DE4240544A1 - Ventil mit exzentrischem, drehbaren Schließkörper - Google Patents
Ventil mit exzentrischem, drehbaren SchließkörperInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventil mit exzentri
schem, drehbaren Schließkörper, insbesondere zur Steuerung
von Flüssigkeiten in Verfahrensanlagen. Sie betrifft im
wesentlichen eine Verbesserung der Erfindung, die durch
US-PS 3,623,969 des Anmelders geschützt ist.
Eines der Erfordernisse bei einem solchen Ventil ist das
dichte Schließen, wenn ein Prozeßsystem außer Betrieb ge
setzt wird. Die Tatsache, daß exzentrische Ventile eine
etwas komplizierte Geometrie haben, erfordert eine extrem
präzise Herstellung der Abstände zwischen Schaftmitte und
Sitzoberfläche des Schließkörpers, Schaftmitte und Sitz
oberfläche der Durchlässe, Länge der Kontaktfläche im Ven
tilgehäuse und Sitzfläche im Durchlaß, und vieler anderer
Abmessungen. Um alle diese Abmessungen mit sehr engen To
leranzen herzustellen, bedarf es sehr teurer Spannmittel
und Werkzeuge. Selbst wenn Herstellungstoleranzen auf dem
erforderlichen Niveau gehalten werden, gibt es noch das
Problem der thermischen Ausdehnung, die z. B. ganz ver
schieden ist für einen Schließkörper aus rostfreiem Stahl
und einen Ventilkörper aus Kohlenstoffstahl. All diese
Probleme sind schon früh von Experten auf diesem Gebiet
erkannt worden, und es gibt eine Anzahl patentierter Vor
richtungen, die auf verschiedenen Methoden beruhen, um
dieses Problem der ungenügenden geometrischen Ausrichtung
zu lösen. In US-PS 3,623,696 werden flexible Arme zwischen
Naben- und Schließkörperteil des drehbaren Teils verwen
det. Verschiedene Mechanismen mit Kurbelachsen sind in US-
PS 3,575,376 oder 1,233,856 und 3,675,894 gezeigt. Solche
Lösungen sind nicht sehr praktisch, da sie eine gewisse
Ungenauigkeit zwischen den beweglichen Teilen erzeugen und
eine Anzahl von Dichtungen erfordern, die, da sie sich in
der Fluidströmung befinden, leicht verunreinigt oder kor
rodiert werden. US-PS 4,817,916 zeigt einen nockenge
triebenen Schließkörper, der wieder ähnliche Nachteile
aufweist, wie oben angesprochen. Schließlich zeigt US-PS
4,248,403 eine zweiteilige Naben- und Schließkörperanord
nung, in der eine feste Erweiterung der Nabe den Schließ
körper in einer federbelasteten, sphärischen Dichtung
trägt. Dies gestattet eine gewisse Ausrichtung. Es ga
rantiert aber nicht, daß der Mittelpunkt der sphärischen
Sitzfläche auf der Mittellinie des Sitzrings im richtigen
Entfernungsverhältnis zwischen Schließkörper und Sitz
liegt. Dies schränkt die Dichtfähigkeit stark ein. Ein
weiteres Problem beim Stand der Technik entsteht dadurch,
daß Fluidkräfte dazu neigen, den Schließkörper um einen
Kopfteil herum in Schwingungen zu versetzen. Die Andruck
kraft der Feder ist begrenzt, so daß sich der Schließ
körper drehen kann, nachdem er die Sitzecke berührt hat.
Wenn die Andruckkraft so begrenzt ist, besteht für Strö
mungsturbulenz kein Hindernis, zu versuchen, den Schließ
körper kräftig vor- und zurückzuschlagen, während das Ven
til in der offenen Stellung drosselt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese und andere
Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Diese
Aufgabe wird durch Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist
eine sphärische Lagerung des Ventilschließkörpers vor
gesehen, der in sich einstellbar ist, so daß der Abstand
zwischen der sphärischen Sitzfläche des Schließkörpers und
der Sitzabschrägung des Sitzrings angepaßt werden kann,
während der Mittelpunkt der Schließkörperkugel (durch Dre
hung der Nabe) perfekt mit der Achse des Sitzrings aus
gerichtet ist. Darüber hinaus hat der Nabenteil eine Geo
metrie, die den unteren Teil des Ventilschließkörpers
wirksam überdeckt. Dadurch wird erreicht, daß die untere
Hälfte des Schließkörpers nur hohen Drosselgeschwindig
keiten gegenübersteht, wodurch eine leichtes Vakuum im
Spalt zwischen der Rückseite des Schließkörpers und der
Vorderseite der Nabe erzeugt wird. Die obere Hälfte des
Schließkörpers ist dagegen dem Druck stromab innerhalb des
Ventilgehäuses ausgesetzt, wo stets Überdruck herrscht.
Dieser Druckunterschied zwischen der oberen und unteren
Hälfte der Rückseite des Schließkörpers während des Öff
nungsvorgangs des Ventils zwingt diesen in festen Kontakt
mit der Nabe an ihrer unteren Vorderseite. Dies verhindert
wirksam zerstörerische Schwingungen auf Grund extrem hoher
Turbulenz, wenn die Strömung durch ein solches Ventil eine
Druckminderung erfährt.
Schließlich ist die Geometrie des drehenden Aufbaus von
Teilen in dieser Erfindung ausgebildet, um einen besonders
stromlinienförmigen Strömungsweg zu schaffen, wenn das
Ventil nahezu oder voll geöffnet ist. Dies wird dadurch
erreicht, daß die unteren Nabenteile derart ausgebildet
werden, daß sich der Strömungsquerschnitt für eine Strö
mung vom Sitzring zum stromab gelegenen Gehäusehohlraum
allmählich erweitert. Die gleiche Wirkung wird in der Nähe
des oberen Teils des Schließkörpers erreicht. Hier ist
eine sich allmählich erweiternde Strömungsfläche zwischen
der sphärischen Sitzfläche des Schließkörpers und dem ge
krümmten inneren Gehäusehohlraum vorgesehen. Auf diese
Weise kann die Strömung allmählich ihre Geschwindigkeit
vermindern und eine Art Druckrückgewinnung ausführen,
während sie um die Kombination von Schließkörper und Nabe
in Richtung auf den Ventilauslaß strömt (siehe Fig. 1 der
Zeichnung). Die Wirkung dieser allmählichen Verzögerung
ist eine bedeutende Zunahme der Durchflußkapazität, die es
gestattet, die Größe des Öffnungsdurchmessers zu verrin
gern, während eine konkurrenzfähige Durchflußleistung auf
rechterhalten wird. Es ist wiederum sehr vorteilhaft, eine
verkleinerte Öffnung zu haben, da dies die Torsionskräfte
erheblich vermindert, die vom Ventilschaft aufgenommen
werden müssen, und die Größe der erforderlichen äußeren
Betätigungsvorrichtung verringert.
Die Gesamtkombination von fehlenden engen Herstellungs
toleranzen aufgrund der Einstellbarkeit der Schließkörper
geometrie im Montagezustand bei gleichzeitiger Schwin
gungssteifheit des Schließkörpers, verbunden mit der Er
fordernis einer relativ kleinen Betätigungsvorrichtung,
bewirkt eine hohe Wirtschaftlichkeit und Leistungsfähig
keit. Diese und andere Vorteile werden im Lichte der fol
genden Beschreibungen noch klarer.
Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeich
nungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten
näher erläutert.
Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein Ventil nach der Er
findung, wobei sich der Ventilschließkörper in der offenen
Stellung befindet.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2
in Fig. 1, wobei der Ventilschließkörper nun geschlossen
dargestellt ist.
Fig. 3 ist eine Längsschnittansicht einer modifizierten
Form der Erfindung, wobei die Verbindung zwischen Schließ
körper und Nabe ein flexibler Bolzen ist.
Gemäß Fig. 1 enthält das Ventil mit exzentrischem, dreh
baren Schließkörper ein Gehäuse 3 mit einem vergrößerten,
gekrümmten inneren Hohlraum 4, einem Einlaßflansch 5 und
einem Auslaßflansch 6, die beide an ein Rohrsystem ange
schlossen werden können. Einlaßflansch 5 hat eine Durch
laßöffnung, in der ein Sitzring 7 gehalten ist, der bei 8
am Gehäuse 3 anliegt und von einem Gewindering 9 gehalten
wird. Das Gehäuse 3 hat weiter eine hohle Deckelerweite
rung 10, die sich senkrecht zu der Achse erstreckt, die
die Einlaß- und Auslaßöffnungen verbindet, und deren Achse
unterhalb dieser Achse verläuft. Eine Welle 11 erstreckt
sich durch die Länge der Deckelerweiterung 10 und wird in
nerhalb des Gehäusehohlraums 4 von Lagern 12 getragen und
durch eine geeignete Packungsanordnung 13 abgedichtet. Ein
Abschnitt der Welle 11 hat quadratischen Querschnitt 14,
der verschieblich in eine Nabe 15 greift, welche eine Ge
windeöffnung 16 hat und darin einen Bolzen 17 mit einem
kugeligen Kopfabschnitt 18 hält, der drehbar einen
Schließkörper 19 mit einer halbkugelförmigen Vorderseite
20 trägt, die dichtend mit einer abgeschrägten Sitzfläche
21 des Sitzrings 7 zusammenwirken kann. Eine Gewindemutter
22 hält Bolzenkopf 18 und Schließkörper 19 in festem Ein
griff.
In geschlossener Stellung ist der Mittelpunkt für den Ra
dius R der halbkugelförmigen Vorderseite 20 der um einen
gegebenen Abstand stromab der Mittellinie CL von Welle 11
angeordnete Mittelpunkt C. Der Winkel der strichpunk
tierten Linien zwischen Sitzabschrägung 21, Kugelmittel
punkt C und Mitte der Welle CL, der als "Annäherungswin
kel" α bezeichnet ist, erlaubt es, bei Wahl dieses Winkels
größer als 10°, an der wirtschaftlichen Verwendung
weicherer Metalle für das Schließkörpermaterial festzu
halten, wie etwa rostfreien Stahls. Ein solcher vergrößer
ter Winkel α kann erhalten werden, indem der Kugelmittel
punkt C auf der in Richtung auf die Auslaßöffnung 23 gele
genen Seite der Mittellinie CL angeordnet wird.
Im Montagezustand des Ventils kann nun die Nabe 15 in eine
Stellung gedreht werden, in welcher der Mittelpunkt C ho
rizontal mit der Mittelachse des Sitzrings 7 fluchtet. In
dem nun der Bolzen 17 gedreht wird, kann der Schließkörper
19 in Richtung auf die Einlaßöffnung bewegt werden, bis
volle Sitzberührung zwischen halbkugeliger Oberfläche 20
und Abschrägung 21 hergestellt ist. Diese Einstellbarkeit
gibt eine große Freiheit bei der Herstellung von Gehäuse
3, Sitzring 7, Nabe 15 und Schließkörper 19. Diese Ein
stellbarkeit erlaubt es z. B., eine Dichtscheibe 24
zwischen Absatz 8 und Gehäuse zu setzen, um eine Undich
tigkeit hinter dem Sitzring zu verhindern. Da Dichtschei
ben zusammendrückbar sind, bringen sie einen hohen Grad
von Unsicherheit in Bezug auf die geometrische Lage des
Dichtrings mit sich. Eine solche Unsicherheit kann bei der
Verwendung von Dichtringen in anderen ähnlichen Ausfüh
rungen nicht toleriert werden (siehe z. B. US-PS
4,248,403).
Die Nabe 15 ist so ausgebildet, daß bei normalem Drossel
betrieb der stromab herrschende Druck nicht an die untere
Rückseite 25 des Schließkörpers 19 herankommt. Dagegen
gibt sie dem stromab herrschenden Druck freien Zugang zur
oberen Rückseite 26 des Schließkörpers. Dieser Druckunter
schied ermöglicht es dem stromab herrschenden Druck,
Schließkörper 19 um den Kopfabschnitt 18 herumzudrücken
und zu bewirken, daß die Oberfläche 25 die Nabe 15 be
rührt, um eine unkontrollierte Bewegung des Schließkörpers
19 bei hoher Strömungsturbulenz zu verhindern.
Darüber hinaus hat die Nabe 15 eine untere abgeschrägte
Fläche 27, die zusammen mit dem gekrümmten Hohlraum 4
einen sich allmählich erweiternden Strömungsweg schafft.
Hohlraum 4 ist auch ausgebildet, um in der oberen Hälfte
des Gehäuses 3 einen sich allmählich erweiternden Strö
mungsweg zwischen der Schließkörperfläche 20 und dem Ge
häuse selbst auf der oberen Hälfte des Gehäuses 3 zu
schaffen.
Eine etwas vereinfachte Ausführungsform der Erfindung ist
in Fig. 3 gezeigt. Hier ist der Bolzen 35 fester Bestand
teil des Schließkörpers 19 und ist in der Mittelachse der
Rückseite 26 angebracht. Es ist wichtig, daß Bolzen 35
einen Abschnitt 36 mit verringertem Durchmesser hat, der
eine gewisse elastische Verformung ermöglichen soll, damit
der Schließkörper 19 in jeder Richtung nachgeben kann, um
perfekt mit dem Sitzring 7 zu fluchten. Diese Biegebe
wegung löst die gleiche Aufgabe, wenn auch mit einer klei
neren Winkelbewegung, wie die vorher beschriebene Kugel
verbindung 18.
Die Erweiterung 10 trägt einen Bügel 28, der seinerseits
mit einer geeigneten Betätigungsvorrichtung 29 mit einer
hin- und hergehenden Stange 30 und Kugelverbindung 31 ver
bunden ist. Die letztere ist mit einem Paar kippbarer Ver
bindungen 32 über einen Bolzen und eine Mutter 33 ver
bunden. Dieses Hebelpaar kann frei über ein Vierkantende
34 der Welle 11 geschoben werden, wenn die Verschraubung
33 gelöst wird. Beim Festziehen des Bolzens 33 dagegen
werden beide Hebelpaare gekippt, wie in Fig. 2 gezeigt,
und auf dem Vierkantende 34 festgeklemmt, um eine exakte
Drehbewegung der Welle 11 entsprechend der Steuerung der
Betätigungsvorrichtung 29 ohne jeden Totgang sicher
zustellen. Die Funktionsweise dieser aufgeklemmten Verbin
dungen ist in US-PS 4,345,850 näher erklärt.
Wenngleich die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausfüh
rungsform erklärt wurde, schließt dies nicht aus, daß
zahlreiche Modifikationen und Veränderungen durch Fach
leute vorgenommen werden können, ohne daß vom Gedanken und
Umfang der Erfindung abgewichen wird.
Claims (7)
1. Ventil mit exzentrischem, drehbaren Schließkörper mit
- a) einem an ein Rohrsystem anschließbaren Gehäuse (3) mit einer jeweils koaxial liegenden Einlaß- und Auslaßöffnung, die durch einen erweiterten inneren Hohlraum (4) mitein ander verbunden sind, wobei das Gehäuse (3) eine hohle Deckelerweiterung (10) hat, die sich senkrecht von der Achse weg erstreckt, in der die Einlaß- und Auslaßöff nungen fluchten;
- b) einem innerhalb des Gehäusehohlraums (4) und nahe der Einlaßöffnung gehaltenen, ringförmigen Sitzring (7), des sen Sitzende eine abgeschrägte Sitzfläche (21) hat;
- c) einem Schließkörper (19), der verstellbar mit einem Na benelement (15) verbunden ist, welches ein Durchgangsloch hat, das einen Wellendurchlaß bildet, dessen Achse gegen über derjenigen des ringförmigen Sitzrings (7) versetzt ist, wobei der Schließkörper (19) eine halbkugelförmige Vorderseite (20) zum abdichtenden Zusammenwirken mit der Sitzfläche (21) des Sitzrings (7) und eine Rückseite (26) mit einem mittig angebrachten Bolzen (17) hat, welcher er möglicht, den Schließkörper (19) in korrekten geometri schen Bezug zum Sitzring (7) einzustellen, und wobei das Nabenelement (15) einen unteren Abschnitt hat, der sich wenigstens über ein Drittel, aber über weniger als zwei Drittel der Rückseite (26) des Schließkörpers (19) er streckt;
- d) einer drehbar innerhalb der hohlen Deckelerweiterung (10) gehaltenen Welle (11), die sich durch das Durch gangsloch des Nabenelements (15) hindurch erstreckt und zur Drehung des Nabenelements (15) zusammen mit dem ein stellbar angebrachten Schließkörper (19) in Richtung auf den Sitzring (7) bestimmt ist, um ein abdichtendes Zusam menwirken mit letzterem zu bewirken.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Rückseite (26) des Schließkörpers (19) eine zentrale Öff
nung zur Aufnahme und Befestigung eines Bolzens (17) mit
einem erweiterten, kugelförmigen Kopf (18) und einem mit
Gewinde versehenen hinteren Abschnitt des Bolzens (17) zur
Verbindung mit einer mit Gewinde versehenen Öffnung (16)
mit dem Nabenelement (15) hat.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Mittelpunkt der sphärischen Fläche, welche die
Vorderseite (20) des Schließkörpers (19) bildet, jenseits
der Achse der hohlen Deckelerweiterung (10) in Richtung
auf die Auslaßöffnung des Gehäuses (3) liegt.
4. Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der untere Abschnitt des Nabenelements
(15) so ausgebildet ist, daß ein sich allmählich erwei
ternder Strömungsweg zwischen besagtem unteren Abschnitt
und dem erweiterten inneren Hohlraum (4) des Gehäuses (3)
geschaffen wird, wenn die Nabe (15) und der daran gehal
tene Schließkörper (19) durch die Welle (11) in eine of
fene Stellung gedreht werden, damit eine allmähliche Ver
zögerung des durchgehenden Fluids ermöglicht und dadurch
der Druckverlust des Ventils vermindert wird.
5. Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der erweiterte innere Hohlraum (4) des
Gehäuses (3) so geformt ist, daß ein sich allmählich er
weiternder Strömungsweg zwischen diesem selbst und der ku
gelförmigen Vorderseite (20) des Schließkörpers (19) ge
schaffen wird, wenn letzterer in eine offene Ventilstel
lung gedreht wird, damit eine allmähliche Verzögerung des
durchgehenden Fluids ermöglicht und dadurch der Druck
verlust des Ventils vermindert wird.
6. Ventil mit exzentrischem, drehbaren Schließkörper, mit
einem hohlen Ventilgehäuse (3); einem Ventilsitzring (7)
im hohlen Teil des Ventilgehäuses (3); einem beweglichen
Schließkörper (19) zum abdichtenden Zusammenwirken mit dem
Sitzring (7); einer Welle (11) mit einem außerhalb des
Ventilgehäuses (3) angeordneten Endabschnitt, deren
anderer Endabschnitt den Schließkörper (19) relativ zum
Sitzring (7) dreht; einem elastisch verformbaren und ent
fernbaren Kurbelsystem, das zweckmäßigerweise angeordnet
ist, um ohne radialen Totgang an dem Abschnitt der Ventil
stange (11) angebracht zu werden, der außerhalb des Ven
tilgehäuses (3) liegt, um eine Drehbewegung auf die Ven
tilstange (11) auszuüben.
7. Ventil nach einem der Ansprüche 1, 3, 4, 5 oder 6, da
durch gekennzeichnet, daß der Bolzen (17) einen Abschnitt
(36) mit verringertem Durchmesser hat, welcher so bemessen
ist, daß eine biegsame Verformung des Bolzens (17) er
möglicht wird, wodurch bei geschlossener Ventilstellung
eine bessere Ausrichtung des daran gehaltenen Schließ
körpers (19) mit dem Sitzring (7) erzielt wird.
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