DE3303813A1

DE3303813A1 - Kugelventil

Info

Publication number: DE3303813A1
Application number: DE19833303813
Authority: DE
Inventors: Seiji Kuwana Fukuda
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1982-02-08
Filing date: 1983-02-04
Publication date: 1983-08-18
Also published as: GB2116678B; GB8302756D0; GB2116678A

Description

Kugelventil

Die Erfindung betrifft ein Kugelventil, das in Rohrleitungen oder Geräte verschiedener Art eingebaut wird und die Fluidströmung in derartigen Rohrleitungen oder Geräten steuern kann« Die Erfindung betrifft insbesondere ein Kugelventil, das einen übermässigen Druckanstieg darin verhindern kann.

Unter den verschiedenen Arten der bisher benutzten Ventile ist das Kugelventil eine relativ moderne Ventilart, die gegenwärtig dank verschiedener Vorteile, wie beispielsweise eines kleinen Druckabfalls, einer leichten Bedienungsweise und Automation, überlegener Dichtungseigenschaften, einer Kompaktheit des Aufbaues, einer leichten Wartung und einer ausgezeichneten Dauerhaftigkeit und gleichfalls vom Standpunkt der Einsparung von Energie und vom Standpunkt der Sicherheit eine breite Verwendung auf den üblichen industriellen Gebieten findet.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben:

Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines herkömmlichen Kugelventils.

Fig. 2 zeigt eine vergrösserte Schnittansicht des wesentlichen Teils eines Ventilsitzes in einem herkömmlichen Kugelventil.

Fig. 3 zeigt eine Fig. 2 ähnliche vergrösserte Schnittansicht, erläutert jedoch die Wirkung des Fluiddruckes auf den Ventilsitz.

Fig. 4 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen

dem spezifischen Volumen, dem Druck und der Temperatur von Wasser.

Fig. 5 zeigt in einem Diagramm das Ergebnis eines Versuches hinsichtlich der Frage, wie sich der

Druck von Wasser, das in das Kugelventil eingeschlossen ist, in Abhängigkeit von der Zeit ändert, wenn das Wasser durch äussere Wärme erwärmt wird.
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Fig. 6A zeigen vergrösserte Schnittansichten des Ventilsitzes im Zustand vor und nach dem oben beschriebenen Versuch.

Fig. 7 zeigt eine Darstellung einer Simulationsanalyse

des Vorganges der Entwicklung einer plastischen Verformung im Ventilring, die in Fig. 6B dargestellt ist.

Fig. 8A, 8B zeigen in Schnittansichten von Kugelventilen

^un die herkömmlichen technischen Verfahren zum Vermeiden eines übermässigen Druckanstieges in den Kugelventilen.

Fig. 9A - zeigen ein Beispiel eines bekannten Kugelventils,

9E

wobei Fig. 9A in einer vergrösserten Schnittansich den wesentlichen Teil eines Sitzringes des bekannten Ventils, Fig. 9B eine Vorderansicht des wesentlichen Teils des Sitzringes, Fig. 9C eine 5 Rückansicht des wesentlichen Teils des Sitzringes

und Fig. 9D und 9E vergrösserte Schnittansichten des Sitzringes im Zustand vor dem übermässigen Anstieg des Druckes und im Zustand zeigen, in dem der übermässige Druckanstieg auftritt.

Fig.1OA zeigen ein weiteres Beispiel eines bekannten Kugelventiles, wobei Fig. 10A eine Schnittansicht des wesentlichen Teils dieses bekannten Ventils, Fig.. 10B eine vergrösserte Schnittansieht des wesentlichen Teils und insbesondere

den Ventilsitz und Fig. 10C in einer Vorderansicht insbesondere eine im Ventilsitz ausgebildete Aussparung zeigen.

Fig. 11 zeigen in Schnittansichten und im vergrösserten

Masstab die wesentlichen Teile bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung, wobei Fig. 11A und 11B kombiniert ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Kugelventiles, Fig. 12A und 12B ein zweites Ausführungsbeispiel des

erfindungsgemässen Kugelventiles, Fig. 12C eine Abwandlungsform, bei der das erste und das zweite Ausführungsbeispiel kombiniert sind, Fig. 13A und 13B ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Kugelventiles, Fig. 14A und

14B ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Kugelventiles und Fig. 15A und 15B ein fünftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Kugelventiles zeigen.

Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, weist ein typisches herkömmliches Kugelventil einen Ventilkörperhohlraum 8, der von Körperteilen 1, 2 begrenzt ist, eine Kugel 3, einen Schaft 5 und Sitzringe 4 und 4¹ auf. Im vollständig ge-

öffneten oder vollständig geschlossenen Zustand des Kugelventiles ist das in diesen Ventilkörperhohlraum 8 eingeschlossene Fluid durch die Zusammenwirkung der Stopfbüchsendichtung 6, des Dichtungsringes 7, der Sitzringe 4, 4¹, der Körperteile 1, 2, des Ventilschaftes 5 und der Kugel 3 vollständig abgeschlossen und gegenüber dem Fluid in den Rohrleitungen abgedichtet, die mit dem Kugelventil verbunden sind.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass der Teil des Sitzringes und 4¹ zwischen der Dichtungsfläche 4a, mit der der Körperteil 1 oder 2 in Berührung steht, und der Dichtungsfläche 4b, mit der die Aussenflache der Kugel 3 in Berührung steht, einen keilförmigen Querschnitt hat, der zur Mitte des Dichtungsringes 4 oder 4¹ zusammenläuft. Wenn daher ein Druckanstieg im Körperhohlraum 8 auftritt, wirkt dieser Druck so, dass er den Sitzring vom Aussenumfang zur Mitte unter Druck setzt, wie es durch Pfeile in Fig. 3 dargestellt ist, so dass der Sitzring 4 oder 4¹ durch eine Keilwirkung in den Zwischenraum zwischen dem Körperteil 1 oder 2 und der Kugel 3 gedrückt wird, und dadurch eine stärkere Dichtungswirkung erzeugt wird.

Wenn ein Fluid auf einer Temperatur über der des im Körperhohlraum 8 eingeschlossenen Fluides einer der Rohrleitungen zugeführt wird, die mit dem Kugelventil verbunden sind, oder wenn das Ventil durch äussere Wärme erwärmt wird, steigt die Temperatur des eingeschlossenen Fluides an, so dass der Druck des eingeschlossenen Fluides aufgrund der Wärmeausdehnung des Fluides zunimmt.

Es tritt nämlich ein übermässiger Druckanstieg im Kugelventil dann auf, wenn ein inkompressibles Fluid, das in den Ventilkörperhohlraum eingeschlossen ist, im vollständig 35

geöffneten oder vollst^y.ndig geschlossenen Zustand des Ventil erwärmt wird.

Wenn beispielsweise das Volumen von Wasser bei einem

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Druck von 1 kg/cm und einer Temperatur von 4⁰C gleich 1,0 gesetzt wird, so ändern sich das spezifische Volumen, die Temperatur und der Druck in der in Fig. 4 dargestellten Weise. Wie es aus Fig. 4 ersichtlich ist, beträgt bei einem Temperaturanstieg auf 183° C selbst bei einem Druck

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von 500 kgf/cm das spezifische Volumen von Wasser 1,13/ was bedeutet, dass eine Volumenausdehnung von 13 % bewirkt wurde.

Wenn ein derartiger übermässiger Druck im Ventil aufgebaut wird, muss sich das Ventil ähnlich wie eine Gummikugel ausdehnen, um die Zunahme des Volumens aufzufangen, selbst wenn das Ventil als Druckkessel aufgebaut ist,

der einen Innendruck von 500 kfg/cm aushalten kann. Der übermässige Druckanstieg kann somit zu einer undichten Stelle durch die Stopfbüchsendichtung 6 oder zu einem Bruch des Dichtungsringes 7 führen, ganz zu schweigen von einem Bruch des Sitzringes 4 oder 4'. Im schlimmsten Fall werden die Körperteile 1 und 2 und die Kugel 3 verformt oder sogar beschädigt, wenn die Dichtigkeit und die Festigkeit der Stopfbüchsendichtung 6 oder des Dichtungsringes 7 so gross ist, dass sie ein Auslaufen des Fluides dahindurch nicht zulassen.

Um diese Erscheinung tatsächlich zu bestätigen, wurde mit einem tatsächlich einsetzbaren Kugelventil ein Test durchgeführt, bei dem der Druck des in den Ventilkörperhohlraum eingeschlossenen Wassers gemessen wurde, während dieses allmählich erwärmt wurde. Das Ergebnis dieses Testes ist in Fig. 5 dargestellt. In diesem Fall wurde der Sitzring als Folge eines Knickens zerstört, da er keine ausreichende Festigkeit hatte. Jedenfalls brach dieses Ventil, so dass

es seine normale Funktion verlor. Der maximale Pegel des übermässigen Druckes erreicht gefährliche Werte von gut über 200 kgf/cm . Das ist ausserordentlich unangemessen in Hinblick auf die Tatsache, dass das Ventil, das bei dem Test benutzt wurde, einen Nenndruck von 10 kg/cm hatte. Wenn die Körperteile aus einem brüchigen oder spröden Material bestehen, ist es gut vorstellbar, dass die Körperteile des Ventiles vollständig zerbrechen.

Fig. 6A und 6B zeigen die Querschnittsform des Ventilsitzes in einem Zustand vor und nach dem oben erwähnten ■ Test mit übermässigem Druckanstieg. Aus Fig. 6A ist ersichtlich, dass im normalen Zustand vor dem Test der Teil des Sitzringes zwischen der Dichtungsfläche, mit der die Innenfläche des Körperteiles in Berührung steht, und der Dichtungsfläche, mit der die Kugel in Berührung steht, einen keilförmigen Querschnitt hat, der von der radial aussenliegenden Seite zum Rohr zusammenläuft, das mit dem Kugelventil verbunden ist. Im Gegensatz dazu ist in dem in Fig. 6B dargestellten Zustand nach dem Test mit übermässigem Druckanstieg der Sitzring plastisch stark verformt und in den Zwischenraum zwischen dem Körperteil und der Kugel wie ein Keil getrieben.

Um quantitativ den Zustand der Verformung des Sitzringes zu untersuchen, wurde nach dem Verfahren des endlichen Elementes eine Simulation durchgeführt, um ein Ergebnis zu erhalten, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Bei dieser Simulation betrug der im Körperhohlraum aufgebaute über-

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massige Fluiddruck 100 kgf/cm . Es ist ersichtlich, dass dieses Versuchsergebnis eine annehmbare Übereinstimmung mit dem Versuchsergebnis zeigt, das in Verbindung mit Fig. 6A und 6B beschrieben wurde.

Es versteht sich, dass der übermässige Druckanstieg im Kugelventil, der eine fatale katastrophale Erscheinung in einem Kugelventil ist, das als Druckkessel arbeitet, der Tatsache zuzuschreiben ist, dass der Sitzring einen derartigen Aufbau hat, dass die Dichtungskraft an der Dichtungsfläche, die mit dem Ventilkörperteil in Berührung steht,und der Dichtungsfläche, die mit der Kugel in Berührung steht, zunimmt, wenn der angestiegene Fluiddruck, der im Ventilkörperhohlraum aufgebaut wird, am Sitzring liegt. Das ist der Mechanismus des übermässigen Druckanstieges im Kugelventil.

Der übermässige Druckanstieg tritt somit dann auf, wenn ein inkompressibles Fluid, wie beispielsweise Wasser, das in den Ventilkörperhohlraum eingeschlossen ist, im vollständig geöffneten oder vollständig geschlossenen Zustand des Ventiles erwärmt wird, so dass sein Druck durch die Wärmeausdehnung ansteigt.

Der Schlüssel zur Beseitigung des ausserordentlich hohen Druckanstieges besteht daher darin, wenigstens eine dieser Bedingungen zum Auftreten eines derartigen Druckanstieges auszuschliessen. Es ist als Alternative auch möglich, einen Entlastungsmechanismus vorzusehen, der den übermassigen Druck, d.h. die Zunahme des Volumens aufgrund einer Ausdehnung abnimmt, wenn der Druck soweit angestiegen ist, dass er einen vorbestimmten Wert überschreitet, um dadurch einer Gefahr vorzubeugen.

Unter diesen Umständen sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, einen übermässigen Druckanstieg im Kugelventil entsprechend der oben erläuterten Vermeidungstheorie zu verhindern. Einige von diesen Vorschlägen sind in die praktische Anwendung übergeführt worden.

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Unter den oben erwähnten Auftrittsbedingungen ist die Tatsache, dass das Fluid inkompressibel ist und dass die Temperatur ansteigt, unvermeidbar. Als eine Massnahme, sich vom Rest der Auftrittsbedingungen zu befreien, sind ein "Entlastungsloch-Verfahren" genanntes Verfahren, bei in der in Fig. 8A dargestellten Weise ein durchgehendes Loch in der Kugel ausgebildet wird, um eine Verbindung zwischen dem Ventilkörperhohlraum und der mit dem Kugelventil verbundenen Rohrleitung herzustellen, sowie ein "Entlastungsschlitz-Verfahren" genanntes Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem ein durchgehender Schlitz im Sitzring ausgebildet wird, um eine Verbindung zwischen einem der Sitzringe und dem Ventilkörperhohlraum herzustellen, wie es in Fig. 8B dargestellt ist. Diese Verfahren können jedoch nicht so durchgeführt werden, dass sich das durchgehende Loch oder der durchgehende Schlitz bei einem Schwimmkugelventil, bei dem die Dichtungsfunktion auf einem Druckunterschied des Fluides zwischen der stromaufwärtsliegenden Seite und der stromabwärtsliegenden Seite beruht, auf der stromabwärtsliegenden Seite des Ventiles befindet. Ein Kugelventil, bei dem diese Verfahren angewandt werden, hat nämlich den Nachteil, dass es nur in einer Richtung verwandt werden kann, während gleichzeitig der übermässige Druckanstieg darin vermieden werden kann.

Bei einigen Kugelventilen vom sog. Ventiltyp mit schwimmender Dichtung wird am Anfang die Dichtungskraft nicht auf die Kugel und die Sitzringe übertragen, sondern wird die Dichtungskraft nur dann erzeugt, wenn der Differenzdruck 0 des Fluides anliegt. Bei diesem Typ von Kugelventilen tritt kein übermässiger Druckanstieg auf, da das inkompressible Fluid keineswegs in den Ventilkörperhohlraum eingeschlossen ist. Darüberhinaus besteht keine Be-

schränkung in der Strömungsrichtung des Fluides. Diese Art des Kugelventiles hat jedoch den Nachteil, dass sie dazu neigt, ein Auslaufen des Fluides aufgrund einer nicht ausreichenden Dichtungskraft, insbesondere dann zuzulassen, wenn der Differenzdruck des Fluides klein ist.

Fig. 8C zeigt ein Beispiel des oben beschriebenen Entlastungsmechanismüs. In diesem Fall ist nämlich der Ventilkörperhohlraum direkt mit einer Rohrleitung oder ähnlichem, die an das Kugelventil angeschlossen ist, über einen Bypasskanal verbunden und ist ein selbstentlastendes Rückschlagventil im Bypasskanal angeordnet. Der Druck im Ventilkörperhohlraum kann bis auf einen bestimmten Entlastungsdruck des selbstentlastenden Rückschlagventiles ansteigen, wobei jedoch dann, wenn dieser Entlastungsdruck überschritten wird, das selbstentlastende Rückschlagventil automatisch geöffnet wird, um die Zunahme des Volumens des Fluides an den Fluiddurchlass abgeben zu können. Diese Anordnung kann die Gefahr, die durch einen übermässigen Druckanstieg hervorgerufen wird, nahezu vollständig vermeiden, ohne dass die normale Funktion des Kugelventiles verlorengeht. Diese Art eines Kugelventiles ist jedoch im allgemeinen mit hohen Kosten verbunden, da der Bypasskanal und das Entlastungsrückschlagventil verwandt werden, die im allgemeinen teuer sind, so dass es sich nicht als Allzweckventil eignet.

Eine andere Lösung, das sog. Lufttopf-Verfahren, bei dem ein Lufttopf verwandt wird, der mit dem Ventilkörperhohlraum verbunden ist, ist aus denselben Gründen, wie sie oben beschrieben wurden, unpraktisch.

In den letzten Jahren ist daher ein Kugelventil mit sog. Selbstentlastungsaufbau vorgeschlagen worden, bei dem der Sitzring selbst die Funktion hat, dass er automatisch den Druck im Ventilkörperhohlraum entlastet, wenn dieser einen

) vorbestimmten Wert erreicht hat. Ein Beispiel eines Kugel-

ventiles mit Selbstentlastungsfunktion, das in Japan ent" wickelt wurde und im einzelnen in der japanischen Gebrauchsmuster 82360/1981 beschrieben ist, ist in den Fig. 9A, 9B, 9C, 9D und 9E dargestellt. Dieses Kugelventil weist einen Sitzring 4 mit einer ringförmigen Basis 4a, deren Querschnitt im wesentlichen rechteckig ist,und einem Lippenteil 4b auf, der etwas axial nach aussen und radial nach innen vom mittleren Teil der Innenfläche der Basis 4a vorsteht und eine bestimmte Stärke hat. Der Sitzring 4 weist mit verschiedenen Gradienten schräg verlauf ende Flächen 10 und 9 auf, in denen eine Aussparung 4d ausgebildet ist, die eine Verbindung zwischen dem Körperhohlraum 8 und einem Raum 4c herstellt, wenn der Sitzring 4 mit der Kugel 3 in Berührung steht. Zusätzlich ist eine Aussparung 4e in einem Teil des Innenrandes der Seitenfläche des Lippenteiles 4b der schräg verLaufenden Fläche 10 gegenüber vorgesehen, um in einem Teil des Umfanges des Lippenteiles 4b einen Teil 4b„ mit verringerter Stärke auszubilden, dessen Stärke kleiner als die der anderen Teile des Lippenteiles 4b ist. Wenn der Druck des Fluides, das in den Ventilkörperhohlraum eingeschlossen ist, aufgrund einer Wärmeausdehnung infolge eines Temperaturanstieges übermässig zunimmt, wie es oben beschrieben wurde, wird der Teil 4b- des Sitzringes 4 mit verringerter Stärke elastisch zu dem Durchlassloch verformt, um den übermässigen Druck in den Durchgang durch die Aussparung 4d, den Raum 4c und den Teil 4b₂ mit verringerter Stärke zu entlasten.

Fig. 10A, 10B und 10C zeigen ein anderes Kugelventil mit Selbstentlastungsaufbau. Dieses Kugelventil ist in der US-PS 3 488 033 beschrieben. Dieses Kugelventil ist im wesentlichen mit dem oben beschriebenen Ventil identisch, obwohl ein kleiner konstruktiver Unterschied darin besteht,

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dass bei diesem Kugelventil die Nut 4e auf der Rückseite des Sitzringes fehlt. Bei diesem Kugelventil ist nämlich eine Aussparung in dem mit der Kugel in Berührung kommenden Teil des Sitzringes so ausgebildet, dass ein Teil des Sitzringes durch einen in diese Aussparung eingeführten übermässigen Druck elastisch verformt wird, um die Entlastung des übermässigen Druckes zu ermöglichen.

Im Obigen wurden zwei Arten bekannter Kugelventile mit wirksamem Selbstentla^tungsaufbau beschrieben. Bei diesen bekannten Konstruktionen ist jedoch in unzweckmässiger Weise die Berührungsfläche vergrössert, da innere und äussere Dichtungen notwendig sind, die von den inneren und äusseren Vorsprüngen zur Bildung der Aussparung gebildet werden. Das führt nicht nur zu einer Zunahme der Grosse des Sitzringes, sondern auch zu einer Zunahme des öffnungs- und Schliessbetätigungsdrehmomentes, um einen geeigneten Oberflächendruck zu erzielen. Darüberhinaus beeinträchtigt die Aufnahme des DoppeIvorSprunges,

>0 d.h. des inneren und äusseren Vorsprunges, ernsthaft die Biegsamkeit des äusseren Dichtungsteiles, was wiederum den Zusammenbau des Ventils schwierig macht. Aus diesem Gründe ist es nicht einfach, dieses Kugelventil mit hoher Gleichmässigkeit der Qualität in Massenproduktion

!5 herzustellen. Im allgemeinen tritt der übermässige Druckanstieg in Kugelventilen bei vergleichsweise hohen Temperaturen auf. Bei einer derartigen hohen Temperatur zeigt das Material des Sitzringes, beispielsweise Tetrafluoräthylen (PTFE) eine unpraktisch grosse plastische Verformung, beispielsweise ein Kriechen und neigt somit dieses Material dazu, die elastische Kraft am inneren Dichtungsteil zum Anpressen der Kugel zu verlieren. Bei einem gewöhnlichen Kugelventil wird der Dichtungsdruck an der inneren Dichtungsfläche 4b~ dadurch erhöht, dass wirksam vom Differenzdruck des Fluides Gebrauch gemacht wird, um dadurch das Fluid abzusperren.

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Der Differenzdruck liegt am äusseren Dichtungsteil 4b₁, der die Dichtungsfläche nicht bildet, jedoch nicht am inneren Dichtungsteil 4b~, der als Dichtungsfläche dient. Dieser Typ des bekannten Kugelventiles zeigt daher die verhängnisvolle Schwierigkeit, dass das Fluid nicht vollständig abgesperrt werden kann, wenn der innere Dichtungsteil 4bp stark verformt wird.

Durch die Erfindung soll ein selbstentlastendes Kugelventil geschaffen werden, das trotz eines relativ vereinfachten Aufbaues derart verbessert ist, dass Probleme, wie beispielsweise ein Auslaufen des Fluides zur Aussenseite "des Rohrleitungssystems oder ein Brechen des Ventilkörperteiles, die einem übermässigen Druckanstieg im Ventilkörperhohlraum zuzuschreiben sind, beseitigt sind.

Im folgenden werden einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Diese bevorzugten Ausführungsbeispiele haben ein gemeinsames Grundmerkmal, nämlich dass der Dichtungsdruck auf den Dichtungsflächen des Sitzringes , die mit dem Körperteil und der Aussenfläche der Kugel in Berührung stehen, selbst dann nicht zunimmt, wenn sich ein übermässiger Druck im Ventilkörperhohlraum aufgebaut hat. In Kugelventilen, die so ausgelegt und aufgebaut sind, dass sie diesem technischen Gedanken genügen, tritt kein übermässiger Druckanstieg auf.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Fig. 11 bis 15 beschrieben, die vergrösserte Schnittansichten der Sitzringe der verschiedenen Ausführungsbeispiele im normalen geöffneten Zustand der Ventile nach dem Zusammenbau zeigen. In allen diesen Figuren sind für gleiche Bauteile oder Elemente gleiche Bezugszeichen verwandt.

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Fig. 11A und 11B zeiger, in Kombination ein erstes Ausführung sbeispiel der Erfindung. Wie es im Vorhergehenden erläutert wurde, tritt der übermässige Druckanstieg in einem Kugelventil als Ergebnis einer Wärmeausdehnung des Fluides auf, das im Ventilkörperhohlraum des Kugelventiles eingeschlossen ist, wenn das eingeschlossene Fluid erwärmt wird. Das kann der Tatsache zuzuschreiben sein, dass 1. der Dichtungsteil, der den übermässigen Druck entlasten soll, so aufgebaut ist, dass die Dichtungskraft mit zunehmendem Druck im Ventilkörperhohlraum ansteigt, und dass 2. der Sitzring als Ganzes elastisch verformbar ist. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist unter Berücksichtigung der elastischen Verformung des Sitzringes als Ganzes die Festigkeit des Sitzringes längs seines äusseren Umfanges erhöht, um die elastische Verformung des Sitzringes zu unterdrücken und ist zusätzlich ein Unterschied in der Festigkeit zwischen dem Dichtungsteil und dem Sitzring vorgesehen, um einen selbstentlastenden Aufbau vom sog. Kontraktionsverhinderungsverstärkungstyp zu liefern.

Fig. 11A zeigt insbesondere eine vergrösserte Schnittansicht des Sitzringteiles im normalen geöffneten Zustand des Kugelventiles nach dem Zusammenbau. Der Sitzring besteht aus einem vergleichsweise harten, jedoch elastisch verformbaren Material, so dass er die in Fig. 11A dargestellte Form hat. Der Sitzring 4 weist eine Dichtungsfläche 4b zum Verhindern des Auslaufens des Fluides entlang der Aussenfläche der Kugel 3 und eine Dichtungsfläche 4a zum Verhindern des Auslaufens des Fluides entlang der

abgestuften Wand des Ventilkörperteiles auf. Ein Halter besteht aus einem Material mit hoher Steifigkeit. In diesem Fall ist Edelstahl als Material des Halters 9 verwandt. Ein Zwischenraum 11 ist dazu vorgesehen, die elastische 5

Verformung des Sitzringes während der Entlastung zu absorbieren. Der Sitzring 4 ist somit zwischen die abge*· stufte Wand 10 des Körperteiles und die Kugel 3 eingeklemmt.
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Im folgenden wird insbesondere anhand von Fig. 11B beschrieben, wie dieses Kugelventil arbeitet. Wenn ein übermässiger Druckanstieg im Körperhohlraum 8 auftritt, wird ein Druck auf den Sitzring 4 ausgeübt/ wie es durch Pfeile P dargestellt ist. Es tritt jedoch keine wesentliche elastische Verformung am Aussenumfangsteil des Sitzringes 4 infolge der Verstärkung des Aussenumfangsteiles durch den Halter 9 auf. Andererseits wird der innere Umfangsflächenteil des Sitzringes 4 elastisch durch den Oberflächendruck P wegen der nicht ausreichenden Festigkeit verformt. Das hat zur Folge, dass die Dichtungsfläche 4b von der Aussenfläche 3a der Kugel wegbewegt wird und dass das unter Druck stehende Fluid im Ventilkörperhohlraum 8 zum Fluiddurchlass durch den Spalt entlastet wird, der zwischen der Dichtungsfläche 4b und der Aussenfläche 3a der Kugel 3 gebildet wird. Wenn der Fluiddruck im Ventilkörperhohlraum unter den Entlastungsdruck als Folge der Entlastung abfällt, nimmt die Dichtungsfläche 4b wieder ihre Anfangslage aufgrund ihrer Elastizität ein, so dass der Sitzring die Dichtungsfunktion wieder übernimmt. Diese automatische Druckentlastung wird wiederholt, um den Fluiddruck im Ventilkörperhohlraum unter einem vorbestimmten Wert zu halten.

Fig. 12A und 12B zeigen in Kombination ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Insbesondere zeigt Fig. 12A den Sitzring des Kugelventiles des zweiten Ausführungsbeispiels im normalen geöffneten Zustand des Ventiles, wie es in Fig. 11A der Fall ist. Das Material des Sitzrlnges 4 , die Form der Dichtungsflächen 4a und 4b und der Zwischen

raum 11 sind im wesentlichen gleich denen beim ersten Ausführungsbeispiel. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist jedoch keine Verstärkung durch den Halter 9, sondern statt dessen eine Schulter 1b an der abgestuften Fläche des Ventilkörperteiles ausgebildet, während eine damit zusammenarbeitende Stufe an der Dichtungsfläche 4a vorgesehen ist, die auf die Schulter 1b gepasst ist und auf der Schulter 1b sitzt. Wie es anhand von Fig. 12B erkennbar ist, wird während des Betriebes jeder übermässige Druckanstieg im Ventilkörperhohlraum 8 Druckkräfte P-., P₂, Po und P. anlegen. Die Druckkärfte P₂ und P₄ heben sich jedoch gegeneinander auf und sind daher im wesentlichen vernachlässigbarFolglich wirkt eine zusammengesetzte Kraft der Druckkräfte P^ und P₃ in die durch die Pfeile angegebenen Richtungen. In diesem Zustand wird der Sitzring hauptsächlich durch die Zusammenarbeit zwischen der Schulter 1b und der Stufe gehalten, so dass der Sitzring 4 elastisch durch eine Verdrehung um einen Drehpunkt verformt wird, der von der Kontaktfläche zwischen der Schulter 1b und der Stufe gebildet wird. Das hat zur Folge, dass die Dichtungsfläche 4b von der Aussenfläche 3a der Kugel wegschwenkt und somit das unter Druck stehende Fluid zum Fluiddurchlass hinter diesem Durchgang abgeführt wird. Nach der Entlastung nimmt der Dichtungsring wieder seine Anfangslage ein, um die anfängliche Fluiddichtungsfunktion wieder zu erfüllen. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Entlastungsdruck, bei dem der übermässige Druck entlastet wird, frei und leicht dadurch vorgegeben werden, dass in geeigneter Weise das Ausmass gewählt wird, in dem die Schulter 1b vorsteht.

Fig. 12C zeigt eine Abwandlungsform, bei der die konstruktiven Merkmale des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels kombiniert sind. Diese Abwandlungsform muss nicht weiter erläutert werden, da die Merkmale und Vorteile dieser Ausführungsbeispiele gleichfalls für diese Abwandlungsform gelten. Die

beiden vorhergehenden Ausführungsbeispiele zeichnen sich dadurch aus, dass der Bereich der elastischen Verformung des Sitzringes soweit wie möglich auf den inneren Umfangsteil des Sitzringes beschränkt ist. 5

Wie es im Obigen angegeben wurde, ist der übermässige Druckanstieg im Kugelventil auch der Tatsache zuzuschreiben, dass der Sitzring so aufgebaut ist, dass die Dichtungskraft mit zunehmendem Fluiddruck im Ventilkörperhohlraum ansteigt. Fig. 13A und 13B zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das unter Berücksichtigung der oben erwähnten Tatsache entwickelt wurde. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird insbesondere die Dichtungsfläche des Sitzringes von der Aussenfläche der Kugel über einen Differenzdruck wegbewegt, der zwischen dem hohen Druck im Ventilkörperhohlraum und dem Druck in der Fluidrohrleitung besteht, die mit dem Kugelventil verbunden ist. Dazu ist bei diesem Ausführungsbeispiel des Kugelventiles die Dichtungsfläche 4a an der abgestuften Innenfläche des Ventilkörperteiles mit einem Gradienten ot abgeschrägt, der kleiner als oder wenigstens gleich dem Gradienten ß der Abschrägung des Dichtungsteiles 4b ist. Die Gradienten et und ß geben in diesem Fall die Neigungswinkel zur Achse des Strömungsdurchganges wieder.

Während des Betriebes wirken Druckkräfte P₁, P_, P₃ und P. auf den Sitzring 4, wie es im Fall des Sitzringes in Fig. 12B der Fall ist. Wirksam sind im wesentlichen jedoch nur die Druckkräfte P- und P₂, so dass der Sitzring 4 in die Richtung zusammengedrückt wird, die durch einen Pfeil angegeben ist. Das hat zur Folge, dass sich der Sitzring 4 in die Richtung des Pfeiles bewegt, wobei seine abgeschrägten Flächen 4a und 4b sandwichartig zwischen den kooperierenden Flächen geführt sind. Aufgrund der oben angegebenen Be-Ziehung * - ß wird der Anpresspielraum oder-rand 12 der Dichtungsfläche 4b während der Bewegung des Sitzringes niemals

erhöht, sondern verringert oder unverändert gehalten. Wenn dann der Fluiddruck weiter ansteigt, wird die Dichtungsfläche 4b von der Aussenfläche 3a der Kugel 3 aufgrund der elastischen Verformung oder Verformung durch eine sinngemässe Kraft wegbewegt, damit das unter Druck stehende Fluid zum Fluiddurchlass entlastet werden kann. Der Entlastungsdruck kann frei und leicht durch eine geeignete Wahl des Gradienten der abgeschrägten Fläche 4a und des Anpressrandes 12 vorgegeben werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel des Kugelventiles wird somit die Dichtheit der Dichtung des Ventilkörperhohlraumes nicht erhöht, sondern statt dessen vermindert.

In den Fig. 14A und 14B ist ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das so ausgebildet ist, dass es das unter Druck stehende Fluid dadurch entlasten kann, dass es wirksam vom Differenzdruck Gebrauch macht, wie es bei dem dritten Ausführungsbeispiel der Fall ist, das in Verbindung mit Fig. 13A und 13B beschrieben wurde. Das vierte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Kugelventiles weist einen metallischen Halter 9' auf .Ein Zwischenraum

16 ist zwischen dem Sitzring 15 und dem Halter 9¹ gebildet. Es ist ein weiterer Sitzring 14 vorgesehen. Der Sitzring 15 weist eine schräg verlaufende Dichtungsfläche 15b auf und ist so geformt, dass er nach unten biegbar ist, wenn der Druck anliegt. An der abgestuften Fläche des Ventilkörperteils ist eine Dichtungsfläche 15a ausgebildet. Diese beiden Sitzringe sind in den Halter 9¹ derart eingepasst, dass sie eine Dichtungsfunktion erfüllen. Wenn während des Betriebes ein übermässiger Druckanstieg im Ventilkörperhohlraum auftritt, wird das auf hohem Druck befindliche Fluid P über einen mit einem Gewinde versehenen Abschnitt

17 eingeführt, um die Dichtungsfläche 15b nach unten zu drücken und dadurch einen Zwischenraum zu erzeugen, über

den das unter Druck stehende Fluid zum Fluiddurchlass über den Raum 16 und den Zwischenraum 11 entlastet wird.

Fig. 15A und 15B zeigen ein fünftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Kugelventiles, bei dem die vertikale Komponente der Kraft, die durch den hohen Fluiddruck erzeugt wird, der vom Ventilkörperhohlraum übertragen wird, ausgeschaltet wird und die Entlastung nur durch die horizontal Komponente dieser Kraft bewirkt wird. Dieses Kugelventil kann somit als Ventil vom Innenkontraktionsdifferenzdruckbeseitigungstyp bezeichnet werden. Dazu sind die Dichtungs— flächen 4b und 4a in vertikaler Richtung im wesentlichen in derselben Ebene zueinander ausgerichtet, wie es in der Zeichnung dargestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist nur die Druckkraft P.. wirksam und erfolgt die Entlastung als Folge der Drehung des Sitzringes um einen Drehpunkt, der von der Dichtungsfläche 4a gebildet wird.

Im Obigen wurden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Vorzugsweise wird bei jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele die Selbstentlastungsfunktion mit dem herkömmlichen Entlastungslochverfahren, das oben beschrieben wurde, derart kombiniert, dass die Selbstentlastung dann erfolgt, wenn das Kugelventil sich im geschlossenen Zustand befindet, wohingegen das Entlastungsloch wirksam wird, wenn sich das Kugelventil im geöffneten Zustand befindet. Auf diese Weise ist es möglich, eine bemerkenswerte Verbesserung in der Haltbarkeit des Sitzringes zu erzielen.

Wie es oben beschrieben wurde, werden gemäss der Erfindung die Ursachen für einen übermässigen Druckanstieg im Kugelventil dadurch beseitigt, dass 1. ein Aufbau vom Kontraktionsverhinderung sverStärkungstyp, bei dem der Sitzring an einem geeigneten Teil verstärkt ist, um eine Kontraktion zu verhind< wenn er einem übermässigen Druckanstieg ausgesetzt ist, um dadurch den übermässigen Druck zu entlasten,oder 2. ein

Aufbau vom Kontraktionsdifferenzdrucktyp, bei dem der Differenzdruck, der als Folge eines übermässigen Druckanstieges erzeugt wird, dazu benutzt wird, die Dichtheit der Dichtung des Ventilkörperhohlraumes herabzusetzen oder 3. ein Aufbau vom Radialinnenkontraktionsdifferenzdruckbeseitigungstyp verwandt wird, bei dem die radial nach innen gerichtete Kontraktionskraft am Sitzring, die durch den übermässigen Druckanstieg verursacht wird, ausgeschaltet wird.

Das erfindungsgemässe Kugelventil kann mit geringeren Kosten als die bekannten Kugelventile vom Selbstentlastungstyp hergestellt werden, ohne dass damit eine Zunahme im Betriebsdrehmoment und eine Beeinträchtigung der Dichtungsfunktion verbunden sind. Es versteht sich, dass das erfindungsgemässe Kugelventil vom Selbstentlastungstyp als gewöhnliches Kugelventil zum Steuern der Strömung des Fluides arbeiten kann und in dieser Weise zum Erhöhen der Sicherheit und der Zuverlässigkeit des Systems beiträgt, das das Kugelventil verwendet.

Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE- : *γ \* -. , ...

STREHL SCHÜBEL-HOPF SCHULZ 3303813

WIDENMAYKRSTRASSE 17. I) 8000 MÜNCHEN 22

HITACHI METALS, LTD. 4. Februar 1983

DEA-25 989

PATENTANSPRÜCHE

M. - Kugelventil mit einem Ventilkörper, einer Kugel, die drehbar im Ventilkörper angebracht ist und mit einem Fluiddurchlass versehen ist,und mit ringförmigen Sitzringen, die zwischen der Innenfläche des Ventilkörpers und der Aussenflache der Kugel angeordnet sind, gekennzeichnet durch einen Aufbau derart, dass der Dichtungsdruck auf der Dichtungsfläche (4a) des Sitzringes (4), die die Innenfläche (10) des Ventilkörpers (1)berührt,und der Dichtungsdruck auf der Dichtungsfläche (4b) des Sitzringes (4), die die Aussenflache (3a) der Kugel (3) berührt, nicht zunehmen, wenn der Druck eines Fluides ansteigt, das in den Ventilkörperhohlraum (8) eingeschlossen ist.
2. Kugelventil nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch ein Entlastungsloch, das eine Verbindung zwischen der Aussenflache (3a) der Kugel (3) und einem Fluiddurchlass herstellt, der mit dem Kugelventil verbunden ist.
3. Kugelventil nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , dass der Sitzring (4) vom Kontraktionsverhinderungsverstärkungstyp ist, bei dem ein Teil verstärkt ist, um eine Kontraktion zu verhindern.
4. Kugelventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , dass im Berührungsbereich, in dem der Sitzring (4) die Innenfläche (10) des Ventilkörpers (1) berührt, die Innenfläche (10) des Ventilkörpers (1) mit einer ringförmigen Schulter (1b) versehen ist, während die Dichtungsfläche (4a) des Sitzringes (4), die mit dem Ventilkörper (1) in Berührung steht, mit einer Stufe zum Einpassen in die Schulter (1b) versehen ist, und dass ein Zwischenraum (11) zwischen der Innenfläche (10) des Ventilkörpers (1) und der Seitenfläche des Sitzringes (4) an einem Teil des Sitzringes (4) radial nach innen im Abstand von dem Teil gebildet ist, an dem die Stufe in die Schulter (1b) eingepasst ist.
5. Kugelventil nach einem der Ansprüche 3 und 4, g e kennzeichnet durch einen ringförmigen Halter

(9) aus einem Metall, der die äussere Umfangsflache des Sitzringes (4) umgibt und festhält, und einen Zwischenraum (11), der zwischen der Innenfläche (10) des Ventilkörpers (1) und der Seitenfläche des Sitzringes (4) an einem Teil des Sitzringes (4) radial nach innen im Abstand von dem Teil gebildet ist, an dem die Innenfläche (10) des Ventilkörpers (1) und die Dichtungsfläche (4a) des Sitzringes (4) zusammengepasst sind.
6. Kugelventil nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , dass der Sitzring (4) vom Kontraktionsdifferenzdrucktyp ist, der von der Kontraktion des Sitzringes (4) Gebrauch macht, die durch einen Anstieg des Fluiddruckes im Ventilhohlraum (8) verursacht wird.
7. Kugelventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradient der Flächen (4a, 10) des Sitzringes (4) und des Ventilkörpers (1) im Berührungsbereich zur Axiallinie des Fluiddurchlasses so gewählt ist, dass er gleich dem oder kleiner als der Gradient der Dichtungsfläche (4b) des Sitzringes (4) ist, die mit der Aussenflache (3a) der Kugel (3) in Berührung steht.
8. Kugelventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass der Sitzring (4) in einen ersten Teil (15) neben der Innenfläche (10) des Ventilkörpers (1) und einen zweiten Teil (14) neben der Aussenflache(3a) der Kugel (3) unterteilt ist, und dass ein Halter(9') aus einem Material mit einer höheren Steifigkeit als der Sitzring (4) zwischen dem ersten Teil (15) und dem zweiten Teil (14) des Sitzringes (4) angeordnet ist, wobei der Abschnitt des ersten Teils (15),der zwischen der Dichtungsfläche (15a), die dem Ventilkörper (1) zugewandt ist, und der Dichtungsfläche (15b) gebildet ist, die dem Halter (9¹) zugewandt ist, einen keilförmigen Querschnitt hat, der von der Seite neben dem Fluiddurchlass zum Ventilkorperhohlraum (8) zusammenläuft, während ein Zwischenraon (16) an der radial inneren Seite des ersten Teils (15) des Sitzringes (4) gebildet
9. Kugelventil nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , dass der Sitzring (4) vom

Radialinnenkontraktionsdifferenzdruckbeseitigungstyp ist, bei dem eine radial nach innen gerichtete Kontraktion des Sitzringes (4), die durch einen Anstieg des Fluiddruckes im Ventilkörperhohlraum (8) verursacht wird, beseitigt oder vermindert ist und die Dichtungsfläche (4a) des Sitzringes (4) von dem Anteil des Fluiddruckes im Ventilhohlraum (8) entlastet ist, der zum Fluiddurchlass gerichtet ist.
10. Kugelventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , dass die Dichtungsfläche (4a) des Sitzringes (4), die mit der Innenfläche (10) des Ventilkörpers (1) in Berührung steht, und die Dichtungsfläche (4b) des Sitzringes (4), die mit der Aussenflache (3a) der Kugel

(3) in Berührung steht, im wesentlichen in derselben Ebene ausgebildet sind, die die Achse des Fluiddurchlasses unter einem rechten Winkel schneidet,und dass ein Zwischenraum (11) zwischen der Innenfläche (10) des Ventilkörpers (1) und der Seitenfläche des Sitzringes (4) an einem Teil des letzteren radial nach innen im Abstand von der Dichtungsfläche (4a) ausgebildet ist, die mit der Innenfläche (10) des Ventilkörpers (1) in Berührung steht.