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Kugelhahn, insbesondere für sehr hohe Drücke
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und Temperaturen Die Erfindung bezieht sich auf einen Kugelhahn,
insbesondere für sehr hohe Drücke und Temperaturen, mit einem Gehäuse, das einen
geraden Strömungsdurchgang aufweist, einer im Gehäuse schwimmend gelagerten Kugel,
die den Strömungsdurchgang wahlweise sperrt oder über den Kugeldurchgang freigibt,
einer Schaltwelle für die Kugel, die über eine Öffnung in das Gehäuse geführt ist,
wobei die Öffnung so gewählt ist, daß Kugel und Sitzringe für die Kugel über die
Öffnung montierbar sind.
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Da die Kugel und die Sitzringe Verschleißteile sind, ist es vorteilhaft,
wenn diese Teile ein- und ausgebaut werden können,auch
wenn der
Kugelhahn in einer Leitung eingebaut ist. Naturgemäß ist der Vorteil um so größer,
je geringer die Standzeit des Kugelhahnes ist. Bei extremen Bedingungen, d.h. hohen
Drücken und Temperaturen, wie sie z.B. bei der Kohlehydrierung auftreten, sind die
Verschleißteile häufig bereits nach einigen Schaltvorgängen soweit zerstört, daß
eine ausreichende Abdichtung nicht mehr gewährleistet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kugelhahn, insbesondere
für sehr hohe Drücke und Temperaturen, zu schaffen, bei dem eine Top-Entry-Montage
mit einfachen Mitteln vorgenommen werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Sitzring
sich an einem in axialer Richtung federnden ringförmigen Element abstützt, das von
einer Ringnut eines zweigeteilten Zentrierrings aufgenommen ist, dessen von der
Gehäuseöffnung aus gesehen unterer Teil vor der Montage der Kugel und vor der Montage
des Sitzrings und des ringförmigen Elements eingesetzt wird,- und der radial gegenüber
dem Gehäuse festgelegt ist, Spannmittel vorgesehen sind, die den oberen Teil gegen
den unteren Teil des Zentrierrings spannen, und der Sitzring vom Zentrierring axial
geführt und radial gesichert ist.
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Beim erfindungsgemäßen Kugelhahn wird über die Gehäuseöffnung, durch
welche auch die Schaltwelle hindurchgeführt ist, zunächst ein erster Sitzring eingebracht
und festgelegt. Er kann z.B.
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durch geeignete Mittel zentriert werden. Anschließend wird die Kugel
eingesetzt. Die Einbauöffnung im Gehäuse muß daher so groß gewählt werden, daß die
Kugel unter geringen Toleranzen noch eingeführt werden kannq Falls das den Sitzring
haltende ringförmige Element kein gehäusefester Teil ist, wird es anschließend gegenüber
dem Gehäuse axial festgelegt. Anschließend erfolgt die Montage des zweiten Sitzringes
durch Vorbeischieben an der Kugel und unter federndem Nachgeben des ringförmigen
Elements. Vor dem zuletzt erwähnten Einbau ist ein Teil des zweigeteilten Zentrierrings
eingesetzt und gegenüber dem Gehäuse axial ausgerichtet worden. Als letztes Teil
wird der zweite Teil des Zentrierrings eingeführt. Die Zentrierringteile werden,
vorzugsweise mit Hilfe von Schrauben, gegeneinander vorgespannt und zentrieren damit
den Sitzring relativ zur Kugel bzw. zum Gehäuse.
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Da das ringförmige Element in einer Nut des Zentrierrings sitzt, wird
auch ersteres zentriert.
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Die für die Top-Entry-Bauweise verwendeten Teile sind einfach herzustellen.
Sie ermöglichen ferner eine einfache Montage und Demontage. Der Sitzring ist vom
Zentrierring so geführt, daß eine federvorgespannte Anlage an der Kugel möglich
ist. Unterschiedliche Wärmedehnungen von Kugel und Gehäuse können zudem durch die
axiale Beweglichkeit des Sitzringes aufgefangen werden.
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Dies ist bei Hitzeprozessen wie z.B. der Kohlehydrierung von größter
Bedeutung, da Temperaturen bis 5000C auftreten.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Zentrierring
eine ringförmige axiale Fläche aufweist, die mit einem ringförmigen Absatz des Gehäuses
zusammenwirkt. Der Zentrierring ist daher axial gegenüber dem Gehäuse geführt; durch
die Anlage des ringförmigen Elements am Gehäuse-wird jedoch eine Verschiebung des
Zentrierringes von der Kugel fort verhindert. Auch in Gegenrichtung verhindert ein
ringförmiges Element auf dem Sitzring eine unkontrollierte Verschiebung.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
das ringförmige Element einen sich an einer radialen Gehäusefläche abstützenden
hohlen Lagerring aufweist, der ein ringförmiges, axial wirkendes Federelement aufnimmt,
und am Lagerring ein Montagehilfsring axial geführt ist, der sich über die offene
Seite des Lagerrings am Federelement abstützt.
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Im Grundsatz kann die Rückseite des Sitzringes sich unmittelbar am
Federelement abstützen. Der Montagehilfsring erleichtert jedoch das Einsetzen des
Sitzrings, vor allem wenn das Federelement scharfe Kanten, Ecken oder sperrige Formen
aufweist.
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Der Montagehilfsring ist vorzugsweise nach einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung im Querschnitt L-förmig und mit dem Querschenkel von einer axialen
Fläche des Lagerrings geführt,
während der aufrechte Schenkel gegen
die Rückseite des zugeordneten Sitzrings anliegt. Ein derartiger Montagehilfsring
dient gleichzeitig als Abschirmung gegen das Eindringen von Feststoffen, wenn sie
mit dem Fluid mitgeführt werden, wie das z.B. bei der Maische bei der Kohleverflüssigung
der Fall ist.
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Das Federelement kann z.B. eine Tellerfeder sein. Eine alternative
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Federelement eine wellenförmig aus
Draht gebogene Feder ist, deren Wellen abwechselnd gegeneinander verschränkt sind.
Eine derartige Feder behält ihre Funktion bei, auch wenn Feststoffe sich in ihrem
Bereich ablagern sollten, wie z.B. sehr feine Kohlepartikel bei der Kohlehydrierung.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von
Zeichnungen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt im Schnitt einen Kugelhahn der Erfindung, jedoch nur
die obere Hälfte.
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Fig 2 zeigt eine Seitenansicht einer Hälfte-eines Zentrierrings des
Kugelhahns nach Fig 1.
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Fig. 3 zeigt schematisch eine Feder zur Vorspannung eines Sitzrings
des Kugelhahns nach Fig. 1.
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Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch die Darstellung nach Fig. 3 entlang
der Linie 4-4.
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Bevor auf die in den Zeichnungen dargestellten Einzelheiten näher
eingegangen wird, sei vorangestellt, daß jedes der beschriebenen und gezeigten Merkmale
für sich oder in Verbindung mit den Merkmalen-der Ansprüche von erfindungswesentlicher
Bedeutung ist.
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Ein einteiliges Gehäuse 10 eines Kugelhahns weist einen geraden Durchgang
11 auf, wobei der aufströmseitige Teil von einem zylindrischen Bohrungsabschnitt
12, einem konischen Bohrungsabschnitt 13 und einem wiederum zylindrischen Bohrungsabschnitt
14 besteht. Der abströmseitige Teil besitzt einen zylindrischen Bohrungsabschnitt
15. Die zylindrischen Bohrungsabschnitte 12 und 15 haben den gleichen Durchmesser,
der auch gleich dem Durchmesser der Bohrung des Stutzens 16 ist. Der Durchmesser
des Bohrungsabschnitts 14 ist hingegen kleiner und entspricht dem kleinsten Durchmesser
des konischen Bohrungsabschnitts 13.
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Auf der Außenseite des Stutzens 16 sitzt ein radialer Flansch 17,
der Bohrungen 18 enthält zwecks Anschluß an einen Rohrflansch. Es versteht sich,
daß auch auf der anderen-Seite des gezeigten Hahns ähnliche Anschlußmittel vorhanden
sind.
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Im Gehäuse befindet sich eine Kugel 19. Sie ist bezüglich der Drehachse
20 in einer um 900versetzten Position dargestellt,wobei die in Fig. 1 rechte Hälfte
den geöffneten und die linke Hälfte den geschlossenen Zustand anzeigt. Die Kugel
19 wird durch eine Schaltwelle 21 angetrieben, die durch eine Öffnung 22 des Gehäuses
10 geführt ist und über einen Zapfen 23,der in einer Nut 23a der Kugel sitzt,mitdieser
in Wirkverbindung steht. Die Schaltwelle 21 erstreckt sich durch eine Bohrung eines
Deckels 24, der die Öffnung 22 verschließt und mit Hilfe von Schraubenbolzen 25
gegen das Gehäuse 10 gespannt wird. Eine Metall-Hohldichtung 26 sorgt für eine entsprechende
Abdichtung. Eine Dichtungsanordnung 26a, die an sich bekannt ist, dichtet die Schaltwelle
21 gegenüber dem Deckel 24 ab. Sie soll im einzelnen nicht beschrieben werden.
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Der obere Abschnitt der Schaltwelle 21 ist von einem bei 27 angedeuteten
Gehäusemantel umgeben, der auch einen Antrieb für die Schaltwelle 21 trägt. Der
Gehäusemantel 27 wird mit Hilfe eines Ringes 28 mittels Bolzen 29 an einem radialen
Flansch 30 des Deckels 24 befestigt. Der Flansch 30 ist am Deckel 24 angeschweißt.
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Die Schaltwelle 21 besitzt einen radialen Bund 31, der mit der Unterseite
gegen eine plane Fläche 32 anliegt, welche die Öffnung 22 teilweise umgibt. Ein
Teil der Öffnung 22 ist bei 33 ausgeweitet und derart gestaltet, daß für alle einzeln
in das Gehäuse 10 eingebrachten Teile eine minimale Durchlaßöffnung vorhanden ist.
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Auf der Oberseite des Bundes 31 befindet sich eine Scheibe 34, auf
die sich ein Lagerring 35 abstützt, der eine sphärische Lagerfläche aufweist, die
mit einer planen konischen Gegenfläche des Deckels 24 zusammenwirkt. Der Lagerring
35 hat Spiel zur Welle 21, kann sich mithin relativ zum Bund 31 radial und in der
konischen Anlage taumelnd bewegen und dadurch die hohen Lagerkräfte im radialen
Bund 31 und der Scheibe 34 durch absolute Anlage der Fläche übertragen.
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Ein erster Kugelsitzring 36 stützt sich mit einer radialen Fläche
an einer radialen Gehäusefläche 37 ab. Eine axiale Fläche 38 wirkt mit einer axialen
Fläche des Gehäuses 10 zusammen. Zwischen den radialen Flächen von Gehäuse und Sitzring
36 ist ein metallischer .O-Hohlring 39 vorgesehen, der in einer Nut des Sitzringes
36 einsitzt. Mit einem äußeren radialen Bund 40 des Sitzringes 36 wirkt ein Druckring
41 zusammen, gegen den Druckschrauben 42 wirken, die in einen Haltering 43 eingeschraubt
sind, der den Sitzring 36 umgibt. Der Haltering 43 stützt sich an einem dreigeteilten
Abscherring 44 ab, der in einer Nut des Gehäuses 10 sitzt. Über die Schrauben 42
und den Druckring 41 wird der Sitzring 36 axial gegen das Gehäuse 10 gepreßt, um
den Sitzring 36 festzulegen und eine wirksame Abdichtung herzustellen. Zwischen
Sitzring 36 einerseits und Druckring 41 und Haltering 43 andererseits befindet sich
ein minimaler Spalt, so daß der Sitzring 36 sich in begrenztem Maße verformen kann,
um sich der Kugel anzupassen.
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Der Sitzring 36 besteht aus Stellite mit borierter Oberfläche.
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Der andere Sitzring 45, der ebenfalls aus einem sehr harten Material
besteht, stützt sich an der Rückseite auf einem im Querschnitt i;-förmigen Montagehilfsring
46 ab, der seinerseits von einer in Fig. 1 gezeigten axial wirkenden Ringfeder 47
' beaufschlagt ist. Die Ringfeder sitzt in einem Hohlraum eines Stützrings 48. Der
Stützring 48 sitzt passend in einer Nut 49 eines zweigeteilten Zentrierrings 50.
Der Zentrierring 50 besitzt einen radial nach innen weisenden Bund 51, der mit einer
axialen Fläche 52 des Gehäuses 10 zusammenwirkt. Die Lage des Zentrierring 50 liegt
mithin im Stützring 48 radial gegenüber dem Gehäuse 10 fest, wobei der Stützring
48 sich mit einer radialen Fläche an einer radialen Fläche des Gehäuses 10 abstützt.
Der Zentrierring 50 legt radial ebenfalls den Sitzring 45 fest, indem die Außenseite
des Sitzrings 45 mit der Innenseite des Zentrierrings 50 zusammenwirkt, wobei jedoch
eine Axialverschiebung des Sitzrings 45 möglich ist.
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Aus Fig. 2 ist zu erkennen, daß der Zentrierring 50 aus einer oberen
Hälfte 60 und einer unteren Hälfte 61 besteht. Die Teilungsebene ist mit 62 bezeichnet.
Mit Hilfe von zwei Schrauben, von denen eine bei 63 gezeigt ist, können die beiden
Hälften 60, 61 gegeneinander gespannt werden. Eine Abstandshülse 64 sitzt in einer
Ausnehmung 65 der oberen Hälfte 60. Der Kopf 66 dieser Schraube stützt sich auf
der-Abstandshülse 64 ab, um
eine nach unten wirkende Kraft auf
die obere Hälfte 60 auszuüben. Auf diese Weise kann der Schraubenkopf 66 verhältnismäßig
weit nach oben gelegt werden, um für die Montage und die Demontage von oben einfach
und unverrückt zugänglich zu sein.
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Das im Hohlraum des Stützringes 48 befindliche axial wirkende Federelement
47 kann z.B. eine ringförmige Wellenfeder 47 gemäß Fig. 3 sein, deren Wellen verschränkt
sind, wie in Fig. 4 angedeutet. Die Wellenfeder besteht z.B. aus Inconel, wodurch
sie widerstandsfähig gegen aggressive Medien ist. Es versteht sich, daß jedoch auch
andere Federn, z.B. eine Tellerfeder verwendet werden kann. Letztere ist jedoch
z.B. in Verbindung mit der Kohlehydrierung wegen der Möglichkeit des Eindringens
von Kohlepartikeln in den Hohlraum nicht besonders geeignet.
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Bei der Montage wird zunächst der Sitzring 36 in der oben beschriebenen
Weise montiert. Anschließend wird die Kugel 19 eingesetzt. Vor dem Einsetzen der
Kugel 19 erfolgt jedoch das Einsetzen der unteren Hälfte 60 des Zentrierrings 50.
Anschließend werden Montagehilfsring 46 und Stützring 48 mit Feder 47 eingesetzt.
Der Montagehilfsring 46 erlaubt das Hineinschieben des Sitzrings 45 entlang der
Kugel gegen die untere Hälfte 61 des Zentrierrings 50. Anschließend wird die obere
Hälfte 60 des Zentrierrings aufgesetzt und mit Hilfe der Schrauben 63 gegen die
untere Hälfte vorgespannt. Da sich beide Hälften 60, 61 in der oben beschriebenen
Weise am Gehäuse 10 abstützen, bewirken
sie eine Zentrierung des
Stützrings 48 und des Sitzrings 45.
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Dieser kann sich um einen gewissen Betrag axial bewegen, um z.B. Wärmedehnungen
auszugleichen.
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Es sei nur am Randes erwähnt, daß der Durchgang der Kugel 19 sich
aus einem ersten zylindrischen Bohrungsabschnitt und einem zweiten konischen Bohrungsabschnitt
besteht, wobei der zylindrische Bohrungsabschnitt den gleichen Durchmesser wie der
Bohrungsabschnitt 14, der Stützring 8 und der Sitzring 45 aufweist. Der konische
Bohrungsabschnitt weitet sich zum Durchmesser des Bohrungsabschnitts 15 auf. Auf
diese Weise ist sichergestellt, daß bei einem Öffnen des Hahns aus der Schließstellung
der abströmseitige Bohrungsabschnitt 15 mit dem Durchgang der Kugel 19 zuerst in
Verbindung tritt, bevor eine Verbindung mit dem aufströmseitigen Teil des Durchgangs
11 zustande kommt. Dadurch erfolgt die Hauptbelastung zwischen Sitzring 45 und entsprechendem
Kugelabschnitt, wenn extreme Bedingungen vorliegen, etwa Temperaturen bis 4000C
und Drücke bis 400 bar. Die Ausbildung des Kugeldurchgangs ist jedoch Teil einer
weiteren Patentanmeldung.
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