DE3249735C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ventilkupplung für Fluidleitungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Ventilkupplung ist aus der US-PS 25 04 569 bekannt.

Die bekannte Ventilkupplung besteht aus zwei Kupplungsteilen, in denen Ventilkörper angeordnet sind, die aus einer Führungshülse und einem endseitig daran befestigten Ventilteller bestehen, der einem im Kupplungsteil befestigten Ventilsitz gegenübersteht. Der Ventilkörper steht unter dem Einfluß einer ihn in Schließstellung vorspannenden Feder. Er weist einen vorstehenden Stift auf, der beim Zusammenfügen der Kupplung sich an dem Stift des Ventilkörpers im anderen Kupplungsteil abstützt, so daß sich die Ventilkörper gegenseitig von ihren Ventilsitzen abheben.

Bei der bekannten Kupplung sind die Kupplungsteile äußerlich sehr unterschiedlich ausgebildet. Das eine Kupplungsteil ist ein Steckerteil, während das andere Kupplungsteil ein Buchsenteil ist, das ein Außengewinde trägt, auf das eine am Steckerteil angeordnete Überwurfmutter aufschraubbar ist, um die beiden Kupplungsteile miteinander zu verbinden und gegen die Kraft der Federn zusammenzuhalten. Beim Trennen dieser Kupplung bewegen sich die Ventilkörper unter dem Einfluß ihrer Vorspannfedern und gegebenenfalls des Druckes des in der Leitung enthaltenen Fluids entsprechend der Drehgeschwindigkeit, mit der die Überwurfmutter gelöst wird, in ihre Schließstellungen.

In manchen Einsatzgebieten, in denen Fluide durch Leitungen, insbesondere Druckleitungen, gefördert werden, beispielsweise beim Betanken von Tankern mit Flüssiggas, ist es mitunter notwendig, eine sehr schnelle Trennung der Leitung mit Hilfe einer Ventilkupplung durchzuführen, beispielsweise weil zunehmender Seegang ein sicheres Betanken des Tankers nicht mehr erlaubt. Es kommt dabei primär darauf an, die beiden miteinander verbundenen Elemente, beispielsweise den Tanker, sehr schnell mechanisch voneinander zu trennen, wobei freilich der Austritt von Fluid aus der Leitung während des Trennvorgangs auf ein Minimum beschränkt werden sollte. Eine Kupplung der bekannten Art ist für diesen Einsatzzweck völlig ungeeignet, da die Überwurfmutter nicht schnell genug gelöst werden kann und die ineinandergesteckten Kupplungsteile durch Verkanten sich möglicherweise nicht schnell genug voneinander trennen. Die Anmelderin hat die vorgenannte Kupplung so abgewandelt, daß die Kupplungsteile vergleichsweise schnell voneinander getrennt werden können und keine Ausfälle, beispielsweise durch Verkanten, auftreten können.

Es ist bekannt, daß beim schnellen Unterbrechen einer in Rohrleitungen mit hoher Geschwindigkeit geförderten Flüssigkeitsströmung es zu sogenannten Druckschlägen oder Druckstößen im Leitungssystem kommt, die durch die kinetische Energie der mit hoher Geschwindigkeit strömenden und plötzlich abgebremsten Flüssigkeit verursacht werden. Eine Ventilkupplung der vorgenannten Art würde, wenn man ihre Kupplungsteile sehr schnell voneinander lösen kann, solche Druckschläge verursachen, weil die Ventilkörper sich unter dem Einfluß der Schließfedern und des Druckes im Fluid augenblicklich schließen würden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventilkupplung der vorgenannten Art anzugeben, die so ausgestaltet ist, daß beim schnellen Trennen der Kupplung das Auftreten von Druckstößen im strömenden Fluid weitestgehend vermieden ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die Erfindung wird eine Ventilkupplung geschaffen, in der das Schließen der Ventilkörper beim plötzlichen Trennen der Kupplung sich nicht schlagartig, sondern allmählich vollzieht. Es können daher die Druckschläge der vorbeschriebenen Art nicht auftreten, sondern es wird das strömende Fluid allmählich zum Stehen gebracht. Zwar ist dadurch ein gewisses Austreten von Fluid aus den Kupplungsteilen nicht zu vermeiden, doch ist dies gegenüber einer Überbeanspruchung eines Leitungssystems, die möglicherweise zu einem Bruch führen könnte, das kleinere Übel.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf ein in den Zeichnungen dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Ventilkupplung mit den erfindungsgemäßen Merkmalen im gekuppelten Zustand der Kupplungsteile im Radialschnitt,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 3 ein Kupplungsteil im Radialschnitt im halbgeschlossenen Zustand des Ventilkörpers,

Fig. 4 eine Darstellung ähnlich Fig. 3 in völlig geschlossenem Zustand des Ventilkörpers und

Fig. 5 zwei Kupplungsteile in voneinander getrenntem Zustand.

Fig. 1 zeigt in einer Axialschnittansicht eine Ausführungsform einer Notabstellvorrichtung nach der Erfindung, die zwei Kupplungsteile 1, 2 aufweist, die eine identische zylindrische Form haben.

Die Kupplungsteile 1, 2 haben Fluiddurchgänge 113, 114 mit übereinstimmender Ausbildung. Die Fluiddurchgänge 113, 114 enthalten erste innere Wandungen 115, 116, die sich von Verbindungsflanschen 7, 8 zu Zwischenabschnitten von äußeren Rohrstücken 3, 4 erstrecken und einen Innendurchmesser R haben, und enthalten zweite innere Wandungen 117, 118 mit einem Innendurchmesser D₂ (D₂<R) sowie dritte innere Wandungen 119, 120, die einen Innendurchmesser D₃ (D₃<D₂) haben, wobei die zweiten und dritten inneren Wandungen sich von den Zwischenabschnitten der äußeren Rohrstücke 3, 4 zu Flanschringen 5, 6 erstrecken. Die Abschnitte der Fluiddurchgänge, die sich von den dritten inneren Wandungen 119, 120 zu Verbindungsöffnungen 121, 122 in den Flanschringen 5, 6 erstrecken, haben eine Querschnittsfläche, die allmählich kleiner wird, und enthalten jeweils eine konische Dichtfläche 123, 124, mit denen axial verschiebbare Hülsen 127, 128 zusammenarbeiten. Die dritten inneren Wandungen 119, 120 und die zweiten inneren Wandungen 117, 118 haben dazwischenliegende, stufenförmig abgesetzte Teile, an denen Einfassungsringe 125, 126 angebracht sind.

Die Kupplungsteile 1, 2 sind durch eine Ringklemmschelle 9 miteinander verbunden, wobei die Fluiddurchgänge in Verbindung miteinander über die Verbindungsöffnungen stehen.

Die Kupplungsteile 1, 2 enthalten jeweils in den Fluiddurchgängen 113, 114 verschiebbare Hülsen 127, 128, Federn 129, 130 zur Druckbeaufschlagung der Hülsen 127, 128 gegen die Dichtflächen 123, 124 der Flanschringe 5, 6 und Anschlagringe 131, 132, die jeweils auf den ersten Innenwandungen 115, 116 befestigt sind und gegen die die Enden der Federn 129, 130 anliegen.

Die Hülsen 127, 128, die eine übereinstimmende zylindrische Form haben, sind an ihren Enden durch Ventilteller 133, 134 verschlossen, und die anderen Enden sind als Öffnungen 135, 136 ausgebildet, über die ein Fluid einströmen kann. Die Hülsen haben jeweils Gleitringe 137, 138, die einen Außendurchmesser D₁ haben, der kleiner als der Innendurchmesser D₂ der zweiten inneren Wandungen 117, 118 ist und auch kleiner als der Innendurchmesser H der Einfassungsringe 125, 126 ist, wobei ein vorbestimmter Spalt Δ S₁ dazwischen begrenzt wird, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Die Gleitringe 137, 138 haben axiale Schlitze 139, 140, die in Abständen in Umfangsrichtung verteilt sind. Die Gleitringe 137, 138 haben auch in inneren Umfangsflächen stufenförmig abgesetzte Teile 141, 142, die in Eingriff mit den anderen Enden der Federn sind. Führungsringe 143, 144 sind fest auf einer äußeren Fläche der Gleitringe 137, 138 an ihren Öffnungen 135, 136 oder ihren hinteren Enden angebracht, und die Führungsringe haben einen Außendurchmesser, der kleiner als der Innendurchmesser D₂ der zweiten inneren Wandungen 117, 118 ist, wobei ein vorbestimmter Spalt Δ S₂ gebildet wird, der als Durchflußbegrenzungsspalt bzw. Drosselspalt zwischen den Führungsringen und den zweiten inneren Wandungen dient. Die Durchflußbegrenzungsspalte bzw. Drosselspalte Δ S₂ haben eine axiale Länge L.

Zwei zentrale Distanzstangen 147, 148 stehen einander gegenüberliegend von den Ventiltellern vor. Kegelteile 149, 150, 151, 152 sind auf den Distanzstangen und in den Gleitringen 137, 138 jeweils angebracht. Die Ventilteller 133, 134 haben jeweils Dichtungen 153, 154, die an den Enden angebracht sind und sich über den gesamten Umfang derselben erstrecken.

Die ersten inneren Wandungen 115, 116 und die zweiten inneren Wandungen 117, 118 haben dazwischen begrenzte stufenförmig abgesetzte Abschnitte 145, 146, die als Anschläge dienen, gegen die die Führungsringe 143, 144 der Hülsen zur Anlage kommen, um den Hub der Gleitbewegung der Hülsen zu begrenzen. Die zweiten inneren Wandungen 117, 118, die Gleitringe 137, 138 der Hülsen 127, 128, die Führungsringe 143, 144 und die Einfassungsringe 125, 126 begrenzen in Verbindung miteinander Fluiddichtungskammern 155, 156. Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, sind die Fluiddichtungskammern 155, 156 in Verbindung mit den Schlitzen 139 über eine Öffnungsbreite x₁ (siehe Fig. 2), wenn die Kupplungsteile 1, 2 miteinander bei der normalen Anwendung verbunden sind, wobei die Hülsen gegen die Vorbelastung der Federn gedrückt werden, und die Führungsringe 143, 144 in Anlage an die stufenförmig abgesetzten Abschnitte 145, 146 kommen. Die Führungsringe 143, 144 haben einen Abstand von den Einfassungsringen 125, 126, der mit E bezeichnet ist und der größer als der Abstand x zwischen den Dichtringen 153, 154 und den Dichtflächen 123, 124 ist.

Die Kegelteile 149, 150, 151, 152 haben konische Flächen, die sich unter einem Winkel R bezüglich der Achse der Kupplungsteile 1, 2 erstrecken. Der Winkel R ist derart gewählt, daß das Fluid durch eine im wesentlichen gleichförmige Querschnittsfläche im zusammengebauten Zustand der Kupplungsteile 1, 2 strömen kann.

Die Arbeitsweise der Notabstellvorrichtung mit dem zuvor beschriebenen Aufbau wird nachstehend beschrieben.

Wenn die Kupplungsteile 1, 2 miteinander unter Verwendung der Ringklemmschelle beim normalen Durchleiten eines Fluids verbunden sind, befinden sich die Hülsen durch die Distanzstangen gegen die Kraft der Feder in Anlage an den stufenförmig abgesetzten Abschnitten 145, 146 und werden durch diese in einer vorbestimmten Position gehalten. Die Schlitze 139, 140 in den Hülsen sind teilweise zu den Fluiddichtungskammern 155, 156 offen.

Das Fluid strömt über die erste innere Wandung 116 des Kupplungsteils 2 in die Öffnung 136 in der Hülse 128 in Richtung der in der Figur gezeigten Pfeile. Von dort aus geht das Fluid durch den Schlitz 140, einen Raum zwischen der dritten inneren Wandung 120 und der Hülse 128, einen Raum zwischen dem Kegelteil 150 und dem Flanschring 6 und durch die Verbindungsöffnungen 121, 122 in den Fluiddurchgang 113 des Kupplungsteils 1. Das in den Fluiddurchgang 113 eingeleitete Fluid geht durch einen Raum zwischen dem Kegelteil 149 und dem Flanschring 5, einem Raum zwischen der dritten inneren Wandung 119 und der Hülse 127, die Schlitze 139, die Öffnung 135 und über die erste innere Wandung 115 in die Verbindungsleitung 10. In gleicher Weise kann das Fluid in Gegenrichtung strömen. Da die Schlitze 139, 140 immer zu den Fluiddichtungskammern 155, 156 offen sind, wenn das Fluid strömt, sind die Fluiddichtungskammern zu jedem Zeitpunkt mit Fluid gefüllt.

Wenn in einem Notfall die schnelle Trennung der Fluidleitung erforderlich ist, wird die Ringklemmschelle, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, abgenommen, um die Kupplungsteile 1, 2 zu trennen.

Gleichzeitig mit der Trennung der Kupplungsteile 1, 2 werden die Hülsen unter der Wirkung der Reaktionskraft der Federn 129, 130 und des Fluiddrucks so gedrückt, daß die Gleitringe 137, 138 der Hülsen 127, 128 in Fig. 2 durch die Öffnungsbreite x₁ gleiten, wobei die Fluiddichtungskammern 155, 156 zwischen den Führungsringen 143, 144, den Einfassungsringen 125, 126, den äußeren Rohrteilen 3, 4 und den Gleitringen 137, 138 geschlossen werden, um eine Fluidmasse M in jeder Fluiddichtungskammer dicht einzuschließen. Zu diesem Zeitpunkt befinden sich die Dichtungen 153, 154 in einem Abstand von den Dichtflächen 123, 124, und zwar um einen Abstand x₂ (in der Zeichnung nicht dargestellt, x₂=x-x₁).

Wenn sich die Hülsen und die Gleitringe weiter unter Ausführung einer Gleitbewegung bewegen, wird der Abstand zwischen den Führungsringen 143, 144 und den Einfassungsringen 125, 126 kleiner, um die in den Fluiddichtungskammern 155, 156 eingeschlossene Fluidmasse unter Druck zu setzen. Die unter Druck gesetzte Fluidmasse M erzeugt eine Dämpfungswirkung auf die Führungsringe 143, 144 und die Einfassungsringe 125, 126. Dann beginnt die Fluidmasse M aus den Fluiddichtungskammern über die Zwischenräume bzw. Spalte Δ S₁, Δ S₂ auszutreten, die aber als Durchflußbegrenzungseinrichtungen bzw. Drosseleinrichtungen dienen, um die austretende Fluidmenge zu begrenzen. Daher wird eine bestimmte Zeitdauer bei den Hülsen benötigt, damit diese so weit gleiten, daß die Dichtungen 153, 154 in Berührung mit den Dichtflächen 123, 124 gebracht werden, nachdem sie eine Gleitbewegung über die Strecke x₂ ausgeführt haben. Es besteht daher nicht die Gefahr, daß sich die Hülsen frei und plötzlich unter der Kraft der Federn 129, 130 und des Fluiddrucks gleitend bewegen, so daß auch nicht die Gefahr besteht, daß die Kupplungsteile 1, 2 plötzlich unterbrochen werden. Die Hülsen können sich daher mit einer verminderten Geschwindigkeit gleitend bewegen, um die Schwierigkeit in Zusammenhang mit Druckstößen zu verhindern. Nach einer vorbestimmten Zeitdauer, die die Hülsen 127, 128 benötigen, um das Ende ihrer Hübe zu erreichen, werden die Dichtungen 153, 154 der Hülsen gegen die Dichtflächen 123, 124 angedrückt gehalten, um die Kupplungsteile vollständig abzudichten.

Die Zeit t, die die Hülsen brauchen, um ihre Gleitbewegung auszuführen, läßt sich anhand folgender Gleichungen bestimmen:

(1) Der Druck, unter dem das Fluid eingeschlossen wird:

wobei

F:die Kombination der Reaktionskraft der Feder und des Fluiddrucks;D₁:der Außendurchmesser des Gleitrings und D₂:der Innendurchmesser der zweiten inneren Wandung ist.

(2) Die Fluidmenge, die über die Zwischenräume Δ S₁, Δ S₂ ausgetreten ist, wird mit Q bezeichnet.

wobei

R:der Zwischenraumdurchmesser D₁/2 oder D₂/2;μ:Viskosität des Fluids;L:Länge des Durchflußbegrenzungszwischenraumes bzw. Durchflußbegrenzungsspaltes undΔ S:Zwischenraumbreite für den Durchfluß (Δ S₁ oder Δ S₂) ist.

(3) Das Volumen des Fluids, das aus der Fluiddichtungskammer ausgetragen wird, ist mit V bezeichnet.

wobei

x₂:der Spalt zwischen der Dichtungspackung und der Dichtfläche zu dem Zeitpunkt, wenn das Fluid anfängt, eingeschlossen zu werden (x₂=x-x₁).

Ferner sei angenommen, daß die Gleichungen (1) bis (3) äquivalent zu den Drosselwirkungen sind, die sich aufgrund der Spalte Δ S₁, Δ S₂ ergeben, so ergibt sich für die Ventilgleitzeit für den Spalt x₂ folgende Gleichung:

Bei tatsächlichen rechnerischen Ermittlungen sei Δ S=0,05 mm, L=12 mm bei einer Form zur Verwendung mit einem Durchmesser von ca. 75 mm. Dann ergibt sich für die Zeit t 1,16 sec, wenn das Fluid Wasser ist.

Anstelle die Zwischenräume Δ S₁, Δ S₂ als Drosselstellen zwischen den Führungsringen 143, 144, den äußeren Rohrstücken 3, 4, den Einfassungsringen 125, 126 und den Führungsringen 137, 138 zu begrenzen, können die Führungsringe, die Hülsen oder die Einfassungsringe selbst Durchflußbegrenzungsöffnungen bzw. Drosselöffnungen beispielsweise haben, um die Geschwindigkeit der Gleitbewegung der Hülsen zu begrenzen.

Nach dem Trennen der Kupplungsteile voneinander kann die in den Fluiddichtungskammern zwischen den Führungsringen und den Einfassungsringen eingeschlossene Fluidmasse einen Dämpfungseffekt erzeugen. Die Durchflußbegrenzungsspalte oder -öffnungen dienen zur Begrenzung des austretenden Fluids. Daher muß eine vorbestimmte Zeitdauer verstreichen, bevor die Dichtungen auf den Hülsen in Berührung mit den Dichtflächen gebracht werden. Somit besteht keine Gefahr, daß die Hülsen die kinetische Energie des Fluids zu plötzlich abbremsen. Die Verbindungen sind vollständig dicht abgeschlossen, und die Probleme im Zusammenhang mit Druckstößen sind überwunden.

Claims (3)

1. Ventilkupplung für Fluidleitungen, bestehend aus zwei miteinander verbindbaren rohrförmigen Kupplungsteilen, die im Innern jeweils einen axial verschiebbaren, gegebenenfalls durch eine Feder in Schließrichtung vorgespannten Ventilkörper aufweisen, bestehend aus einer Gleithülse, die einen Ventilkopf trägt, dem ein im Kupplungsteil ausgebildeter Ventilsitz gegenübersteht, und einer Einrichtung zum gegenseitigen Abheben der Ventilkörper von ihren Ventilsitzen im gekuppelten Zustand der Ventilkupplung, dadurch gekennzeichnet, daß jede Hülse (127; 128) am hinteren Ende an ihrem äußeren Umfang einen sich radial erstreckenden Führungsring (143; 144) trägt, der sie an der Innenwand (117; 118) des Kupplungsteils (1; 2) unter Ausbildung einer ringförmigen Kammer veränderlichen Volumens zwischen der Hülse und dem Kupplungsteil führt, und daß an der Innenwand (117; 118) jedes Kupplungsteils (1; 2) ein radial nach innen gegen die Hülse (127; 128) vorspringender Einfaßring (125; 126) angeordnet ist.

2. Ventilkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Einfaßring (125; 126) und der Hülse (127; 128) ein gedrosselter Durchlaß (Δ S₁) zur ringförmigen Kammer (155; 156) ausgebildet ist.

3. Ventilkupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Führungsring (143; 144) und der Innenwand (117; 118) des Kupplungsteils (1; 2) ein gedrosselter Durchlaß (Δ S₂) ausgebildet ist.