DE3333137A1

DE3333137A1 - Kugelhahn fuer extrem hohe druecke und temperaturen

Info

Publication number: DE3333137A1
Application number: DE19833333137
Authority: DE
Inventors: Wilhelm H. Dipl.-Ing. 2000 Hamburg Schröder
Original assignee: AUDCO GmbH
Current assignee: AUDCO GmbH
Priority date: 1983-09-14
Filing date: 1983-09-14
Publication date: 1985-04-04
Also published as: DE3333137C2

Description

Kugelhahn für extrem hohe Drücke und Temperaturen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kugelhahn für extrem hohe ' Drucks und Temperaturen, mit einem Anschlußstutzen aufweisenden Gehäuse, einer schwimmend zwischen Sitzringen gelagerten Kugel, deren Durchgang wahlweise mit Bohrungen des Gehäuses ausrichtbar bzw. von diesen absperrbar ist, und einer am Gehäuse gelagerten Antriebsvorrichtung für die Kugel.

Derartige Kugelhähne sind in den unterschiedlichsten Ausführungen für die verschiedensten Einsatzzwecke und mit den unterschiedlichsten Abmessungen weithin bekannt. Es gibt jedoch Einsatzfälle,bei denen die zu schaltenden Medien mit außerordentlich hohen Drücken und Temperaturen auftreten, denen

European Patent Attorneys Zugelassene Vertreter beim Europäischen Patentamt Deutsaho Bank AG Hamburg. Nr. 05/28 407 (BLZ 20070000) · Postscheck Hamburg 2842-206 Dresdner Bank AO Hnmburg. Nr. 933 60 35 (BLZ 200 8OO00)

herkömmliche Kugelhahnkonstruktionen nicht gewachsen sind. Solche Fälle liegen z.B. bei der Kohlehydrierung vor, bei der Drücke bis 400 bar und Temperaturen bis'500⁰C auftreten.

Bei extrem hohen Drücken und Temperaturen macht sich bei Kuge Ihähnen nachteilig bemerkbar, daß der Kugeldurchgang während des Öffnens zuerst über-einen nur minimalen Spalt mit den Gehäusebohrungen verbunden wird, wobei der Durchtrittsquerschnitt des Spaltes sich allmählich vergrößert. Bei extremen Bedingungen führen die hohen Geschwindigkeiten des Fluids zu einer raschen Zerstörung der Kanten der Kugel bzw. des Sitzringes, so daß derzeitige Kugelhähne normalerweise nur für ein paar Schaltvorgänge eingesetzt werden.

Bei schwimmend gelagerten Kugeln tritt dieses Phänomen vorwiegend auf der Abströmseite auf.

Bei dem speziellen Einsatzfall der Kohlehydrierung ergeben sich weitere Probleme dadurch, daß Feststoffe in Form einer Maische vorliegen, die sich in Toträumen und Spalten festsetzen können und dadurch den Kugelhahn unbrauchbar machen. Die beanspruchten Teile eines Kugelhahns können bei der Kohlehydrierung darüber hinaus nicht aus Eisen bestehen, da vorhandener Wasserstoff zu einer Versprödung führt und damit ebenfalls zur Unbrauchbarkeit des Werkstoffs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kugelhahn für extrem hohe Drücke und Temperaturen zu schaffen/ mit dem eine Mehrzahl von Schaltvorgängen ausgeführt werden kann. ·

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Durchmesser des Durchgangs in der Kugel und der Bohrungen des Gehäuses und der Sitzringe so gewählt sind, daß. beim Öffnen.der Kugeldurchgäng zeitlich zuerst mit der-Abströmseite in Verbindung tritt.

Bei der Erfindung wird von der Tatsache ausgegangen, daß bei schwimmend gelagerten Kugeln im Sch ließ zustand, der Kugeldurchgang annähernd gleichen Druck aufweist wie die AufstrÖmseite. Hierin liegt auch die oben beschriebene Ursache, daß die überaus starken Abnutzungserscheinungen auf der Abstromseite auftreten. Der erfindungsgemäße Kugelhahn ist nun so konstruiert, daß zu Beginn des Öffnungsvorgangs zunächst die Abströmseite mit dem Kugeldurchgang in verbindung tritt. Dadurch wird der Kugeldurchgang entspannt, und der Druckabfall findet auf der AufstrÖmseite zwischen Kugeldurchgang und Sitzring einerseits und aufstromseitiger Gehäusebohrung andererseits statt. oben geschilderte Abtragen des Materials durch derart extreme Bedingungen wird beim erfindungsgemäßen Kugelhahn nicht grundsätzlich vermieden, sondern auf die AufstrÖmseite verlagert. Aufströmseitig kann jedoch ein be-

grenzter Abtrag hingenommen werden, bis der Kugelhahn unbrauchbar wird. Der Grund liegt darin, daß die Abdichtung der schwimmend gelagerten Kugel abstrÖmseitig stattfindet, so daß ein Nachlassen der Dichtung auf der Aufströmseite erst bei einem stärkeren Abtrag zum Tragen kommt. Auf diese Weise ist es möglich, den erfindungsgemäßen Kugelhahn auch bei extremen Bedingungen, wie z.B. bei der Kohleverflüssigung, mehrfach zu schalten.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der der Abströmseite zugewandte Abschnitt des Kugeldurchgangs konisch ist. Dies bedeutet, daß der Kugeldurchgang sich in Richtung Abströmseite weitet, und zwar zweckmäßigerweise auf das Maß des Nenndurchmessers. Dies bedeutet, daß der andere Abschnitt des Kugeldurchgangs einen kleineren als den Nenndurchmesser aufweist. Andererseits hat auch der aufstromseitige Anschluß eines Kugelhahns normalerweise Nennweite. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht in diesem Zusammenhang vor, daß die aufströmseitige Bohrung des Gehäuses einen konischen Übergangsabschnitt aufweist, dessen kleinster Durchmesser dem Durchmesser des.nachfolgenden Bohrungsabschnitt von Gehäuse und Sitzring sowie des aufströmseitigeη Durchgangsabschnitts der Kugel entspricht. Um die Druckverluste gering zu halten, welche durch die Querschnittsverengung entstehen, sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, daß der Öffnungswinkel des konischen Abschnitts des

Kugeldurchgangs etwa 7 beträgt. Dieser Winkel entspricht dem optimalen Diffusorwinkel eines Venturirohres, der somit für eine größtmögliche Druckrückgewinnung sorgt. Wie bereits erwähnt, muß vor allen Dingen der abströmseit.ige Sitzring erhebliche Belastung aufnehmen und vom strömenden Medium nach Möglichkeit so wenig wie möglich angegriffen werden. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht in diesem Zusammenhang vor, daß der abötrömseitige Sitzring aus Stellite geformt ist mit borierter Sitzfläche. Die Borierung erfolgt zweckmaßigerweise bis zu einer Tiefe von 0,06 bis 0,08 mm. Dadurch erhält die Oberfläche des Sitzringes eine Härte von annähernd HV 3000. Stellite behält auch seine Eigenschaften bei aggressiven Bestandteilen, die sich in der Maische bei der Kohleverflüssigung befinden.

Die Verstellung der Kugel des erfindungsgemäßen Kugelhahns beim Öffnen kann in zwei Stufen unterteilt werden, in eine erste, in der nur die Abströmseite mit dem Kugeldurchgang verbunden wird und in eine zweite, in der der Durchgang beide Anschlüsse des Kugelhahns miteinander verbindet. Für die Belastung des Hahns ist nur die erste Stufe von Bedeutung. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht hierzu vor, daß dem Antrieb eine Schaltvorrichtung zugeordnet ist, die während des Öffnungsvorgangs die Kugel bis kurz nach der Verbindung von AufstrÖm- und Abströmseite schnell und anschließend langsamer verstellt. Bei einem derartigen Antrieb,der zweckmäßigerweise hydraulisch

erfolgt, wird mithin die kritische erste Stufe verhältnismäßig rasch durchfahren, wodurch die Zeit, im der ein Materialabtrag am aufstromseitigen Abschnitt der Kugel bzw. des aufstromseitigen Sitzrings erfolgt, klein gehalten wird.

Wegen der hohen Drvrckaufnahme ist dem abströmseitigen Sitzring besondere Aufmerksamkeit zuzuwenden. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der abströmseitige Sitzring sich gegen eine Sitzfläche des Gehäuses abstützt und in einer der Sitzflächen ein metallischer O-Hohlring in einer Nut eingelassen ist, und ferner ein Druckring vorgesehen ist, der mittels am Gehäuse festgelegter Schrauben gegen den Sitzring gepreßt wird. Mit Hilfe des Druckrings erfolgt eine Anpressung des abströmseitigen Sitzrings gegen die Sitzfläche des Gehäuses unter Verformung des metallischen O-Hohlrings, so daß eine wirksame Abdichtung erzielt wird.

Zur Abstützung der Schrauben sieht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vor, daß die Schrauben in einem Haltering sitzen, der sich über einen dreigeteilten Abscherring abstützt, der in einer Gehäusenut sitzt. Vorzugsweise sichern die Schrauben nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung den Abscherring radial. Zwischen Sitzring einerseits und Druckring und/oder Haltering andererseits ist ausreichend Spiel, so daß der Sitzring sich entsprechend der Anlage der Kugel um ein gewünschtes Maß verformen kann.

Z±n Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Kugelhahn nach der Erfindung, und zwar nur die obere Hälfte.

•Fig. 2 zeigt schematiseh die Kugel des Kugelhahns nach Fig. in einer Zwischenschaltstellung.

Bevor auf die in den Zeichnungen dargestellten Einzelheiten näher eingegangen wird, sei vorangestellt, daß jedes der beschriebenen Merkmale für sich oder in Verbindung mit Merkmalen der Ansprüche von erfindungswesentlicher Bedeutung ist.

Der Kugelhahn nach Fig. 1 hat ein zylindrisches Gehäuse 10 mit einem geraden Durchgang 11. Letzterer wird aufströmseitig von einem ersten Bohrungsabschnitt 12, einem zweiten konischen Bohrungsabschnitt 13 sowie einem Bohrungsabschnitt 14, der einen kleineren Durchmesser als der Bohrungsabschnitt 12 aufweist, gebildet. "Der abströraseitige Bohrungsabschnitt 15 ist von gleichem Durchmesser wie Bohrungsabschnitt 12 und geht über in die Bohrung eines nicht gezeigten Anschlußstutzens. Aufströmseitig schließt sich am Bohrungsabschnitt 12 ein Anschlußstutzen 16 an, der mit dem Gehäuse 10 verbunden ist. Auf dem Anschlußstutzen 16 sitzt ein radialer Anschlußflansch 17 mit Bolzen 18.

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Die Kugel des Kugelhahns nach Fig. 1 ist mit 19 bezeichnet. Sie ist in Fig. 1 rechts der Drehachse 20 in geöffnetem und links der Drehachse 20 in geschlossenem Zustand dargestellt. Gleiches gilt für eine Schaltwelle 21, die sich durch eine obere Öffnung 22 in der Platte 24 im Gehäuse 10 hineinerstreckt. Sie besitzt einen Zapfen 23, der sich in eine Nut 23a der Kugel hineinerstreckt. Die Oberseite des Gehäuses 10 wird durch eine Platte 24 verschlossen, durch die die Schaltwelle 21 durch eine Bohrung hindurchgeführt ist. Bolzen 25 dienen zur Befestigung der Platte 24 am Gehäuse 10, wobei ein metallischer O-Hohlring 26 für eine entsprechende Dichtung sorgt. Eine nicht näher beschriebene Dichtungsanordnung 26a dient zur Abdichtung der Schaltwelle 21 im Deckel 24. Die Schaltwelle 21 ist am oberen Ende mit einem nicht gezeigten Hydraulikantrieb verbunden. Zu dessen Abstützung dient ein aufrechter Gehäusemantel 27, der mittels eines angeschweißten Ringes 28 und Schrauben 29 an einem Flansch 30 des Deckels befestigt ist.

Die Schaltwelle 21 besitzt einen radialen Bund 31,der sich teilweise -auf einem Absatz des Gehäuses 10 um die Öffnung 32 herum abstützt. Im Bereich des aufströmseitigen Sitzrings, auf den nachfolgend noch einzugehen sein wird, ist die Öffnung radial aufgeweitet, wie bei 33 gezeigt. Über eine Zwischenscheibe 34 stützt sich ein Lagerring 35 auf dem radialen Bund 31 ab. Er besitzt eine sphärische Lagerfläche, die sich

gegen eine plane konische Lagerfläche des Deckels 24 taumelnd bewegen kann und anlegt. Der Lagerring 34 hat zwei Gleitflächen, so daß gleitende Bewegungen zwischen Lagerring 35 und Bund stattfinden können. . "

Der abstroraseitige Sitzring ist mit 3.6 bezeichnet. Er besteht aus borierter Stellite und besitzt eine Ausnehmung 37, die mit einer Schulter 38 des Gehäuses 10 zusammenwirkt, um eine flächige metallische Abstützung des Sitzrings 36 am Gehäuse 10 zu erhalten. In einer Nut des Sitzrings 36 ist ein metallischer O-Hohlring 39 angeordnet,der mit der entsprechenden Sitzfläche des Gehäuses 10 zusammenwirkt. Ein radialer Bund 40 des Sitzrings 36 sitzt in einer entsprechenden Ausnehmung eines Druckrings 4!.Gegen den Druckring 41 liegen eine Reihe von Schrauben an, von denen eine bei 42 gezeigt ist. Sie drücken den Druckring 41 axial gegen den Sitzring Die Schrauben 42 sind in einen Haltering 43 geschraubt, der sich gegenüber dem Gehäuse 10 an einem dreigeteilten Abscherrring 44 abstützt, der in einer Gehäusenut eingesetzt ist. Die Schrauben 42 sichern den' ABscherring 44 radial nach innen, so daß er in der Nut gehalten ist. Mit Hilfe der Schrauben wird auf den Sitzfing 36 eine erhebliche' Druckkraft aufgebracht, um mit Hilfe des metallischen Dichtrings 39 eine wirksame Abdichtung zu erhalten. Zwischen Druckring 41 und Haltering 43 einerseits und Sitzring 36 andererseits besteht ein kleiner radialer Spalt, so daß sich der Sitzring 36 geringfügig

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verformen kann, um eine Anpassung an die. Kugel 19 vorzunehmen.

Bei dem gezeigten Kugelhahn nach Fig. 1 handelt es sich um eine sogenannte "Top-Entry"-Bauweise, bei der Sitzringe und Kugel von oben eingebaut werden. Bei der gezeigten Konstruktion wird daher der aufströmseitige Sitzring 45 nach Sitzring 36 und Kugel 19' eingebaut. Der Sitzring .45 stützt sich an einem im Querschnitt L-förmigen Montagehilfsring 46 ab, dessen Querschenkel in einer ringförmigen Ausnehmung 47 eines Lagerrings 48 eingreift. In der Ausnehmung 47 ist eine axial wirkende Feder angeordnet, welche den Montagehilfsring 46 gegen den Sitzring 45 drückt. Der Lagerring 48 sitzt in einer Ringnut 49 eines Zentrierrings 50, der zweigeteilt ist. Der Zentrierring 50 stützt sich mit einem radialen Abschnitt 51 auf einem Absatz 52 des Gehäuses 10 ab. Ferner wirkt er radial mit dem Sitzring 45 zusammen über axial verlaufende Flächen wie dargestellt. Bei der Montage werden Sitzring 45, Lagerring 48, Feder 48a und Montagehilfsring 52 zusammengelegt und zueinander verschoben eingesetzt, wobei der Lagerring 48 sich an einer radialen Fläche des Gehäuses 10 halb herausragend abstützt. Der Sitzring 45 wird so in die gezeigte Lage geschoben, wobei er auf der Oberfläche der Kugel entlanggleitet. Danach wird der Lagerring 48 mit den Innenteilen 46 und 48a in die gezeigte Lage gedruckt. Zuvor ist die. untere Hälfte des Zentrierrings 50 eingesetzt worden. Anschließend wird die obere Hälfte mit Hilfe von zwei Schrauben 50a, strichpunktiert dargestellt, gegen die untere gezogen. Da der. Zentrierring 50 über das Gehäuse 10 festge-

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legt ist, zentriert er den Sitzring 45. Die Feder 48a sorgt für einen Andruck des Sitzrings 45 gegen die

Kugel 19. .

Aus der Fig. 2 ist zu erkennen, daß der Kugeldurchgang aus einem ersten zylindrischen Abschnitt 52 und einem abströmseitig davon gelegenen konischen Abschnitt 53 gebildet ist. Der Konuswinkel beträgt 7 . Der Durchmesser des Bohrungsab-Schnitts 52 entspricht dem Durchmesser D_ - der Bohrung 54,welche im Durchmesser der Bohrung des Sitzringes 45 bzw. des Bohrungsabschnitt 14 entspricht. Der weiteste Durchmesser des konischen Abschnitt 53 entspricht dem Durchmesser D , des Bohrungsabschnitts 55, der dem Durchmesser der Bohrung des Sitzrings 36 bzw. des Bohrungsabschnitts 15 des Gehäuses 10 entspricht. Der Durchgang 11 des Gehäuses 10 und der Durchgang 51 der Kugel 19 bilden in Offenstellung mithin eine Art Venturirohr mit dem Diffusorwinkel von 7 .

In der in Fig. 2 in ausgezogenen Linien dargestellten Position der Kugel ist zu erkennen, daß der Durchgang 51 über einen kleinen Spalt 56 mit der Abströmseite verbunden ist. Aufströmseitig findet noch eine Abdichtung statt. Dies bedeutet, daß das'Medium im Kugeldurchgang 51, das den gleichen Druck wie das Medium aufströmseitig aufweist-, sich über die Abströmseite kurzzeitig entspannen kann. Der Druckabfall über eine längere Zeit entsteht mithin aufströmseitig. Das beim Öffnen.des Hahns auf-

strömseitig in den Durchgang 51 strömende Medium trägt unter extremen Bedingungen, d.h. hohen Temperaturen und Drücken, Kugel und Sitzring ab.

In strichpunktierten Linien ist die Position angedeutet, in der eine Absperrung zwischen Durchgang 51 und Abströmseite

-gerade eben noch besteht, während noch genügend überdeckung der Kugel auf der Aufströmseite vorhanden ist.

Der gezeigte Kugelhahn ist für extrem hohe Anforderungen, wie sie bei der Kohlehydrierung gestellt werden, für eine Reihe von Schaltfällen einsatzfähig. Der Abtrag, der am Sitzring 45 und der dem Sitzring 45 zugekehrten Kugelseite stattfindet, ist, solange er in einem gewissen Umfang bleibt, unkritisch, da die wesentliche Dichtung am Sitzring 36 stattfindet. Der Sitzring 45.ist ebenfalls aus sehr hartem Material hergestellt mit aufgehärteten borierten Sitzflächen.

Die gezeigte Hahnkonstruktion verhindert im wesentlichen, daß sich feinste Feststoffteilchen im Medium, beispielsweise Kohlepartikel mit der Maische bei der Kohlehydrierung, in toten Räumen festsetzen. Insbesondere bewirkt der Montagehilfsring 46 eine Abschirmung gegen vorbeifließendes Medium.

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Wie bereits erwähnt, ist der Sitzring 45 axial, begrenzt beweglich. Dadurch kann er Wärmedehnungen kompensieren, die bei Temperaturen von ca. 500 C erheblich sind. Die gezeigte Feder im · Lagerring 48 ist "ferner so auszuführen, daß sie durch eindringende Feststoffteilchen in ihrer Funktion nicht beeinträchtigt wird. Sie kann daher eine aus Draht geformte Wellenfeder sein, die zu einem Ring gebogen wird, wobei die Wellen verschränkt sind. Als Werkstoff dient z.B. Inconel.

Es versteht sich, daß der beschriebene Hahn, zumindest unter den geschilderten extremen Bedingungen, nur in einer Richtung betrieben werden kann.

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■AT-

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Claims

Ansprüche

fl") Kugelhahn für extrem hohe Drücke und Temperaturen mit einem Anschlußstutzen aufweisenden Gehäuse, einer schwimmend zwischen Sitzringen gelagerten Kugel, deren Durchgang wahlweise mit Bohrungen des Gehäuses ausrichtbar.bzw. von diesen absperrbar ist, und einer am Gehäuse gelagerten Antriebsvorrichtung für die Kugel, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser des Durchgangs (51) der Kugel (19) und der Bohrungen (12, 13, 14, 15) des Gehäuses (10) und der Sitzringe (36, 45) so gewählt sind, daß beim Öffnen der Kugeldurchgang (51) zeitlich zuerst mit der Abströmseite (45) in Verbindung tritt.
2. Kugelhahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der der Abströmseite zugewandte Abschnitt (53) des Kugeldurchgangs (51) konisch ist.
3. Kugelhahn nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aufströmseitige Bohrung des Gehäuses (10) einen konischen Übergangsabschnitt (13) aufweist, dessen kleinster Durchmesser dem Durchmesser des nachfolgenden Bohrungsabschnitts (14) vom Gehäuse (10) und Sitz-' ring (45) sowie des aufströmseitigen Durchgangsabschnitts (52) der Kugel (19) entspricht.

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4. Kugelhahn nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel des konischen Abschnitts (53) des Kugeldurchgangs etwa 7° beträgt.
5. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der abströmseitige Sitzring (36) aus Stellite geformt ist mit borierten Sitzflächen.
6. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Antrieb eine Schaltvorrichtung zugeordnet ist, die während des Offnungsvorgangs die Kugel (19) bis kurz vor der Verbindung von Aufström- und Abströmseite schnell und anschließend langsamer verstellt.
7.. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge- j

kennzeichnet, daß der abströmseitige Sitzring (36) sich gegen eine Sitzfläche des Gehäuses (10) abstützt und in einer der Sitzflächen ein metallischer O-Hohlring (39) '.

eingelassen ist, ferner ein Druckring (41) vorgesehen :

ist., der mittels am Gehäuse (10) festgelegter Schrauben s

(42) gegen den Sitzring (36) gepreßt wird.
8. Kugelhahn nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrauben (42) in einem Haltering (43) sitzen, der sich über einen dreigeteilten Abscherring (44) am Gehäuse (10) abstützt.

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9. Kugelhahn nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrauben (42) den Abscherring (44) radial sichern.
10. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Sitzring (36) einerseits und dem Druckring (41) und/oder dem Haltering (43) andererseits ein Spalt vorgesehen ist.
11. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der aufströmseitige Sitzring (45) sich an einem Federelement abstützt.
12. Kugelhahn nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement in einem Stützring (48) aufgenommen ist, der einen Montagehilfsring (46) axial führt und den Ringspalt des Stützrings (48) annähernd schließt sowie den

. . radialen Spalt zwischen Sitzring (45) und Stützring (48) schließt.
13. Kugelhahn nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement aus wellen- oder mäanderförmig gebogenem Draht besteht, der zu einem Ring geformt ist und dessen Wellen verschränkt sind.

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