DE3632858A1

DE3632858A1 - Kugelhahn mit sinterkeramischem ventilsitz und sinterkeramischer ventilkugel

Info

Publication number: DE3632858A1
Application number: DE19863632858
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: B & S Metalpraecis GmbH
Current assignee: METALPRAECIS BERCHEM + SCHABERG GESELLSCHAFT FUER
Priority date: 1986-09-26
Filing date: 1986-09-26
Publication date: 1988-04-07
Also published as: DE3632858C2; US4771803A; JPH0557474B2; JPS63145878A

Description

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf einen Kugelhahn, ins besondere für Stoffströme mit abrasiven Feststoffbeimischungen, mit druckfestem Gehäuse, Ventilsitz aus sinterkeramischen Sitzringen, sinterkeramischer Ventilkugel, durch eine Wellendichtung des Gehäu ses geführter Betätigungswelle für die Ventilkugel, wobei das Gehäuse einen einteilig ausgeführten Gehäusemantel sowie Rohranschlußelemente aufweist, die unter Zwischenschaltung von Dichtungen am Gehäuse mantel befestigt sind, wobei an den Rohranschlußelementen Weichdich tungen angeordnet sind, die den Ventilsitz unter Vorspannung an der Ventilkugel halten.

Aus der älteren Patentanmeldung P 35 45 547.0-12 ist ein gattungs gemäßer Kugelhahn bekannt, bei dem der Ventilsitz in einem druck festen Gehäusemantel eingesetzt ist. Der Gehäusemantel weist die Außenlänge des Ventilsitzes auf. Stirnseitig sind Rohranschlußelemente angeschlossen, die einen Spannflansch mit einem der Durchgangs bohrung der Sitzringe entsprechenden Innendurchmesser aufweisen. Der Ventilsitz ist unter Zwischenschaltung von Weichdichtungen zwischen den Spannflanschen eingespannt und liegt aufgrund der Elastizität der Weichdichtungen dichtend an der Ventilkugel an. Die keramischen Verschleißteile sind kräftefrei in dem aus Gehäusemantel und Rohranschlußelementen gebildeten druckfesten Gehäuse angeordnet. Der radial wirkende Betriebsdruck sowie das Biegemoment und axial wirkende Zugbeanspruchungen durch angrenzende Rohrleitungen wer den durch das Gehäuse aufgenommen. Der grundsätzliche Aufbau hat sich an sich bewährt. Probleme ergeben sich allerdings, wenn die Arma tur als Drosselarmatur in abrasiv wirkenden Flüssigkeiten mit Feststoff beimischungen eingesetzt wird. Eine Vergrößerung der Strömungsge schwindigkeit im Bereich des Drosselspaltes sowie eine starke Wirbel bildung in Strömungsrichtung hinter der Drosselöffnung führt zu einem erheblichen Verschleiß im Bereich der Rohranschlußelemente und im Anschlußbereich der angrenzenden Rohrleitungen, die häufig nicht durch besondere Verschleißschutzmaßnahmen geschützt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kugelhahn so auszubilden, daß er als Drosselarmatur in abrasiv wirkenden gasförmigen und flüssigen Stoffräumen mit Feststoffbei mischungen einsetzbar ist und ein übermäßiger Verschleiß an den Rohranschlußelementen sowie im Anschlußbereich der angrenzenden Rohrleitungen beseitigt ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß die Länge des Gehäusemantels größer ist als die Außenlänge des Ventilsitzes, daß zwischen den Rohranschlußelementen und dem Ventilsitz Verschleiß hülsen eingespannt sind, wobei die Verschleißhülsen bündig an die Sitzringe anschließen und an ihrer dem Ventilsitz abgewandten Stirn seite an den den Rohranschlußelementen zugeordneten Weichdichtungen anliegen, und daß die Verschleißhülsen an ihrem äußeren Umfang im Gehäuse abgestützt sind. Vorzugsweise ist die Länge des Gehäuseman tels mindestens doppelt so groß wie die Außenlänge des Ventilsitzes aus geführt. - Verschleißhülse meint eine Hülse aus verschleißfestem Material, vorzugsweise aus Sinterkeramik. Bei der erfindungsgemäßen Armatur sind alle keramischen Verschleißteile in einem starren Ge häuse vor Biege- und Zugbeanspruchung geschützt angeordnet. Der Kugelhahn ist in sich druckdicht. Bei Überschreiten des Innendrucks gegenüber den technischen Möglichkeiten des keramischen Werkstoffes legen sich die Verschleißteile an das druckfeste Gehäuse an und die Funktionsfähigkeit des Kugelhahns bleibt demnächst gesichert.

Bei dem erfindungsgemäßen Kugelhahn ist nicht nur der Dichtspalt zwischen Ventilkugel und Sitzring verschleißfest, sondern ist auch der Strömungskanalbereich, der einer besonders großen abrasiven Beanspruchung ausgesetzt ist, vor Verschleiß geschützt. Die Erfin dung geht aus von der Erkenntnis, daß Drosselarmaturen vor und hinter der Drosselöffnung einer verstärkten Verschleißbeanspruchung ausgesetzt sind. Besonders stark beansprucht ist der Bereich im An schluß an eine Querschnittsreduzierung, insbesondere auf einer Länge, die ungefähr dem dreifachen der freien Querschnittsöffnung entspricht. Die Bildung von Wirbeln führt hier in Verbindung mit Feststoffantei len zu einer starken abrasiven Beanspruchung.

Im Rahmen der Erfindung liegt es, die Verschleißhülsen in der gleichen Wandstärke auszuführen und gegenüber dem Mantelgehäuse abzustützen. Aufgrund der hohen Verschleißfestigkeit von Sinterkeramik ist es jedoch prinzipiell nicht erforderlich, die Verschleißhülsen mit großer Dicke auszubilden. Aus diesem Grunde ist es auch im Hinblick auf die praktische Anwendung zweckmäßiger, wenn die Verschleißhül sen an ihrem äußeren Umfang an Distanzhülsen anliegen, die sich gegen den Gehäusemantel abstützen. Wenn der Kugelhahn in Flüssig keiten eingesetzt wird, in denen Kristallisationsvorgänge ablaufen, besteht die Gefahr, daß die Distanzhülsen anbacken und nicht oder nur schwer demontierbar sind. Insbesondere für einen solchen An wendungsfall empfiehlt die Erfindung, daß die Rohranschlußelemente als Spannhülsen ausgebildet und stirnseitig in den Gehäusemantel eingesetzt sind, wobei die Spannhülsen eine Spannfläche für die Sitz ringe und eine Ringkammer zur Aufnahme der Verschleißhülse aufwei sen. Es versteht sich, daß an die Spannhülsen Demontagewerkzeuge ansetzbar sind. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese hen, daß die Spannhülsen jeweils einen Außenbund aufweisen, der in einer Ausnehmung an der Stirnseite des Gehäusemantels bündig eingesetzt und durch Senkschrauben am Gehäuseteil gehalten ist, wobei die Stirnflächen des Mantelgehäuses lediglich von einem Dicht bund der Spannhülsen überragt sind. Aus praktischen Gesichtspunkten ist es zweckmäßig, wenn der Kugelhahn symmetrisch ausgebildet ist und die eintritts- und austrittsseitigen Verschleißhülsen die gleiche Länge aufweisen. Der Verschleiß ist jedoch grundsätzlich hin ter einer Drosselöffnung größer als vor der Drosselöffnung. Aus diesem Grunde kann es sinnvoll sein und ist nach bevorzugter Ausführung der Erfindung vorgesehen, daß die Ventilkugel in Längsrichtung ge sehen außermittig angeordnet ist und die in Strömungsrichtung aus trittsseitig angeordnete Verschleißhülse mit größerer Länge als die eintrittsseitige Verschleißhülse ausgebildet ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist dadurch gekenn zeichnet, daß am Umfang der Ventilkugel ein Stützring aus verschleiß festem Material angeordnet ist, der am Gehäusemantel anliegt und eine Durchtrittsöffnung für die Betätigungswelle aufweist und der in Längsrichtung zwischen Anschlagflächen gehalten ist. Vorzugsweise ist auch der Stützring aus Sinterkeramik gefertigt. Die Anordnung eines sinterkeramischen Stützringes ist zweckmäßig, wenn der Gehäuse mantel aus einem relativ weichen Material besteht. Aufgrund der sehr glatten und verschleißfesten Kontaktfläche zwischen Ventilkugel und Stützring kann ein Anbacken der Ventilkugel verhindert werden und ist über lange Zeiträume hinweg eine leichtgängige Betätigung der Ventilkugel sichergestellt. Außerdem können bei starker Drosselung strömungsbedingte Vibrationen auftreten, welche die Kontaktfläche am Umfang der Ventilkugel beanspruchen. Die Anschlagflächen, zwischen denen der Stützring fixiert ist, können durch Distanzhülsen gebildet werden, die zwischen den Rohranschlußelementen eingespannt sind. In der bevorzugten Ausführung ist jedoch vorgesehen, daß ein Rohr anschlußelement eine Anschlagfläche für den Stützring aufweist und daß der Stützring unter Zwischenschaltung einer Weichdichtung, sowie wahlweise unter Zwischenschaltung von Ringscheiben, zwischen einem Anschlagbund des Mantelgehäuses und der Anschlagfläche des Rohran schlußelementes gehalten ist. Der feste Anschlagbund des Mantelge häuses erleichtert die Montage und Positionierung des Stützringes. Es versteht sich fernerhin, daß das Rohranschlußelement zugleich auch als Spannhülse für den Sitzring und die Verschleißhülse ausge bildet sein kann. Das Rohranschlußelement weist dann eine erste An schlagfläche für den Stützring, eine zweite Spannfläche für den Ven tilsitz sowie eine Ringkammer zur Aufnahme einer Verschleißhülse auf.

Der Verschleißschutz durch Verschleißhülsen vor und hinter der Ventil kugel erlaubt es, das Mantelgehäuse wahlweise aus metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffen auszubilden. Unter der Voraussetzung, daß metallische Werkstoffe eingesetzt werden, ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Mantel gehäuse als dickwandiges, zylindrisches Hohlschmiedeteil ausgebildet ist, und daß die Wellendichtung für die Betätigungswelle in einer Ausnehmung des Mantelgehäuses angeordnet ist. Wenn es auf ein be sonders geringes Gewicht ankommt, empfiehlt die Erfindung, daß das Mantelgehäuse als dickwandiger Hohlzylinder aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist, wobei die Wellenabdichtung in einer Aus nehmung des Mantelgehäuses angeordnet ist.

Der erfindungsgemäße Kugelhahn zeichnet sich durch eine sehr große Funktionssicherheit aus. Der Kugelhahn ist in sich druckdicht. Wenn aufgrund einer Drucküberlastung oder durch Temperaturschocks Kera mikbrüche auftreten, legen sich die beschädigten keramischen Bau elemente an das druckfeste Gehäuse an und die Funktionsfähigkeit des Kugelhahns bleibt zunächst gesichert. Gegenüber dem bekannten gattungsgemäßen Kugelhahn sind die erreichten Vorteile in einem ver besserten Verschleißschutz zu sehen. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind insbesondere dann bedeutsam, wenn der Kugelhahn als Drossel armatur in gasförmigen oder flüssigen Stoffräumen mit abrasiven Feststoffbeimischungen eingesetzt wird. Strömungswirbel werden im verschleißgeschützten Bereich des Kugelhahns abgebaut. Dadurch ist abrasive Beanspruchung der angrenzenden Rohrleitung stark redu ziert. Insbesondere dann, wenn das Rohrsystem keinen besonderen Verschleißschutz aufweist, empfiehlt sich die Anwendung des erfin dungsgemäßen Kugelhahns als Drosselarmatur. Im übrigen ist die er findungsgemäße Armatur einfach aufgebaut und zeichnet sich durch gute Demontage- und Montagemöglichkeit der keramischen Bauelemente aus. Die gute Demontagemöglichkeit ist in der Praxis bedeutsam, um zum Beispiel durch Drucküberlastung oder durch Temperaturschocks gebrochene Keramikelemente schnell auszuwechseln. Ein Bedürfnis für die Demontage besteht aber auch, wenn der erfindungsgemäße Kugel hahn in Flüssigkeiten eingesetzt werden soll, die zum Auskristallisie ren neigen. Bei Anlagenstillständen oder längeren Betriebsunterbrechun gen ist eine Demontage und Reinigung der Kugelhähne erforderlich.

lm folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausfüh rungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Gegenstand,

Fig. 2 eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kugelhahns, ebenfalls im Längsschnitt,

Fig. 3 eine Einzelteilzeichnung des Rohranschlußelementes gemäß der Fig. 2,

Fig. 4 eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Kugelhahns mit verschleißfestem Stützring für die Ventilkugel,

Fig. 5 den Gegenstand gemäß Fig. 4, jedoch in asymmetrischer Längenaufteilung.

Der in den Figuren dargestellte Kugelhahn ist insbesondere als Dros selarmatur für Stoffströme mit abrasiven Feststoffbeimischungen ge eignet. Zum grundsätzlichen Aufbau gehören ein druckfestes Gehäuse 1, ein Ventilsitz 2 aus sinterkeramischen Sitzringen 3, eine sinterkera mische Ventilkugel 4 mit Betätigungswelle 5, die durch eine Wellen dichtung 6 des Gehäuses 1 geführt ist (Fig. 1). Das Gehäuse 1 be steht aus einem einteilig ausgeführten Gehäusemantel 7 sowie Rohran schlußelementen 8, die unter Zwischenschaltung von Gehäusedichtun gen 9 am Gehäusemantel 7 befestigt sind. Der Gehäusemantel 7 weist eine Länge L auf, die größer ist als die Außenlänge a des Ventil sitzes 2. Vorzugsweise ist die Länge L des Gehäusemantels mindestens doppelt so groß wie die Außenlänge a des Ventilsitzes. Zwischen den Rohranschlußelementen 8 und dem Ventilsitz 2 sind Verschleiß hülsen 10 a, 10 b eingespannt. Sie schließen bündig an die Sitzringe 3 an und liegen an ihrer dem Ventilsitz abgewandten Stirnseite 11 an Weichdichtungen 12 an. An dem äußeren Umfang 13 der Verschleiß hülsen sind Distanzhülsen 14 angeordnet, die sich am Gehäusemantel 7 abstützen. Die Weichdichtungen 12 stehen unter elastischer Vorspan nung. Sie wirken einerseits als statische Dichtelemente, andererseits geben sie den Sitzringen 3 eine geringe Beweglichkeit und halten die Sitzringe 3 unter Vorspannung an der Ventilkugel 4.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kugelhahns sind die Rohranschlußelemente als Spannhülsen 15 ausge bildet und stirnseitig in den Gehäusemantel 7 eingesetzt. Aus einer vergleichenden Betrachtung mit Fig. 3 ergibt sich, daß die Spannhül sen 15 eine Spannfläche 16 für die Sitzringe 3 und eine Ringkammer 17 zur Aufnahme einer Verschleißhülse 10 aufweisen. Die Spannhülse 15 besitzt fernerhin einen Außenbund 18 mit einer auf einem Dicht bund 19 angeordneten Dichtfläche 20 für eine nicht dargestellte Flanschdichtung zur angrenzenden Rohrleitung. Der Außenbund 18 der Spannhülse ist in eine Ausnehmung der Stirnseite des Gehäusemantels bündig eingesetzt und durch Senkschrauben 21 am Gehäusemantel 7 gehalten. Die Anordnung ist so getroffen, daß lediglich der Dicht bund 19 die Stirnfläche 22 des Mantelgehäuses 7 überragt. Die Senk schrauben 21 dienen lediglich der Montage und müssen keine beson deren Kräfte übertragen. Zwischen der Spannfläche 16 und den Sitz ringen 3 einerseits sowie zwischen dem Außenbund 18 und der Ver schleißhülse 10 andererseits sind Dichtungen angeordnet, die im Aus führungsbeispiel als Rundschnürdichtungen 23 a, 23 b ausgeführt sind. Sie wirken als statische Dichtelemente und zugleich als elastisch federndes Element auf die Sitzringe 3.

Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Kugel hahns, die durch einen am Umfang der Ventilkugel angeordneten Stütz ring 24 aus verschleißfestem Material, insbesondere aus Sinterkeramik, gekennzeichnet ist. Der Stützring 24 liegt am Gehäusemantel 7 an und weist eine Durchtrittsöffnung 25 für die Betätigungswelle 5 auf. Er ist in axialer Richtung zwischen Anschlagflächen 26, 27 gehalten. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Mantelgehäuse ein Anschlagbund 26 als Anschlagfläche vorgesehen. Fernerhin ist ein Rohranschlußelement 28, daß im übrigen als Spannhülse für den Sitz ring und die Verschleißhülse ausgebildet ist, mit einer Anschlagfläche 27 für den Stützring 24 versehen. An der Anschlagfläche 27 des Rohr anschlußelementes 28 ist eine Dichtung 29, im Ausführungsbeispiel eine Rundschnürdichtung, angeordnet. Im übrigen sind Ringscheiben 30 vorgesehen, die sich bis in den Bereich der Sitzringe 3 erstrecken und als zusätzliche Sicherungselemente für die Sitzringe wirken.

In den Fig. 1 bis 4 sind die in Strömungsrichtung eintrittsseitig und austrittsseitig angeordneten Verschleißhülsen gleicher Länge ausge führt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ventilkugel 4 in Längsrichtung gesehen außermittig angeordnet ist und die in Strömungsrichtung austrittsseitig angeordnete Ver schleißhülse 10 a mit größerer Länge 1 _a als die eintrittsseitige Ver schleißhülse 10 b mit der Länge 1 _b ausgebildet ist (Fig. 5). Die Länge der austrittsseitigen Verschleißhülse 10 a ist so gewählt, daß sie Strömungswirbel abbauen können. Vorzugsweise beträgt die Länge 1 _a der austrittsseitigen Verschleißhülse 10 a das Dreifache der Durchgangs bohrung.

In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Mantelgehäuse 7 als dickwandiges zylindrisches Rohlschmiedeteil ausgebildet. Die Wellen dichtung 6 für die Betätigungswelle 5 ist in einer Ausnehmung 31 des Mantelgehäuses 7 angeordnet. Fernerhin weist das Mantelgehäuse eine ebene Montagefläche 32 zum Anschluß von Betätigungsorganen und Stellmitteln auf.

Claims

1. Kugelhahn, insbesondere für Stoffströme mit abrasiven Feststoff beimischungen, - mit
druckfestem Gehäuse,
Ventilsitz aus sinterkeramischen Sitzringen,
sinterkeramischer Ventilkugel,
durch eine Wellendichtung des Gehäuses geführter Betätigungs welle für die Ventilkugel, wobei das Gehäuse einen einteilig ausgeführten Gehäusemantel sowie Rohranschlußelemente aufweist, die unter Zwischenschaltung von Dich tungen am Gehäusemantel befestigt sind, wobei an den Rohranschluß elementen Weichdichtungen angeordnet sind, die den Ventilsitz unter Vorspannung an der Ventilkugel halten, dadurch ge kennzeichnet, daß die Länge (L) des Gehäusemantels (7) größer ist als die Außenlänge (a) des Ventilsitzes (2), daß zwischen den Rohranschlußelementen (8) und dem Ventilsitz (2) Ver schleißhülsen (10) eingespannt sind, wobei die Verschleißhülsen (10) bündig an die Sitzringe (3) anschließen und an ihrer dem Ventilsitz abgewandten Stirnseite (11) an den den Rohranschlußelementen (8) zugeordneten Weichdichtungen (12) anliegen, und daß die Verschleiß hülsen (10) an ihrem äußeren Umfang (13) im Gehäuse (1) abgestützt sind.

2. Kugelhahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) des Gehäusemantels (9) mindestens doppelt so groß ist wie die Außenlänge (a) des Ventilsitzes (2).

3. Kugelhahn nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißhülsen (10) an ihrem äußeren Umfang (13) an Distanz hülsen (14) anliegen, die sich gegen den Gehäusemantel (7) abstützen.

4. Kugelhahn nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohranschlußelemente als Spannhülsen (15) ausgebildet und stirn seitig in den Gehäusemantel (7) eingesetzt sind, wobei die Spannhül sen (15) eine Spannfläche (16) für die Sitzringe (3) und eine Ring kammer (17) zur Aufnahme einer Verschleißhülse (10) aufweisen.

5. Kugelhahn nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannhülsen (15) jeweils einen Außenbund (18) aufweisen, der in eine Ausnehmung an der Stirnseite des Gehäusemantels bündig einge setzt und durch Senkschrauben (21) am Gehäusemantel (7) gehalten ist, wobei die Stirnflächen (22) des Gehäusemantels (7) lediglich von einem Dichtbund (19) der Spannhülsen (15) überragt sind.

6. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, daß die Ventilkugel (4) in Längsrichtung außermittig angeord net ist und die in Strömungsrichtung austrittsseitig angeordnete Ver schleißhülse (10 a) mit größerer Länge (1 _a) als die eintrittsseitige Verschleißhülse (10 b) ausgebildet ist.

7. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß am Umfang der Ventilkugel (4) ein Stützring (24) aus verschleißfestem Material angeordnet ist, der am Gehäusemantel (7) anliegt und eine Durchtrittsöffnung (25) für die Betätigungswelle (5) aufweist, und daß der Stützring (24) zwischen Anschlagflächen (26, 27) in Längsrichtung gehalten ist.

8. Kugelhahn nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohranschlußelement (28) eine Anschlagfläche (27) für den Stützring (24) aufweist und daß der Stützring (24) unter Zwischenschaltung einer Dichtung (29), sowie wahlweise unter Zwischenschaltung von Ringscheiben (30), zwischen einem Anschlagbund (26) des Mantelge häuses (7) und der Anschlagfläche (27) des Rohranschlußelementes (28) gehalten ist.

9. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das Mantelgehäuse (7) als dickwandiges zylindrisches Hohlschmiedeteil ausgebildet ist und daß die Wellendichtung (6) für die Betätigungswelle (5) in einer Ausnehmung (31) des Mantelgehäu ses (7) angeordnet ist.

10. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das Mantelgehäuse (7) als dickwandiger Hohlzylinder aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist und daß die Wellen dichtung (6) in einer Ausnehmung (31) des Mantelgehäuses (7) ange ordnet ist.