DE3801830C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für die Abdichtung der Drehbetätigungswelle eines Kugelhahnes gegenüber dem Kugelhahngehäuse gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einer bekannten derartigen Dichtungsanordnung (vgl. DE-PS 32 05 025) erfolgt die Abdichtung der Drehbetätigungswelle gegenüber der sie aufnehmenden Gehäusebohrung mittels einer flexiblen Dichtungspackung und einer damit zusammenwirkenden kugelkalottenförmigen Dichtfläche an der Welle, die zur Erzielung einer Dichtwirkung axial durch geeignete Mittel, z.B. Tellerfedern oder eine Schraubspanneinrichtung, zusammengedrückt bzw. vorgespannt werden muß. Die Vorspannkraft ist so einzustellen, daß die Dichtheit der Anordnung auch bei den maximal auftretenden Drücken im Kugelhahn gewährleistet ist. Gewöhnlich wird die Vorspannkraft auf einen Maximaldruck eingestellt, der dem 1,5-fachen des Nenndruckes des Kugelhahnes entspricht. Auf die Dichtungsanordnung und die umgebenden Teile wirkt daher unabhängig von den jeweilig herrschenden Drücken des abzudichtenden Mediums stets eine auf Höchstbelastungen abgestimmte Vorspannkraft, was unnötigen Verschleiß der Teile und ein unnötig hohes Drehmoment zur Betätigung der Schaltwelle bedeutet. Ferner sind die bekannten Dichtungsanordnungen oftmals den für die Montage der Drehbetätigungswelle in der Gehäusebohrung aufzubringenden Montagekräften ausgesetzt, wodurch der Verschleiß der Teile und das Drehmoment weiter erhöht werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung der eingangs erwähnten Gattung zu schaffen, bei der die Dichtwirkung unter Minimierung des Verschleißes der Teile und des aufzubringenden Drehmomentes auf die jeweils herrschenden Drücke des abzudichtenden Mediums abgestimmt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst. Danach besteht die Dichtungsanordnung aus einer Paarung gehäuse- bzw. wellenseitig fixierter Dichtelemente mit radialen Dichtflächen, die aufeinander gleiten können und insbesondere unter dem Druck des abzudichtenden Mediums in einem solchen Gleiteingriff miteinander treten, daß dazwischen eine wirksame Abdichtung erzielt wird. Die Dichtungsanordnung ähnelt Gleitringdichtungen, wie sie z.B. in der DIN-Norm 24 960 beschrieben sind. Die Vorspannkraft, welche die Dichtflächen der Dichtelemente druckunabhängig aufeinander preßt, braucht nur auf die minimal auftretenden Betriebsdrücke abgestimmt sein, so daß unter solchen Betriebsverhältnissen noch eine ausreichende Dichtfunktion gewährleistet ist. Bei höheren Betriebsdrücken schafft das abzudichtende Medium selbst die notwendige Anpreßkraft der Dichtflächen. Die Belastung der Dichtungsanordnung beim Betrieb ist mithin im wesentlichen nur so groß, daß eine ausreichende Dichtwirkung vorliegt, was den Verschleiß der Teile und das Drehmoment zur Betätigung der Schaltwelle automatisch minimiert, so daß gleichzeitig die Lebensdauer, die Betriebszuverlässigkeit und die Handhabbarkeit des Kugelhahnes wesentlich verbessert werden. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann eine der Dichtflächen an einem an der Drehbetätigungswelle ausgebildeten Ringbund vorgesehen sein. Die andere Dichtfläche kann Teil eines getrennten Dichtelementes sein, das z.B. durch Schrumpfen in der die Welle aufnehmenden Gehäusebohrung fixiert ist. Die Dichtelemente können jedoch gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung auch getrennte mit der Betätigungswelle bzw. der sie aufnehmenden Gehäusebohrung verbundene Bauteile sein. Wichtig ist, daß die in Berührung miteinander tretenden Dichtflächen eine gleitfähige Paarung bilden, d.h. wenigstens die Flächen der Dichtelemente sollten aus Materialien mit guter Gleiteigenschaft bestehen. Gemäß einer anderen Weiterbildung können in der Dichtfläche eines der Dichtelemente Druckentlastungsnuten eingebracht sein, die verhindern, daß die Dichtungsanordnung und die umgebenden Bauteile unter hohen Drücken des abzudichtenden Mediums Kräften ausgesetzt werden, die das notwendige Maß zur Erzielung einer Dichtwirkung übersteigen. Die Einrichtung zum Aufbringen der Vorspannkraft ist gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung an der dem abzudichtenden Medium zugewandten Seite der Dichtungsanordnung vorgesehen. In Verbindung mit der Ausbildung der Vorspanneinrichtung als ein die Drehbetätigungswelle umgebendes Federelement aus einem Kohlenstoffmaterial wird hierdurch der Vorteil erzielt, daß Verunreinigungen im abzudichtenden Medium gehindert werden, an die Dichtungsanordnung zu gelangen, so daß auch bei verschmutzten Medien eine zuverlässige Dichtwirkung gewährleistet ist. Die Vorspanneinrichtung kann ferner gleichzeitig als Lager zur radialen Abstützung der Welle gegenüber dem Gehäuse dienen. Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann die Vorspanneinrichtung auch stirnseitig der Drehbetätigungswelle angeordnet sein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsformen und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in fragmentarischer geschnittener Ansicht einen Kugelhahn mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäß aufgebauten Dichtungsanordnung mit umfänglich der Betätigungswelle vorgesehenem Federvorspannelement,

Fig. 2 in fragmentarischer geschnittener Ansicht eine modifizierte Ausführungsform der Dichtungsanordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 in einer Ansicht ähnlich Fig. 1 einen Kugelhahn mit einer Dichtungsanordnung mit stirnseitig vorgesehenen Federvorspannelementen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine Detailansicht einer Dichtfläche mit Druckentlastungsnut.

In der Zeichnung tragen gleiche oder ähnliche Teile gleiche Bezugszeichen. Nach Fig. 1 umfaßt der Kugelhahn nach der ersten Ausführungsform ein geteiltes Gehäuse 1, welches von einer Durchgangspassage 2 durchsetzt ist. Die Durchgangspassage 2 erweitert sich von äußeren Bereichen mit Nennabmessung nach innen zu einem zentralen Bereich oder einer Kammer 5, in der eine Kugel 10 mit einer bei 11 angedeuteten Durchbohrung aufgenommen ist. Die Kugel 10 hat an ihrer Außenseite eine Ausnehmung 12, welche einen Zapfen 7 am unteren Ende einer in einer Bohrung 8 im Gehäuse 1 gehaltenen Drehbetätigungswelle 6 aufnimmt, mit deren Hilfe die Kugel um eine Achse senkrecht zur Längsachse der Durchgangspassage 2 von Hand oder maschinell gedreht werden kann. Die Kugel 10 ist gegenüber dem Gehäuse 1 durch an- und abstromseitige Dichteinrichtungen 3, 4 abgedichtet. Bei den Dichteinrichtungen 3, 4 kann es sich um eine Bauweise handeln, wie sie z.B. in der deutschen Patentanmeldung P 37 41 132 beschrieben ist. Der vorbeschriebene Aufbau des Kugelhahnes ist grundsätzlich bekannt und braucht hier nicht näher erläutert zu werden.

Erfindungsgemäß ist die Drehbetätigungswelle 6 durch eine Dichtungsanordnung 13 gegenüber der Bohrung 8 des Gehäuses 1 abgedichtet, so daß das unter Druck stehende Medium in der Kammer 5 daran gehindert wird, längs der Drehbetätigungswelle 6 nach außen zu gelangen. Die Dichtungsanordnung 13 umfaßt ein Paar Dichtelemente 9, 14, von denen eines 9 drehfest mit der Betätigungswelle 6 und das andere 14 stationär im Gehäuse 1 bzw. in einer sacklochartigen Erweiterung der Bohrung 8 gehalten ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das wellenseitige Dichtelement 9 durch einen an der Drehbetätigungswelle 6 angeformten Ringbund 9 gebildet, der eine radiale obere Fläche 15 und eine radiale untere Fläche 16 vorsieht. Die radiale obere Fläche 15 steht in Eingriff mit der radialen unteren Fläche 17 des gehäuseseitigen Dichtelementes oder Dichtringes 14. Der Dichtring 14 kann in geeigneter Weise gegenüber dem Gehäuse fixiert, z.B. in der sacklochartigen Erweiterung der Bohrung eingeschrumpft sein.

Die Oberseite des Ringbundes 9 und die Unterseite des gehäuseseitigen Dichtelementes 14 bilden Dichtflächen 15, 17, die aufeinander gleiten, wenn die Betätigungswelle 6 zwischen der Schließ- und Öffnungsstellung der Kugel 10 gedreht wird. Wenigstens die aufeinander gleitenden Dichtflächen 15, 17 des Ringbundes 9 bzw. Dichtelementes 14 sollten aus einer gleitfähigen Materialpaarung bestehen. Z. B. kann, wenn die Betätigungswelle 6 bzw. der Ringbund 9 aus Edelstahl bestehen, das Dichtelement 14 bzw. dessen Dichtfläche 17 aus einem Hartgraphitmaterial gebildet sein. Andere Werkstoffpaarungen sind ebenfalls möglich.

Um eine gute Dichtwirkung bei gleichzeitiger Minimierung der Reibkräfte zwischen den Dichtflächen 15, 17 zu erhalten, sollten diese fein geschliffen bzw. geläppt sein.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist ferner eine Einrichtung in Gestalt eines Federvorspannelementes 18 vorgesehen, um das wellenseitige Dichtelement bzw. den Ringbund 9 gegen das gehäuseseitige Dichtelement bzw. den Dichtring 14 mit einer bestimmten Vorspannkraft zu drücken. Obschon andere geeignete Vorspanneinrichtungen vorgesehen werden können, ist erfindungsgemäß das Federvorspannelement ein Ringelement aus einem Kohlenstoffmaterial mit Federeigenschaft, z.B. gepreßter Graphit. Derartige Ringelemente sind grundsätzlich bekannt und können von der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung unter der Bezeichnung "Statotherm" bezogen werden.

Das ringförmige Federvorspannelement 18 stützt sich an einem axialen Ende auf einem Absatz 22 der Gehäusebohrung 8 und an seinem gegenüberliegenden axialen Ende an der Unterseite 16 des Ringbundes 9 ab und steht außerdem in leichter (nicht notwendigerweise abdichtender) Eingriffnahme mit einem unterhalb des Ringbundes 9 befindlichen Umfangsbereich der Betätigungswelle 6. Das Federvorspannelement 18 ist mithin der Dichtungsanordnung 13 vorgeschaltet und bildet daher eine Abschirmung gegen Eindringen von Schmutz und anderen Verunreinigungen in die Dichtungsanordnung 13, welche im abzudichtenden Medium enthalten sein können. Da das Federvorspannelement 18 in Berührung mit dem Umfang der Drehbetätigungswelle 6 steht, dient es ferner als Lager für eine radiale Abstützung der Welle.

Darauf hinzuweisen ist ferner, daß sich das Federvorspannelement 18 nicht direkt, sondern über zwischengelegte Stützringe 19, 20 am Absatz 22 der Gehäusebohrung 8 bzw. an der Unterseite 16 des Ringbundes 9 abstützt. Die Stützringe 19, 20 verhindern wirksam, daß das Material des Federvorspannelementes in den Spalt zwischen Ringbund 9 und Gehäusebohrung 8 bzw. in den Bereich des gehäuseseitigen Dichtringes 14 gepreßt wird.

Erfindungsgemäß übt das Federvorspannelement 18 nur eine solche vom Druck des abzudichtenden Mediums unabhängige Vorspannkraft auf die Dichtungsanordnung 13 aus, daß diese bei geringem oder fehlendem Druck des abzudichtenden Mediums eine Dichtfunktion noch ausüben kann. Bei höheren Mediumdrücken, welche in der Kammer 5 und damit auch auf die Drehbetätigungswelle 6 wirken, werden die Dichtflächen 15, 17 der Dichtelemente 9, 14 entsprechend stärker aufeinander gepreßt, d.h. unter solchen Betriebsbedingungen ist die Dichtwirkung der Dichtanordnung 13 im wesentlichen durch den Druck des abzudichtenden Mediums bestimmt.

Wie dargestellt, kann die Drehbetätigungswelle 6 ferner an der dem abzudichtenden Medium abgewandten Seite der Dichtungsanordnung 13 durch ein Lagerelement 21 gegenüber der Gehäusebohrung 8 abgestützt sein.

Die Ausführung nach Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß das wellenseitige Dichtelement der Dichtanordnung 13′ nicht durch einen integralen Ringbund, sondern durch ein gesondertes ringförmiges Dichtelement 30 mit einer radialen oberen Dichtfläche 31 gebildet ist, die in gleitendem Eingriff mit der unteren radialen Dichtfläche 17 des gehäuseseitigen Dichtelementes 14 steht. Vorzugsweise ist das Dichtelement 30 auf einer ringförmigen Absatzfläche 29 der Betätigungswelle 6 aufgeschrumpft. Die aufeinander gleitenden Dichtflächen 17, 31 der Dichtelemente 14, 30 sind geschliffen oder geläppt. Die Dichtelemente 14, 30 können insgesamt aus Materialien bestehen, die eine gleitfähige Paarung bilden. Vorzugsweise werden jedoch die Dichtelemente 14, 30 nur im Bereich ihrer Dichtflächen 17, 31 mit einer gleitfähigen Schicht versehen bzw. gepanzert, bei der es sich z.B. um eine Nickelhartlegierung handeln kann. Bezüglich anderer geeigneter Gleitwerkstoffpaarungen wird z.B. auf Katalog Nr. 13 "Gleitringdichtungen" der Firma Burgmann verwiesen.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die sich von den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 im wesentlichen in der Art und Weise unterscheidet, wie die Vorspannkraft auf die Dichtungsanordnung 13 aufgebracht wird. Wie dargestellt, ist statt eines umfänglich der Drehbetätigungswelle 6 vorgesehenen ringförmigen Federvorspannelementes 18 ein Paar in der Stirnseite des Zapfens 7 der Betätigungswelle 6 eingelassene Federvorspannelemente 24, 24′ vorgesehen, die sich auf dem Boden der Ausnehmung 12 der Kugel 10 abstützen. Die Federvorspannelemente 24, 24′ bestehen ebenfalls vorzugsweise aus einem Kohlenstoffmaterial mit federnder Eigenschaft, wie verpreßter Graphit.

Die stirnseitige Anordnung der Federvorspannelemente 24, 24′ bietet Vorteile insbesondere in Verbindung mit einer Zwangslagerung der Kugel 10 durch eine diametral gegenüberliegende Lageranordnung, bestehend aus einem im Gehäuse 1 gehaltenen Lagerzapfen 26, der in eine zugewandte Ausnehmung 25 in der Kugel 10 eingreift und stirnseitig Federvorspannelemente 28, 28′ ähnlich den Federvorspannelementen 24, 24′ enthält. Die an diametral gegenüberliegenden Stellen der Kugel 10 wirkenden Federvorspannelemente 24, 28 schaffen nicht nur die gewünschte Vorspannkraft der Dichtungsanordnung 13, sondern ermöglichen darüber hinaus einen Gewichtsausgleich der Kugel 10, was insbesondere bei schweren Kugeln anderenfalls mögliche unerwünschte Verlagerungen gegenüber den Dichteinrichtungen 3, 4 verhindert. Auch lassen sich Einbautoleranzen, durch Wärmedehnungen bedingte Lageveränderungen und dgl. durch die Federvorspannelemente 24, 28 ausgleichen, was die Montage des Kugelhahnes wesentlich erleichtert.

Eine weitere Modifikation der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung sieht vor, daß gemäß Fig. 4 in einer der aufeinander stehenden Dichtflächen der Dichtelemente, z.B. der Dichtfläche 17 des gehäuseseitigen Dichtelementes 14, an diametral gegenüberliegenden Stellen in geeigneter Weise z.B. bogenförmig verlaufende Druckentlastungsnuten 32 eingelassen sind, die vorzugsweise beiderends mit dem abzudichtenden Medium in Verbindung stehen. Vorzugsweise sind in äquidistantem Abstand längs der Dichtfläche 17 vier derartige Nuten eingebracht. Die Nuten bewirken, daß die wirksame Dichtfläche reduziert wird, was eine Verringerung der zwischen den Dichtflächen wirkenden Druckkräfte zur Folge hat. Die Druckentlastungsnuten 32 brauchen nicht die in Fig. 4 gezeigte Ausbildung haben, sondern können auch einen radialen oder spiralförmigen Verlauf längs der Dichtfläche 17 einnehmen.

Die Erfindung wurde vorausgehend anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung auch mit anderen Einrichtungen zum Aufbringen der Vorspannkraft kombiniert werden. Z.B. könnte die Vorspannkraft durch Federn, insbesondere Tellerfedern, aufgebracht werden. Ferner können die Paarungen von Dichtelementen auch eine Ausbildung ähnlich bei bekannten Gleitringdichtungen haben und in anderer Weise als durch Aufschrumpfen an der Drehbetätigungswelle bzw. Gehäusebohrung fixiert sein. Zur Abdichtung des Dichtungselementes gegenüber der Welle bzw. der Gehäusebohrung können O-Ringe vorgesehen sein.

Claims (8)

1. Dichtungsanordnung für die Abdichtung der Drehbetätigungswelle eines Kugelhahnes gegenüber dem Gehäuse, bestehend aus einem Paar gehäuse- bzw. wellenseitig befestigter, dem Druck des abzudichtenden Mediums ausgesetzter und unter der Vorspannkraft eines Federvorspannelementes stehender Dichtelemente mit in dichtendem Gleiteingriff miteinander bringbaren Dichtflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die als Gleitringpaarung ausgebildeten Dichtelemente (9, 14; 14, 30) radiale Dichtflächen (15, 17; 17, 31) haben und daß das Federvorspannelement (18, 24) so ausgelegt ist, daß die Dichtflächen beim Betrieb im wesentlichen nur durch den Mediumdruck in dichtender Beziehung zueinander gehalten sind.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Dichtflächen (15, 17) an einem an der Drehbetätigungswelle (6) ausgebildeten Ringbund (9) vorgesehen ist.

3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtelemente (14, 30) getrennte mit der Drehbetätigungswelle (6) bzw. einer diese aufnehmenden Bohrung (8) im Gehäuse (1) verbundene Bauteile sind.

4. Dichtungsanordnung nach Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Dichtfläche (15, 17; 17, 31) eines der Dichtelemente (9, 14; 14, 30) zum abzudichtenden Medium ausmündende Druckentlastungsnuten (32) eingebracht sind.

5. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspanneinrichtung (18, 24) an der dem abzudichtenden Medium zugewandten Seite der Dichtungsanordnung (13, 13′) vorgesehen ist.

6. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspanneinrichtung ein Federelement (18, 24) aus einem Kohlenstoffmaterial umfaßt.

7. Dichtungsanordnung nach Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspanneinrichtung bzw. das Federelement (18) umfänglich der Drehbetätigungswelle (6) diese zugleich gegenüber dem Gehäuse (1) lagernd angeordnet ist.

8. Dichtungsanordnung nach Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspanneinrichtung bzw. das Federelement (24) stirnseitig der Drehbetätigungswelle (6) angeordnet ist.