitz 5 unbelastet dargestellt. Zwei Berührungszonen sind speziell gekennzeichnet, nämlich eine Gehäuse-Sitz-Berührungszone 10 und eine Kugel-Sitz-Berührungszone 11. Figur 2 dient bei der folgenden Erläuterung zum Vergleich, insbesondere zur Erläuterung der unterschiedlichen Ventilsitzverformungen, die unter Belastung auftreten.

Figur 3 zeigt schematisch das geänderte Querschnittsprofil des Ventilsitzes 5, wenn das Kugelventil zusammengebaut ist und betriebsbereit ist. Der Zusammenbau verursacht eine bestimmte Lippenverformung und Torsion des Ventilsitzes, durch die in den dargestellten Berührungszonen örtlich Kontaktdrücke mit solchem Wert verursacht werden, daß ein Fluiddruck effektiv abgedichtet werden kann. Ein Wulstabschnitt 13 des Ventilsitzes 5 ist aufgrund der Torsion des Ventilsitzes von der Nut im Gehäuse abgehoben und berührt die Kugel an einer als Kugel-Wulst-Berührungszone 14 bezeichneten neuen Berührungsstelle. Außerdem verringert die Torsion die Ausdehnung der Gehäuse-Sitz-Berührungszone 10 gemäß Figur 2,

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so daß sich eine neue, verringerte Gehäuse-Sitz-Berührungszone 10a ausbildet. Da sich außerdem eine Dichtlippe 12 in Richtung zum Gehäuse verlagert, ist die in Figur 2 als Kugel-Sitz-Berührungszone 11 des unbelasteten Ventilsitzes 5 bezeichnete Zone zur Kugel-Sitz-Berührungszone 11a geworden, die radial weiter außen liegt.

Figur 4 zeigt den Ventilsitz in einem ähnlichen Zustand, wie er in Figur 3 dargestellt ist, wobei jedoch die Auswirkungen der Tatsache, daß das Kugelventil unter bestimmtem Leitungsdruck steht, und der Tatsache, daß der Druck in einem Hohlraum C auf einen Viert oberhalb des Leitungsdruckes angestiegen ist, zusätzlich dargestellt sind. Wenn sich im Hohlraum C ein Druck aufbaut, wirken Druckkräfte f auf denjenigen Abschnitt der Oberfläche des Ventilsitzes, der sich zwischen der Gehäuse-Sitz-Berührungszone 10b und einer Kugel-Wulst-Berührungszone 14a erstreckt. Der Kraftvektor F, der aus den unausgeglichenen Druckkräften f aufgrund des Druckes im Hohlraum C resultiert, weist in Richtung der Sitzlippe 12 und führt zu stärkerer Dichtung in den Berührungszonen 10b und 11b. Diese stärkere Dichtwirkung ist,unerwünscht, da sie dem Abbau des entstandenen Hohlraumdruckes entgegenwirkt.

Erfindungsgemäß sind nun Ausnehmungen bzw. Nuten 15 im Wulstabschnitt des Ventilsitzes ausgebildet. Aufgrund dieser Nuten kann der Hohlraumdruck auch auf denjenigen Abschnitt der Ventilsitzoberfläche wirken, der sich zwischen den Berührungszonen 11b und 14b (siehe Figur 4) befindet, was zu einer Änderung der Richtung des resultierenden Kraftvektors führt. Zwar könnte diese Wirkung auch dadurch erzielt werden, daß der gesamte Wulstabschnitt des Ventilsitzes im Bereich der Berührungszone 14b weggeschnitten wird. Dies wäre jedoch weniger zweckmäßig, da der Wulstabschnitt des Ventilsitzes dann keine Belastung mehr aufnehmen könnte, d.h. nicht mehr als Abstützung dienen würde. Wenn der Wulstabschnitt des Ven-

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tilsitzes die Kugel gegen hohen Leitungsdruck abstützt, ist die Sitzlippe vor bleibender Verformung geschützt, die zu Undichtheit des Kugelventiles führen würde. Abstützung durch den Wulstabschnitt ist besonders bei weicheren Ventilsitzmaterialien wie TFE wesentlich, die häufig bei denjenigen Anwendungsfällen benutzt werden, bei denen sich Hohlraumdruck aufbaut.

Die Nuten 15 sind quer zur scharfen Kante des Wulstabschnittes des Ventilsitzes ausgebildet, wie dies in den Figuren 5 und 6 dargestellt ist. Es können unterschiedliche Anzahlen von Nuten gewählt werden; für besonders zweckmäßig werden jedoch sechs Nuten gehalten. Figur 6 zeigt den erfindungsgemäß ausgebildeten Ventilsitz in das Gehäuse 2 eingesetzt und in Berührung mit der Kugel 3, wobei der Ventilsitz allerdings unbelastet ist.

Figur 7 ist eine Figur 6 ähnliche Darstellung, bei der jedoch die Auswirkungen der Tatsache, daß das Kugelventil unter einem bestimmten Leitungsdruck steht, und der Tatsache, daß der Hohlraumdruck höher als der gegebene Leitungsdruck ist, dargestellt sind. Die Nuten 15 ermöglichen, daß der Hohlraumdruck auf den Abschnitt der Ventilsitzoberfläche zwischen den Berührungszonen 11c und 14c wirkt. Außerdem wirkt der Hohlraumdruck auf den Abschnitt der Ventilsitzoberfläche zwischen der Berührungszone 11c und der Berührungszone 10c (im Uhrzeigersinn betrachtet). Die durch den Hohlraumdruck verursachten Druckkräfte sind wiederum durch das Bezugszeichen f angedeutet. Obwohl die Nuten 15 die Dichtung in der Berührungszone 14c unterbrechen, steht die Kugel 3 dennoch in Berührung mit dem Wulstabschnitt 13 des Ventilsitzes 5, so daß der Wulstabschnitt die oben erläuterte Stützfunktion erfüllt.

Da die Druckkräfte aufgrund des Hohlraumdruckes auch auf die

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Ventilsitzoberfläche zwischen den Berührungszonen 11c und 14c wirken, ist der resultierende Kraftvektor F gemäß Figur 4 beim erfindungsgemäßen Ventilsitz durch den resultierenden Kraftvektor F' (siehe Figur 7) ersetzt. Die Richtung des Kraftvektors F bewirkt eine Erhöhung der Dichtwirkung in den Berührungszonen 10b und 11b; der anders gerichtete bzw. "umgelenkte" Kraftvektor F' erhöht zwar die Dichtwirkung in der Berührungszone 10c, weist jedoch von der Berührungszone 11c weg. Wenn der Hohlraumdruck ansteigt und dadurch die Druckkräfte f zunehmen, wird daher die Sitzlippe 12 des Ventilsitzes 5 zeitweilig von der Kugel 3 weg ausgelenkt, so daß der stromauf herrschende Hohlraumdruck an der Berührungszone 11c vorbei abgebaut wird. Diese Auslenkung ist in Figur 7 gestrichelt dargestellt.

Der Widerstand, der dieser Sitzlippenauslenkung entgegenwirkt, ist eine Funktion des radialen Abstandes zwischen den Berührungszonen 10c und 11c. Je größer dieser Abstand ist, desto geringer ist die zum Abbau des Hohlraumdruckes erforderliche Kraft. Notwendig ist, daß die Berührungszone 10c bezüglich der Strömungsmittellinie radial weiter außen als die Berührungszone 11c liegt.

Das erfindungsgemäße Kugelventil zeichnet sich somit durch Ventilsitze aus, die Mittel aufweisen, durch die störender Hohlraumüberdruck abgebaut wird. Im Wulstabschnitt des Ventilsitzes sind Nuten ausgebildet, die es ermöglichen, daß der Hohlraumdruck auf einen solchen Abschnitt der Ventilsitzoberfläche wirkt, daß sich im Bereich der Sitzlippe des Ventilsitzes eine resultierende Kraft ergibt, die bewirkt, daß sich die Sitzlippe des Ventilsitzes zeitweilig von der Kugel löst und auf diese Weise den Hohlraumdruck zu einer Zone niedrigeren Drucks entlüftet.

Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel kann auf ver-

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schiedene Weisen abgewandelt werden. Beispielsweise können durch den Ventilsitz Löcher oder dergleichen statt der Nuten verlaufen. Die Erfindung ist demzufolge nicht auf die Einzelheiten des dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispieles beschränkt.

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Claims

Patentansprüche

Kugelventil mit Hohlraumdruckverminderung, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (2) mit einem Hohlraum (C), eine im Hohlraum angeordnete Kugel (3), in der ein Durchlaß (4) durch die Kugel ausgebildet ist, einen ringförmigen Ventilsitz (5, 6) auf jeder Seite der Kugel zwischen dem Gehäuse und der Kugel, wobei der Ventilsitz einen Lippenabschnitt (12) und einen Wulstabschnitt (13) aufweist, die beide in Berührung mit der Kugel stehen, wenn die Kugel ihre Schließstellung einnimmt und das Kugelventil (1) in Betrieb ist, und Mittel (15) am Wulstabschnitt, die es ermöglichen, daß durch den Druck im Hohlraum verursachte Druckkräfte (f) auf einen Abschnitt der Oberfläche des Ventilsitzes so wirken, daß der daraus resultierende Kraftvektor (F') ausreicht, um den Lippenabschnitt von der Kugel weg auszulenken und dadurch den Druck aus dem Hohlraum abzulassen, wenn dieser Druck einen bestimmten Wert erreicht.
2. Kugelventil nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Mittel am Wulstabschnitt aus zu-

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Deutscht? Bank »München! K*o 51/6i0'0

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mindest einer öffnung (15) bestehen, die ermöglicht, daß die durch den Druck im Hohlraum (C) verursachten Druckkräfte (f) auch auf die Oberfläche des Ventilsitzes (5, 6) zwischen dem Wulstabschnitt und dem Lippenabschnitt (12) wirken und dadurch den resultierenden Kraftvektor (F¹) erzeugen.
3. Kugelventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die öffnung eine Nut (15) ist, die quer zum mit der Kugel (3) in Berührung stehenden Rand des Wulstabschnittes (13) ausgebildet ist.
4. Ringförmiger Ventilsitz zur Hohlraumdruckverminderung bei einem Kugelventil, gekennzeichnet durch einen Lippenabschnitt (12) und einen Wulstabschnitt (13), die beide im Betrieb des Kugelventils (1) mit dessen Kugel (3) in Berührung stehen können, und Mittel (15) am Wulstabschnitt, die es ermöglichen, daß durch den Druck im Hohlraum (C) des Kugelventils verursachte Druckkräfte (f) auf einen Abschnitt der Oberfläche des Ventilsitzes so wirken, daß der daraus re-

) sultierende Kraftvektor (F¹) ausreicht, um den Lippenabschnitt von der Kugel weg auszulenken und um den Druck aus dem Hohlraum abzulassen, wenn dieser Druck einen bestimmten Wert erreicht.

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5. Ventilsitz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel am Wulstabschnitt (13) aus zumindest einer öffnung (15) bestehen, die ermöglicht, daß die durch den Druck im Hohlraum (C) verursachten Druckkräfte (f) auch auf die Oberfläche des Ventilsitzes (5) zwischen dem Wulstabschnitt und dem Lippenabschnitt (12) wirken und dadurch den resultierenden Kraftvektor (F¹) erzeugen.
6. Ventilsitz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die öffnung eine Nut (15) ist, die quer zum mit der Kugel (3) in Berührung stehenden Rand des Wulstabschnittes (13) ausgebildet ist.

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