DE4240544C2 - Ventil mit exzentrischem, drehbarem Schließkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventil mit exzentrischem, drehbaren Schließkörper, insbesondere zur Steuerung von Flüssigkeiten in Prozeßanlagen, mit den Merkmalen a), b) und c) des Anspruchs 1.

Ein solches Ventil ist aus der US 4 074 889 bekannt, wobei der Bolzen jedoch nicht kippbeweglich am Schließkörper angebracht ist.

Eines der Erfordernisse bei einem solchen Ventil ist das dichte Schließen, wenn ein Prozeßsystem außer Betrieb gesetzt 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 Sitzoberfläche der Durchlässe, Länge der Kontaktfläche im Ventilgehäuse und Sitzfläche im Durchlaß, und vieler anderer Abmessungen. Um alle diese Abmessungen mit sehr engen Toleranzen 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 unterschiedlich für einen Schließkörper aus rostfreiem Stahl und einen Ventilkörper aus Kohlenstoffstahl ist. All diese Probleme sind schon früh von Experten auf diesem Gebiet erkannt worden, und es gibt eine Anzahl patentierter Vorrichtungen, die auf verschiedenen Methoden beruhen, um dieses Problem der ungenügenden geometri­ schen Ausrichtung zu lösen. In US-PS 3,623,696 werden flexible Arme zwischen Naben- und Schließkörperteil des drehbaren Teils verwendet. 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 Un­ genauigkeit zwischen den beweglichen Teilen erzeugen und eine Anzahl von Dichtungen erfordern, die, da sie sich in der Fluidströmung befinden, leicht ver­ unreinigt oder korrodiert werden. US-PS 4,817,916 zeigt einen nockengetriebenen Schließkörper, der wieder ähnliche Nachteile aufweist, wie oben angesprochen. US-PS 4,248,403 offenbart eine zweiteilige Naben- und Schließkörperanordnung, in der eine feste Erweiterung der Nabe den Schließkörper in einer federbelasteten, sphärischen Dichtung trägt. Dies gestattet eine gewisse Ausrichtung, garantiert aber nicht, daß der Mittelpunkt der sphärischen Sitzfläche auf der Mittellinie des Sitzrings im richtigen Abstand 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 Andruckkraft der Feder ist begrenzt, so daß sich der Schließkörper drehen kann, nachdem er die Sitzkante berührt hat. Wenn die Andruckkraft so begrenzt ist, besteht für Strömungsturbulenz kein Hindernis, zu versuchen, den Schließkörper kräftig vor- und zurückzuschlagen, während das Ventil in der offenen Stellung drosselt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs genannten Art so auszubilden, daß schädliche Schwingungen des Schließkörpers im Ansatz ausgeschlossen werden. Diese Aufgabe wird durch Anspruch 1 gelöst. Bei einem Ventil gemäß der Erfindung hat der Nabenteil eine Geometrie, die den unteren Teil des Ventil­ schließkörpers wirksam überdeckt. Dadurch wird erreicht, daß die untere Hälfte des Schließkörpers nur hohen Drosselgeschwindigkeiten 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 Öffnungsvorgangs 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. Darüberhinaus ist, wie aus der US 4 074 889 bekannt, eine sphärische Lagerung des Ventilschließkörpers vorgesehen, 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 Drehung der Nabe) perfekt mit der Achse des Sitzrings ausgerichtet ist.

Schließlich ist die Geometrie von Nabenteil mit Schließkörper so ausgebildet, daß ein besonders stromlinienförmiger Strömungsweg geschaffen ist, 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 Strömung 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 all­ mählich 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 festzuhalten, 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 (6)

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) miteinander verbunden sind, wobei das Gehäuse (3) eine hohle Deckelerweiterung (10) hat, die sich senkrecht von der Achse weg erstreckt, in der die Einlaß- und Auslaßöffnungen fluchten;
• b) einem innerhalb des Gehäusehohlraums (4) und nahe der Einlaßöffnung gehaltenen, ringförmigen Sitzring (7), dessen Sitzende eine abgeschrägte Sitzfläche (21) hat;
• c) einem Schließkörper (19), der verstellbar mit einem Nabenelement (15) verbunden ist, welches ein Durchgangsloch hat, das einen Wellendurchlaß bildet, dessen Achse gegenüber 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 kippbeweglich angebrachten Bolzen (17) hat, welcher ermöglicht, den Schließkörper (19) bei in Schließposition gedrehter Welle (11) in Richtung auf die Einlaßöffnung bis zur vollen Berührung mit der Sitzfläche (21) einzustellen und wobei das Nabenelement (15) so ausgebildet ist, daß der untere Teil der Rückseite des Ventilschließkörpers gegen den stromab herrschenden Druck im Ventilgehäuse abgedeckt ist, während die obere Hälfte der Rückseite des Ventilschließkörpers dem stromab herrschenden Druck ausgesetzt ist;
• d) einer drehbar innerhalb der hohlen Deckelerweiterung (10) gehaltenen Welle (11), die sich durch das Durchgangsloch des Nabenelements (15) hierdurch erstreckt und zur Drehung des Nabenelements (15) zusammen mit dem einstellbar angebrachten Schließkörper (19) in Rich­ tung auf den Sitzring (7) bestimmt ist, um ein abdichtendes Zusammenwirken mit letzterem zu bewirken.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite (26) des Schließkörpers (19) eine zentrale Öffnung 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 erweiternder Strömungsweg zwischen besagtem unteren Abschnitt und dem erweiterten inneren Hohlraum (4) des Gehäuses (3) geschaffen wird, wenn die Nabe (15) und der daran gehaltene Schließkörper (19) durch die Welle (11) in eine offene Stellung gedreht werden, damit eine allmähliche Verzögerung 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 kugelförmigen Vorderseite (20) des Schließkörpers (19) geschaffen wird, wenn letzterer in eine offene Ventilstellung gedreht wird, damit eine allmähliche Verzögerung des durchgehenden Fluids ermöglicht und dadurch der Druckverlust des Ventils vermindert wird.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen (17) einen Abschnitt (36) mit verringertem Durchmesser hat, welcher so bemessen ist, daß eine biegsame Verformung des Bolzens (17) ermöglicht wird, wodurch bei geschlossener Ventilstellung eine bessere Ausrichtung des daran gehaltenen Schließkörpers (19) mit dem Sitzring (7) erzielt wird.