DE3003236A1 - Drehbewegliche rohrverbindung - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine drehbewegliche Rohrverbindung mit einem Dichtring aus keramischem Werkstoff/ der auf der einen Seite eine sphärische Dichtfläche aufweist und auf der anderen Seite mit seiner Rückfläche einerseits ühd mit der Stirnfläche eines Stützteils andererseits eine Stützfläche bildet.

In drehbeweglichen Rohrverbindungen, die durch Druck und/ oder Temperatur hoch beansprucht sind, verwendet man als Dichtelement keramische Dichtungsringe, die beispielsweise aus Kohlekeramik bestehen. Über eine sphärische Dichtfläche, die meist konkav ausgeführt ist (aber nicht sein muß), wirken sie mit einer entsprechend entgegengesetzt sphärisch ausgebildeten Gegendichtflache zusammen. Die sphärische Ausführung der Dichtfläche ist notwendig, damit auch bei Fluchtfehlern, die nicht nur bei winkelbeweglichen Rohrverbindungen, sondern auch bei koaxial geführten Rohrverbindungen nicht zu vermeiden sind, keine Undichtigkeiten auftreten. Denn im Gegensatz zu Dichtringen aus elastischem oder plastischem Werkstoff können aus keramischem Material bestehende Dichtringe solchen Fluchtfehlern nicht unter Aufrechterhaltung der Dichtigkeit nachgeben. In bekannten Dichtungsanordnungen der eingangs genannten Art wird der Dichtdruck durch eine axial wirkende Feder und zusätzlich durch den auf die Dichtungsanordnung wirkenden -Mediumsdruck erzeugt. Die axial wirkende Dichtkraft wird von der Rückseite des Dichtungsrings auf einen Stützteil übertragen, der im allgemeinen vom Gehäuse gebildet ist. Wirken die Rückfläche des Dichtrings und die Stirnfläche des Stützteils auf einer planen, radial verlaufenden Fläche zusammen und ist der Dichtring am Umfang frei, so vermag die Anordnung nur axiale Kräfte zu über-

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tragen, während die radialen Kräfte durch eine besondere Lageranordnung aufgenommen werden müssen. Diese besondere Lageranordnung kompliziert, verteuert und vergrößert die Rohrverbindung. Bei anderen Ausführungen der eingangs genannten Rohrverbindung wird der Dichtring deshalb nicht nur in axialer Richtung, sondern auch am Umfang in radialer Richtung gehalten, so daß er auch radiale Kräfte zu übertragen vermag. Damit der Dichtring auch bei angehobenen Temperaturen und trotz des geringeren Wärmedehnungskoeffizienten von keramischem Material gegenüber Metallen in Radialdichtung sicher gehalten ist, muß er in solchen Einbaufällen sehr sorgfältig in die umgebenden Gehäuseteile eingeschrumpft werden. Ferner ist es notwendig, bei der Montage (ebenso beim Austausch eines verschlissenen Dichtrings) den Dichtring und die damit zusammenwirkende Kugelkalotte einzuschleifen, weil die Genauigkeit der sphärischen Fläche durch die Schrumpfverformung beeinträchtigt wird. Zwar hat diese Ausführung gegenüber der zuerst erläuterten den Vorteil größerer Einfachheit und geringerer Dimensionen; jedoch werden diese Vorteile ganz oder teilweise durch den erhöhten Montageaufwand und insbesondere auch den Aufwand beim Austausch eines Dichtrings wettgemacht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Rohrverbindung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die Vorteile beider Bauarten miteinander verbindet.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Stützfläche, also derjenige Flächenteil, in welchem die Rückfläche des Dichtrings und die Stirnfläche des diesen tragenden Stützteils, im wesentlichen kegelig ist.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es im Zusammenhang der im Gattungsbegriff vorausgesetzten Anordnung für die übertragung von Radialkräften nicht erforderlich ist,

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den Dichtring durch eine zylindrische ümfangsfläche genau festzulegen. Es genügt vielmehr eine konische Fläche, solange die mit dem Tangens des Konuswinkels multiplizierten Radialkräfte nicht größer sind als die wirkenden Axialkräfte, wobei unter dem Konuswinkel der zwischen einer Mantellinie des Konus und der Axialrichtung eingeschlossene Winkel verstanden wird. Diese Bedingung läßt sich durch geeignete Wahl des Konuswinkels leicht mit genügender Sicherheit erfüllen.

Man erhält so eine Anordnung, in welcher der Dichtring sich leicht ohne umständliche Anpassungsarbeiten montieren läßt und gleichwohl zur übertragung von Radialkräften befähigt ist. Es hat sich auch gezeigt, daß es nicht erforderlich, ist, den Dichtring und die damit zusammenwirkende Kugelkalotte bei der Montage oder beim Ersatz des Dichtrings neu einzuschleifen.

Im Hinblick auf einen geringen Materialverbrauch für den Dichtring und gute Widerstandsfähigkeit desselben ist es zweckmäßig, wenn der an der Bildung der Stützfläche beteiligte Teil der Rückfläche des Dichtrings etwa parallel zu seiner sphärischen Dichtfläche verläuft. Dann ist der Dichtring nämlich - quer zu der Dichtfläche und der Rückfläche gemessen - überall im wesentlichen gleich dick. Ohne grundsätzlich von dieser Lehre abzuweichen, kann es in manchen Fällen zweckmäßig sein, daß der mittlere Kegelwinkel der Rückfläche etwas kleiner ist als derjenige der sphärischen Dichtfläche. Dadurch kommt zwischen den genannten Flächen eine keilförmige Erweiterung nach innen zustande, durch die auf den Dichtring eine radial nach innen gerichtete Kraft ausgeübt wird, die ihn in Umfangsrichtung unter Druckspannung ^: setzt. Dies kann im Hinblick

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auf andere Beanspruchungen mitunter zweckmäßig sein. Hingegen kann es in denjenigen Fällen, in denen der Druck des Mediums von außen radial nach innen auf den Dichtring wirkt, erwünschter sein, daß das Neigungsverhältnis der genannten Flächen eine radial nach außen, also dem genannten Mediumsdruck entgegenwirkende, Kraft auf den Dichtring ausgeübt wird. In diesen Fällen wird der mittlere Kegelwinkel der Rückfläche etwas größer als derjenige der sphärischen Dichtfläche ausgeführt.

Da die Funktion der kegeligen Stützfläche darin besteht, den Dichtring nicht nur axial, sondern auch radial festzulegen, kommt es offensichtlich nicht darauf an, daß die Kegelfläche von geradlinigen Erzeugenden gebildet ist. Zwar wird eine solche Ausführung im allgemeinen bevorzugt; jedoch soll der Begriff im wesentlichen kegelig auch solche Ausführungen umfassen, bei denen die Kegelfläche durch eine sphärische Fläche angenähert ist. In jedem Falle ist es zweckmäßig, wenn der Krümmungsradius der Stützfläche etwas größer ist als derjenige der Dichtfläche .

Da keramische Werkstoffe gegenüber Zugspannungen (und daher auch Biegebeanspruchung) empfindlich sind, werden keramische Dichtringe im allgemeinen sorgfältig starr abgestützt. Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung wird von diesem Prinzip zugunsten einer begrenzt nachgiebigen Abstützung des Dichtrings· abgewichen. Genauer gesagt soll der Stützteil dem Dichtring eine geringfügige Torsion um seine ümfangsachse ermöglichen zur besseren Anpassung der Dichtfläche an die Gegendichtflache im Falle von Bearbeitungstoleranzen oder ungleichmäßigem Verschleiß, Die Erfindung beruht insoweit auf der Erkenntnis, daß bei hinreichend sorgfältiger Bearbeitung diese Verformungen

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innerhalb der Beanspruchungsgrenzen des keramischen Werkstoffs gehalten werden können, übrigens kann in diesem Zusammenhang das oben erwähnte zusätzliche Merkmal erwünscht sein, daß durch entsprechende Neigungsverhältnisse an der Dichtfläche und der Rückfläche des Dichtrings dieser in Umfangsrichtung unter eine Druckvorspannung gesetzt wird.

Ferner ist es in diesem Zusammenhang vorteilhaft, wenn der Stützteil als Ring ausgebildet ist, damit er gleichfalls eine Torsionsbewegung um seine Umfangsachse ausführen kann, so daß der Dichtring seine ganzflächige Abstützung durch den Stützring nicht verliert. Schließlich ist es in diesem Zusammenhang vorteilhaft, wenn nicht nur der Dichtring, sondern auch der Stützring im Radialschnitt eine Haupterstreckung hat, die etwa parallel zu seiner mit der Rückfläche des Dichtrings zusammenwirkenden Stirnfläche verläuft.

Um die bei solcher Verformung auftretende Beanspruchung des Dichtringwerkstoffs möglichst gering zu halten, ist es zweckmäßig, die Abstützung des Stützrings schmal und etwa mittig auf seine im Radialschnitt erscheinende Gestalt vorzusehen. Die Schmalheit der Abstützung erleichtert dem Stützring die Torsion um seine Umfangsachse, während die mittige Anordnung der Abstützung zur Folge hat, daß die Deformation beiderseits der Abstützung gegensinnig etwa gleich groß ist, während die neutrale Linie der Deformation in der Mitte der Stützfläche verläuft. Der Stützring verhält sich dann (im Radialschnitt gesehen) wie eine Wiegebalken, der etwa vorhandenen Ungenauigkeiten durch Drehung in der einen oder anderen Richtung nachzugeben vermag.

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Zweckmäßigerweise ist der Stützteil gehäuseseitig vorgesehen und ist die Dichtfläche des Dichtrings (ebenso auch die Stützfläche zwischen Dichtring und Stützteil) konkav. Jedoch ist offensichtlich die umgekehrte Anwendung der Erfindungslehre gleichfalls möglich.

Schließlich ist es ein Merkmal der Erfindung, daß radial innerhalb des Stützrings/ also in dem Spalt zwischen dem Stützring und einem aus der Rohrverbindung herausführenden Stutzen, ein Füllring vorgesehen ist, der im Falle einer Beschädigung des Dichtrings dafür sorgt, daß nicht Stücke des Dichtrings unter der Einwirkung des herausdrängenden Mediums nach außen geschleudert werden.

Die Erfindung wird im folgenden näher unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, die zwei Ausführungsbeispiele zur einen und zur anderen Seite der Mittellinie eines Längsschnitts veranschaulicht.

Es sei angenommen, daß der mit dem Flansch 1 verbundene Stutzen 2 mit einer feststehenden, nicht dargestellten Rohrleitung verschweißt sei. Der Flansch 1 ist mit einem stationären Bauteil 3 verschraubt, das die gesamte Anordnung trägt.

An den Flansch 1 ist das Gehäuse der Rohrverbindung angeflanscht, das aus den beiden Teilen 4 und 5 zusammengesetzt ist. In das Gehäuse 4, 5 ragt koaxial zum Stutzen und von der entgegengesetzten Seite her ein Stutzen 6, von dem angenommen sei, daß er mit einem rotierenden, in der Zeichnung nicht erscheinenden Bauteil verbunden sei. Unter Rotation ist im Zusammenhang der Erfindung auch eine drehend hin- und hergehende Bewegung zu verstehen. Innerhalb des Gehäuses 4, 5 ist der Stutzen 6 einstückig

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mit einem flanschartigen Teil 7 verbunden, dessen zum Stutzen 6 weisende Fläche als konvexe Kugelfläche ausgebildet ist mit einem Krümmungsmittel bei 9. Die andere Seite bildet eine Aufnahme für einen aus gleitfähigem Werkstoff, beispielsweise Kunstkohle, bestehenden Gleitring 10 und den sich auf dem Gleitring 10 abstützenden Flansch 11 einer Federführungsbüchse 12. Eine Druckfeder 13 liegt unter Vorspannung zwischen dem Flansch 11 und dem Gehäuseteil Der sphärischen Fläche 8 des flanschartigen Teils 7 ist eine gleiche sphärische Fläche, die Dichtfläche, des Dichtrings 14 zugeordnet. Der Dichtring 14 stützt sich (indirekt) an einem radial nach innen gezogenen Flansch 15 des Gehäuseteils 5 ab. Bis dahin kann die Anordnung als bekannt betrachtet werden.

Wendet man sich nun zunächst der in der Figur oberen Darstellung zu, so stellt man fest, daß der Dichtring 14 auf seiner der Dichtfläche 8 gegenüberliegenden Seite von einer ebenfalls sphärischen Rückfläche 16 begrenzt wird. Der KrümmungsmitteIpunkt 17 der Rückfläche 16 kann gegenüber dem Krümmungsmittelpunkt 9 der Dichtfläche 8 axial ein wenig versetzt sein, um eine eindeutige Lage oder die oben näher erörterte Neigungsdifferenz dieser beiden Fläche zu erzeugen. Der Versatz der Krümmungsmittelpunkte wirkt auch günstig im Hinblick auf die Positionierung des Dichtrings 14, die im übrigen grob durch das Zusammenwirken der Umfangsflache 18 mit der Gehäuseinnenfläche oder durch irgendwelche am Dichtring vorgesehenen Bundflächen mit reichlich Spiel gewährleistet werden kann.

Hinter dem Dichtring 14 liegt ein Stützring 19, der in den Gehäuseteil 5 fest eingepaßt ist und daher als starre Abstützung für den Dichtring 14 wirkt. Seine gesamte dem Dichtring 14 zugewandte Stirnfläche ist ebenso sphärisch ausgeführt wie die Rückfläche 16 des Dichtrings. Soweit

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die Rückfläche des DichtrLngs und die Stirnfläche des Stützrings 19 zusanunenfallen, bilden sie die sogenannten Stützfläche, auf deren Konizität es erfindungsgemäß ankommt. Selbstverständlich brauchen die Rückfläche des Dichtrings 14 und die Stirnfläche des Stützrings 19 nicht in ihrer Gesamtheit konisch zu sein.

Die im oberen Beispiel durch eine sphärische Fläche angenäherte Konizität bewirkt, daß nicht nur axial verlaufende Kräfte aufgenommen werden können, sondern daß der Dichtring 14 auch in Radialrichtung eindeutig festgelegt wird, so daß auch Radialkräfte übertragen werden können. Die Montage des Dichtrings 14 ist offensichtlich ohne jegliche Probleme, weil eine genaue Einpassung des Dichtrings 14 in Gehäuseteile nicht erforderlich ist.

Dieselben Vorteile hat die in der Figur unten dargestellte Ausführung, in welcher die gemeinsam von dem Dichtring 14 und dem Stützring 20 gebildete Stützfläche 21 konisch verläuft mit dem Konuswinkel 22, während die sphärische Dichtfläche 8 einen mittleren Konuswinkel 2 3 besitzt. Man erkennt, daß der Winkel 22 ein wenig kleiner ist als der Winkel 23, so daß der zwischen ihnen sich bildende Keil eine nach innen wirkende Vorspannung auf den Dichtring 14 ausübt.

Im Gegensatz zur oben dargestellten Ausführung ist der Stützring 20 nicht starr im Gehäuse festgelegt; er wirkt mit dem Gehäuse vielmehr nur über die schmale Umfangsflache 24 und einen zwischen zwei Stirnflächen liegenden, elastischen Dichtring 25 zusammen. Das in der Zeichnung im Radialschnitt erscheinende Ringelement kann daher offensichtlich um einen Schwenkpunkt gedreht werden, dessen Lage man

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etwa mit der Spitze des Pfeils 26 angeben kann. Dieser Pfeil führt von dem Krümmungsmittelpunkt 9 etwa durch den Mittelbereich der Stützfläche 21_r Der Drehpunkt für das dargestellte Ringelement liegt somit etwa mittig zu dieser Stützfläche, so daß sich die außen liegenden Teile der Stützfläche bei einer Drehung in gleichem Maße dem Dichtring 14 nähern, bzw. sich von ihm entfernen, so daß eine ausgewogene Verformung mit kleinstmöglichen Spannungsspitzen zustandekommt. Sollten die Krümmungsradien der Kugeloberflächen der Teile 7 und 14 nicht völlig übereinstimmen, ergibt sich daher unter der Pressung der Feder

13 sowie des Mediumsdrucks eine Torsion des Stützrings

in der einen oder anderen Drehrichtung um diejenige parallel zum Umfang verlaufende Achse, die durch die Zeichenebene etwa, bei der Spitze des Pfeils 26 hindurchtritt.

Radial innerhalb des Sütztrings 20 ist ein Füllring 27 angeordnet; der den Austritt von Teilen des Dichtrings

14 im Falle einer Zerstörung desselben verhindern soll. Bei der oben in der Figur dargestellten Ausführung wird diese Funktion von dem Stützring 19 ausgefüllt. Bei der unten dargestellten Ausführung hat man es hingegen vorgezogen, den Stützring 20 nicht so weit zum Stutzen 6 hin zu verlängern, um nicht die Gleichwertigkeit der beiderseits des Drehpunkts befindlichen Flügel zu stören. Stattdessen wurde der Füllring 27 eingesetzt, der die Einstellbewegung des Stützrings 20 nicht hindert.

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Patentansprüche

1.ι Drehbewegliche Rohrverbindung mit einem Dichtring aus keramischem Werkstoff, der auf der einen Seite eine sphärische Dichtfläche aufweist und auf der anderen Seite mit seiner Rückfläche einerseits und mit der Stirnfläche eines Stützteils andererseits eine Stützfläche bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützfläche (16, 21) im wesentlichgen kegelig ist.

2. Rohrverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützfläche (16, 21) des Dichtrings (1.4) etwa parallel zu dessen sphärischer Dichtfläche (8) verläuft.

3. Rohrverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Kegelwinkel (22) der Stützfläche (16, 21) etwas kleiner ist als derjenige (23) der sphärischen Dicht fläche (8).

4. Rohrverbindung nach Anspruch 1o der 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Kegelwinkel (22) der Stütz- : fläche (16, 21) etwas größer ist als derjenige (.23) der sphärischen Dichtfläche (8).

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5. Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützfläche (21) kegelig mit geradlinigen Erzeugenden ist.

6. Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützfläche (16) sphärisch ist.

7. Rohrverbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der Stützfläche (16, 21) größer ist als derjenige der Dichtfläche (8).

8. Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützteil (20) begrenzt nachgiebig ausgebildet ist.

9. Rohrverbindung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützteil (20) als Ring ausgebildet ist.

10. Rohrverbindung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die im Radialschnitt gesehene Haupterstreckung des Stützrings (20) etwa parallel zu seiner mit der Rückfläche (21) des Dichtrings (14) zusammenwirkenden Stirnfläche (21) verläuft.

11. Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung (24, 25) des Stützrings (20) schmel und etwa mittig in bezug auf seine im Radialschnitt erscheinende Gestalt vorgesehen ist.

12. Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützteil (20) gehäuseseitig vorgesehen ist und die Dichtfläche (8) des Dichtrings (14) konkav ist.

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13. Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß radial innerhalb des Stützrings (20) ein Füllring (27) vorgesehen ist.

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