DE4342025A1 - Armatur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Armatur mit einem Verschlußkörper, einem Antriebsglied für den Verschlußkörper und einem gehäuseseitigen Sitz mit einer schräg zur Mittellinie einer kegelförmigen Sitzkontur liegenden Sitzmittellinie.

Derartige Armaturen haben die Aufgabe, in der Schließstellung gegen ein Medium abzusperren. Die Absperrfunktion und die Zuverlässigkeit der Armatur beruhen auf der Abstimmung des Wirkpaares Armaturensitz und Verschlußkörper aufeinander und in der Anlenkung des die Antriebskraft übertragenden Betätigungsteiles, beispielsweise einer Spindel mit Lager­ zapfen an den Verschlußkörper. Es besteht ferner für derartige Armaturen das Erfordernis, daß sie im Öffnungszustand der Medienströmung einen geringen Widerstand entgegensetzen und daß auch die Antriebskräfte zur Betätigung des Verschlußkörpers möglichst gering sind.

Allgemein gilt, daß die Absperrfunktion einer Armatur insbesondere dann erreicht wird, wenn die Antriebskraft gleichmäßig über den Verschluß­ körper auf den Armaturensitz wirkt. Bei Armaturen, deren Dichtfläche des Verschlußkörpers unter 90° zur Antriebskraft, beispielsweise zu einer Antriebsspindel, steht und diese Kraft zentrisch am Absperrkörper angreift, ist dies automatisch gewährleistet. Ein so ausgebildetes Wirk­ teil ist jedoch wenig strömungsgünstig, so daß statt dessen strömungs­ günstigere kegelförmige oder vergleichbare Sitzgeometrien mit exzen­ trischer Anlenkung der Antriebskraft zum Zentrum der Ventilsitzgeometrie zur Anwendung kommen. Hier besteht jedoch das Problem, den Anlenkpunkt der Antriebskraft an den Verschlußkörper so zu legen, daß umlaufend bezogen auf den Verschlußkörper bzw. den mit ihm zusammenwirkenden Sitzbereich auch dichtende Kräfte am Verschlußkörper vorhanden sind, die eine ausreichende Absperrfunktion überall bewirken können. Bei der Auswahl des Anlenkungsortes sollten dabei zweckmäßig zwei Betriebszustände der Armatur berücksichtigt werden, und zwar einerseits der Öffnungszustand der Armatur, in dem eine Strömung mit ihrem Druckwiderstand auf den Verschlußkörper wirkt, zu der er in ruhiger Lage gehalten werden muß und zum anderen der Schließzustand der Armatur, in dem statische Kräfte wirken, die gegen eine Druckdifferenz, die sich aus dem Druck vor und hinter dem Verschlußkörper ergibt, den Verschlußkörper in dichter Schließ­ lage halten sollen. Armaturen mit schräg zur Wirkrichtung der Antriebskraft liegender Sitzfläche bzw. Sitzmittellinie und kegelförmiger Sitzkontur sowie eine Antriebskraftanlenkung exzentrisch zur Mittellinie der Sitzkontur sind beispielsweise aus der EP 0 109 626, der DD 1 42 377 oder der DE 36 09 772 bekannt. Es handelt sich insoweit jedoch nur um die Berücksichtigung gesetzmäßiger, bekannter Tatsachen. Wird eine kegelförmige Sitzkontur schräg geschnitten, entsteht als Schnittfläche eine Ellipse mit einer im Verhältnis zur Kreisfläche automatisch resultierenden Verschiebung des Flächenschwerpunktes aus der Sitzkonturmittelachse. Bei den bekannten Armaturen wird lediglich eine entsprechende exzentrische Anlenkung der Antriebskraft als ausreichend angesehen. Im Offenbarungsbereich dieses Standes der Technik liegen jedoch viele mögliche Anlenkungspunkte, die bei einem entsprechend ausgelegten Wirkungspaar die Funktion der Abdichtung allseitig umlaufend nicht zuverlässig übernehmen können und Anwendungsfälle offenbaren, in denen sogar den Verschlußkörper in einem Teilbereich vom Sitz abhebende Kräfte dominieren, zumindest aber eine zuverlässige Abdichtung nicht ohne den besonderen Einsatz spezieller dichtender Hilfsmittel möglich ist und teilweise auch erhebliche Schließkräfte benötigt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Armaturen zu schaffen, die den zweckmäßig für beide der genannten Betriebszustände günstigsten Anlenkpunkt der Antriebskraft am Verschlußkörper aufweisen.

Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1. Bei Wahl des Anlenkungspunktes nach den dort aufge­ führten geometrischen Kriterien ergibt sich überraschenderweise überall am Umfang des Verschlußkörpers, und zwar relativ vergleichmäßigt, eine ausreichende Schließkraft zur Überwindung der resultierenden Druckkraft im Schließzustand der Armatur wie auch des resultierenden Druckwider­ standes in der Offenstellung der Armatur. Auf diese Weise läßt sich der konstruktive Aufwand insbesondere durch den Wegfall des Erfordernisses lagestabilisierender Konstruktionsmaßnahmen oder zusätzlicher dichtender Hilfsmittel niedrig halten. Gleichzeitig ist durch die Beibehaltung der bekannten Grundgeometrie gewährleistet, daß die Armatur strömungsgünstig ist und von daher zu niedrigem Energiehaushalt und zu den niedrigen Kosten von Rohrleitungssystemen beitragen kann. Weitere bevorzugte Ausgestal­ tungen, die den Gegenstand des Anspruches 1 zweckmäßig weiter ausgestalten, sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 in Teilschnittdarstellung die wesentlichen Teile und die Sitz­ geometrie einer Armatur gemäß der Erfindung mit darunter darge­ stellten Systemlinien zur Ermittlung des Anlenkpunktes der Antriebskraft,

Fig. 2 die Systemlinien zur Ermittlung des Anlenkpunktes mit Dar­ stellung weiterer möglicher Anlenkpunkte für die Antriebskraft,

Fig. 3 die Systemlinien einer weiteren Armatur gemäß der Erfindung mit verändertem Neigungswinkel der Sitzmittellinie.

Die in Fig. 1 in ihren hier interessierenden wesentlichen Teilen darge­ stellte Armatur hat einen Verschlußkörper 1, der mit einem im Armaturen­ gehäuse 2 ausgebildeten Sitz 3 zusammenwirkt, der aufgrund sich ver­ jüngender Sitzflächen eine kegelförmige Sitzkontur 4 hat, die bei einem vorgegebenen Öffnungswinkel von der Sitzmittellinie 5 schräg geschnitten wird. Der Verschlußkörper 1 ist dabei mit einem die Antriebskraft Fa übertragenden Antriebsglied 6, beispielsweise in Form einer Spindel, verbunden. Wesentlich für eine allseitig umlaufende zuverlässige Dichtung ist dabei die Lage des Anlenkpunktes 7 der Antriebskraft Fa und damit der Wirkrichtung dieser Antriebskraft bezogen auf die Armaturengeometrie im übrigen.

Zur Ermittlung des optimierten Anlenkpunktes der Antriebskraft Fa sind im unteren Teil der Fig. 1 entsprechende Systemlinien dargestellt. Grundsätzlich ist zu berücksichtigen, daß im Öffnungszustand der Armatur die Lage der resultierenden Kraft des Druckwiderstandes der Strömung von der Form und von der Anströmrichtung an den Verschlußkörper 1 abhängt und von Fall zu Fall ermittelt werden muß. Befindet sich der Verschluß­ körper 1 in der Verschließstellung auf dem Sitz 3, ist der abgeschlossene Flächenquerschnitt von Bedeutung. Er erzeugt eine Druckkraft aus der Druckdifferenz, die sich aus dem Druck vor und hinter dem Verschlußkörper 1 in seiner Schließstellung ergibt. Beide Kräfte, der Druckwiderstand und die Druckkraft, besitzen Resultierende, die durch die jeweiligen Schwerpunkte verlaufen. Die Resultierende der Druckkraft Fp (Schließ­ zustand der Armatur) verläuft dabei durch den Flächenschwerpunkt des abgeschlossenen Flächenquerschnittes am Verschlußkörper 1, wie in Fig. 1 dargestellt. Fig. 1 zeigt dabei das in der Armatur vorhandene Wirk­ paar Armaturensitz und Verschlußkörper im Querschnitt. Die Darstellungen in der Ebene und die daraus abzuleitenden Lösungen können auf räumliche symmetrische Körper, unter Vernachlässigung der Reibung zwischen Armaturensitz und Verschlußkörper, bezogen werden.

Im unteren Teil der Fig. 1 ist dargestellt, daß in den Kreuzungspunkten 8 und 9 der kegelförmigen Sitzkontur 4 mit der Sitzmittellinie 5 Lote 10 und 11 errichtet sind. Man bildet entsprechende Verlängerungslinien 10′ und 11′ und erhält durch den Schnitt der Verlängerungslinien 10′, 11′ miteinander einen ersten Kreuzungspunkt 12. Man bringt ferner die Wirklinie 13 der resultierenden Druckkraft Fp mit den Verlängerungslinien 10′, 11′ der Lote 10 und 11 zum Schnitt und erhält die weiteren Kreuzungs­ punkte 14 und 15. Es hat sich nun überraschend gezeigt, daß man immer dann eine am ganzen Umfang ausreichende, vergleichmäßigte Schließkraft in der erforderlichen Wirkrichtung am Verschlußkörper 1 zum sicheren Absperren zur Verfügung hat, wenn die Wirklinie 16 der Antriebskraft Fa beide Verlängerungslinien 10′ und 11′ und die Sitzmittellinie 5 schneidet, und zwar bezüglich der Linien 10′ und 11′ in Linienbereichen, die innerhalb des Kreuzungspunktes 12 der Linien 10′, 11′ miteinander sowie der Kreuzungspunkte 14 und 15 dieser beiden Linien mit der Wirk­ linie 13 der resultierenden Druckkraft Fp liegen. Eine mögliche Lage des Anlenkpunktes 7 und der daraus resultierenden Wirklinie 16 der Antriebskraft Fa ist für einen vorgegebenen Öffnungswinkel der kegelförmigen Sitzkontur 4 im unteren Teil der Fig. 1 dargestellt. Wichtig ist bei der Ermittlung auch, daß die Wirklinie 16 der Antriebs­ kraft Fa innerhalb der Kreuzungspunkte liegt, nicht aber eine Lage genommen wird, die einen der Kreuzungspunkte 12, 14, 15 schneidet.

In diesem Sinn sind in Fig. 2 weitere mögliche Lagen für Wirkungslinien 16′, 16′′ der Antriebskraft Fa, mit entsprechender Anordnung und Lage des Anlenkpunktes 7, illustriert, die ebenfalls die vorgenannten Bedingungen erfüllen und von daher in gleicher Weise grundsätzlich im Sinne der Aufgabenlösung genommen werden können. Bevorzugt soll aber die Wirkungslinie 16′a die Sitzmittellinie 5 links von dem Kreuzungspunkt 17, der sich aus dem Schnitt der Hilfslinie 17′ vom Punkt 14 parallel zur Sitzkonturmittelachse mit der Sitzmittellinie 5 ergibt, schneiden.

Die Lote 10, 11 und ihre Verlängerungslinie 10′, 11′ verlaufen abhängig vom Öffnungswinkel der kegelförmigen Sitzkontur 4 und der Neigung der Sitzmittellinie 5 durchaus unterschiedlich. Dies ist in Fig. 3 illustriert. Dort hat die Sitzmittellinie 5 einen deutlich schrägeren Verlauf als nach den Fig. 1 und 2. Es sind wieder denkbare Anlenkpunkte und damit verbundene Lagen von Wirklinien 16′′′ und 16′′′′ für die Antriebskraft Fa illustriert.

Aus den Fig. 2 und 3 ist ersichtlich, daß prinzipiell ohne weiteres mögliche Anlenkungen der Antriebskraft Fa stark verschoben in Richtung des Lotes 10 liegen können. Unter Beachtung der Betriebszustände und der daraus resultierenden Druckwiderstände der Strömung und den Druck­ kräften bei geschlossenem Betriebszustand sollte jedoch eine zu starke Verschiebung in diese Richtung vermieden werden. Es hat sich für die Optimierung der Lage als zweckmäßig erwiesen, den Öffnungswinkel im Bereich zwischen 60 und 115° zu wählen. Ein Neigungswinkel der Sitz­ mittellinie 5 zur Mittellinie der kegelförmigen Sitzkontur in der Größen­ ordnung von 15-45° ist bevorzugt. Als eine besonders günstige Lage des Anlenkpunktes ist auch anzusehen, wenn der Ort des Anlenkpunktes (7) der Antriebskraft Fa an den Verschlußkörper 1 so gelegt wird, daß für die Betriebszustände der geöffneten und der geschlossenen Armatur die Resultierenden des Druckwiderstandes aus der Strömung und die der Druck­ kraft Fp und der Antriebskraft Fa relativ dicht beieinanderliegend die Sitzmittellinie 5 kreuzen. Auf diese Weise kann insbesondere der Verschlußkörper 1 zugleich auch ohne oder mit nur sehr geringem konstruk­ tiven Aufwand in stabiler Lage in der Strömung eines fließenden Mediums gehalten werden.

Claims (5)

1. Armatur mit einem Verschlußkörper (1), einem Antriebsglied (6), an dem der Verschlußkörper (1) angelenkt (7) ist und einem gehäuseseitigen Sitz (3) mit einer schräg zur Mittellinie einer kegelförmigen Sitzkontur (4) liegenden Sitzmittellinie (5), dadurch gekennzeichnet, daß der Anlenkpunkt (7) der Antriebskraft (Fa) am Verschlußkörper (1) so gewählt ist, daß die Wirklinie (16, 16′, 16′a, 16′′, 16′′′, 16′′′′) der Antriebskraft (Fa) sowohl beide Verlängerungslinien (10′, 11′) der in den Kreuzungspunkten (8, 9) der Sitzmittellinie (5) mit der kegelförmigen Sitzkontur (4) errichteten Lote (10, 11) wie auch die Sitzmittellinie (5) schneidet, und zwar die Verlängerungslinien (10′, 11′) in solchen Linienbereichen, die zwischen dem Kreuzungspunkt (12) der Verlängerungslinien (10′, 11′) miteinander und den Kreuzungspunkten (14, 15) dieser Verlängerungslinien (10′, 11′) mit der Resultierenden (13) der Druckkraft (Fp) liegen.

2. Armatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkungslinie (16′a) die Sitzmittellinie (5) links von einem Kreuzungspunkt (17), der sich aus dem Schnitt einer Hilfslinie (17′) vom Kreuzungspunkt (14) parallel zur Sitzkantenmittelachse mit der Sitzmittellinie (5) ergibt, schneidet.

3. Armatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anlenkpunkt (7) der Antriebskraft (Fa) an den Verschlußkörper (1) desweiteren so gelegt ist, daß für die Betriebszustände der geöffneten und geschlossenen Armatur die Resultierende des Druckwiderstandes aus der Strömung und diejenige (13) der Druckkraft (Fp) und die Wirklinie (16, 16′. . .) der Antriebskraft (Fa) dicht beieinanderliegend die Sitzmittellinie (5) kreuzen.

4. Armatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Öffnungswinkel der kegelförmigen Sitzkontur (4) in einem Bereich zwischen 60 und 115° liegt.

5. Armatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sitzmittellinie (5) zur Mittellinie der Sitzkontur (4) eine Neigung im Bereich von 15-45° hat.