DE4409991A1 - Regelbarer Kugelhahn - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen regelbaren Kugelhahn nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Kugelhähne sind für die verschiedensten Nennweiten als Absperrarmaturen bekannt. Das Kugelküken weist einen diametralen Kanal auf, der mit diametral angeordneten An­ schlüssen (Eingang-Ausgang) ausrichtbar ist. Das Kugelkü­ ken kann schwimmend, einseitig oder doppelseitig gelagert sein, je nach den gewünschten Anforderungen. Wird im Zuge eines Strömungsweges auch eine Regelung benötigt, wird normalerweise ein zusätzliches Regelventil eingesetzt. Eine derartige Anordnung ist jedoch verhältnismäßig auf­ wendig.

Es ist daher aus der EP 0 489 296 auch bekannt­ geworden, in das Kugelküken ein Regelorgan zu integrieren, das separat betätigt wird. Eine Möglichkeit besteht bei­ spielsweise darin, das Regelorgan nach Art eines Platten­ schiebers mehr oder weniger weit in den Durchgang des Kugelkükens hineinstehen zu lassen. Eine andere bekannte Ausgestaltung sieht einen am Ende einer Verstellwelle vorstehenden zapfenartigen Abschnitt vor, der im Schnitt segmentförmig ist zum wahlweisen Abschließen des Eingangs oder des Ausgangs des Kugelhahns.

Der bekannte regelbare Kugelhahn ist mit einigen Nachtei­ len behaftet. Sie ergibt sich eine verhältnismäßig ungün­ stige Regelkennlinie. Im übrigen bildet das zapfenartige Regelorgan eine relativ scharfe Kante, was im Hinblick auf die Strömungsbedingungen nachteilig ist. Bei einem Ver­ schleiß wird der Regelzapfen zusammen mit der Welle aus­ getauscht. Dies ist bei hochwertigen Werkstoffen verhält­ nismäßig aufwendig. Bei dem bekannten Kugelhahn ist das Kugelküken schwimmend gelagert. Es ergibt sich mithin bei einem Auswechseln des Regelorgans eine mehr oder weniger starke Leckage, wenn zwischen einem Ausgang des Kugelhahns ein entsprechendes Druckgefälle besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen regelbaren Kugelhahn zu schaffen, der sich durch eine günstige Regel­ charakteristik auszeichnet sowie durch ein gutes Strömungs­ verhalten.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Kugelhahn schließt sich an den kreisbogenförmigen Umfangsabschnitt des Regelorgans ein spiralförmiger Umfangsabschnitt an, der über einen konka­ ven Umfangsabschnitt in den kreisbogenförmigen Umfangsab­ schnitt wieder übergeht. Der kreisbogenförmige Abschnitt schmiegt sich relativ eng an die Bohrungswandung an und verschließt den Durchgang durch das Kugelküken, wenn das Regelorgan die entsprechende Winkelstellung einnimmt. Der im Querschnitt spiralförmige Umfangsabschnitt entfernt sich vom kreisbogenförmigen Umfangsabschnitt ausgehend zu­ nehmend von der Bohrungswandung bis zu einem Maximum, das etwa 180° vom Ende des kreisbogenförmigen Umfangsab­ schnitts entfernt liegt. Im Anschluß daran verläuft ein konkaver Umfangsabschnitt bis zum Beginn des kreisbogen­ förmigen Abschnitts zurück. Bei entsprechender Ausbildung oder Bemessung des spiralförmigen Umfangsabschnitts kann der konkave Abschnitt auch durch einen mehr oder weniger geraden Abschnitt ersetzt werden.

Wird das Regelorgan über die zugehörige Verstellwelle ge­ dreht, wird ein mehr oder weniger großer Spalt zum Bei­ spiel zum Eingangsabschnitt des Durchgangs im Kugelküken freigegeben. Die Strömung trifft dann auf einen sich stetig bis zum anderen Abschnitt des Durchgangs stetig vergrößernden Querschnitt.

Mit Hilfe eines derartig ausgebildeten Regelorgans läßt sich ein sehr gutes Stellverhältnis erreichen, d. h. eine relativ gleich gute "Empfindlichkeit" unabhängig vom Stellwinkel. Außerdem ergibt sich ein einwandfreies Strö­ mungsverhalten ohne Turbulenz und Gefahr von Kavitation.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Regelorgan ein von der zugehörigen Verstellwelle getrenn­ tes Bauteil, das mit einem im Querschnitt kreisförmigen Lagerabschnitt am Blindende der Bohrung des Kugelkükens drehbar gelagert ist. Das andere Ende stößt gegen die separate Verstellwelle, wobei geeignete Kopplungsmittel zwischen Regelorgan und Verstellwelle vorgesehen sind, um eine Drehmomentübertragung zu ermöglichen. Diese kann zum Beispiel durch mindestens einen Stift erfolgen, der in Bohrungen von Regelorgan und Verstellwelle einsitzt. Bei Verschleiß des Regelorgans braucht daher nur dieses ausge­ tauscht zu werden. Dies ist insbesondere bei hochwertigen Werkstoffen von Vorteil.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Kugelküken doppelt gelagert. Die doppelte Lagerung des Kugelkükens erlaubt einen betriebssicheren Austausch des Regelorgans in der Schließstellung des Kugelhahns.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Kugelküken einander diametral gegenüberliegende ra­ diale Bohrungen aufweist, die dem Durchgang benachbart liegen und in der Schließstellung des Kugelkükens von den Anschlüssen getrennt sind. Vorzugsweise sind die radialen Bohrungen so angeordnet, daß sie bei etwa 45°-Stellung des Kugelkükens sämtlich zum zugekehrten Anschluß ausgerichtet sind. Auf diese Weise kann eine zweistufige Regelung er­ reicht werden. Die eine betrifft die bereits erwähnte in der Offenstellung des Kugelhahns bei einer Verstellung des Regelorgans zwischen etwa Null und 90°. Die zweite Stufe ermöglicht eine Regelung bei nach wie vor geschlossenem Kugelküken, das sich jedoch in einer Zwischenstellung, beispielsweise in einer 45°-Stellung befindet. In dieser sind die radialen Bohrungen zu den Anschlüssen des Kugel­ hahns ausgerichtet und können durch eine entsprechende Überdeckung vom Regelorgan mehr oder weniger geöffnet bzw. geschlossen werden.

Dadurch, daß das Regelorgan von der Verstellwelle getrennt ist, läßt es sich auch um 180° versetzt einsetzen, so daß entweder eine Regelung druckeingangsseitig oder druckaus­ gangsseitig stattfindet.

Die Bohrung des Kugelkükens kann mit einer Buchse aus hochfestem Material ausgekleidet werden, um den Verschleiß bei abrasivem Material klein zu halten. Die Buchse kann auch unter Druck ausgewechselt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen regelbaren Kugelhahn nach der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Untersicht des Kugelhahns nach Fig. 1.

Fig. 3a bis e zeigen einen Schnitt senkrecht zur Zeichen­ ebene durch den Kugelhahn nach Fig. 1 bei verschie­ denen Positionen von Kugelhahn und Regelorgan.

Fig. 4a bis e zeigen ähnliche Schnittdarstellungen wie Fig. 3a bis e, jedoch mit einer anderen Ausgestal­ tung des Kugelhahns.

Der in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Kugelhahn 10 weist ein Gehäuse 11 auf, das ein Kugelküken 12 lagert. Das Kugelküken hat einen diametralen Durchgang 14, der mit Anschlüssen 16, 18 ausgerichtet ist, wenn sich das Kugel­ küken 12 in Öffnungsstellung befindet. Das Kugelküken ist doppelt gelagert, nämlich bei 20 im oberen Bereich und bei 22 im unteren Bereich durch entsprechende radiale Bunde des Kugelkükens 12 und entsprechende Ausnehmungen im Kugel­ hahngehäuse 11. Das Kugelküken 12 ist in nicht näher dar­ gestellter Art und Weise mit einer Verstellwelle 24 ver­ bunden, die drehbar im Gehäuse 11 gelagert ist. Eine durch eine Tellerfeder 26 beaufschlagte Stopfbuchse 28 sorgt für eine geeignete Abdichtung. Auf der Verstellwelle sitzt ein Handhebel 30 zur Verdrehung des Kugelkükens 12. Mit dem Handhebel 30 ist ein federbeaufschlagter Sperrstift 32 verbunden, der in der Öffnungs- bzw. Schließstellung des Kugelkükens 12 in eine entsprechende Ausnehmung an der Oberseite des Gehäuses 11 einrastet.

Das Kugelküken 12 weist eine Blindbohrung 34 auf, die mit­ tig von unten eingebracht ist und mithin den axialen Durchgang 14 kreuzt. In der Bohrung 34 sitzt eine Buchse B aus hochfestem Material, wie Hartmetall oder Keramik. Sie hat diametral Öffnungen, die zu dem Durchgang 14 ausge­ richtet werden können und gleichen Durchmesser wie dieser haben. In der Buchse 13 sitzt ein Regelorgan 36, das am oberen Bereich einen kreisförmigen Abschnitt 38 aufweist, das drehbar am Blindende der Bohrung 34 gelagert ist. Die Querschnittsform des Regelorgans 36 geht aus den Fig. 3 und 4 hervor. Dort ist jedoch die Buchse 13 der Einfach­ heit halber fortgelassen.

Eine zweite Verstellwelle 38 ist der Verstellwelle 24 dia­ metral gegenüberliegend ebenfalls im Gehäuse 11 drehbar gelagert. Eine Stopfbuchsendichtung 40 wird von einer Tellerfeder 42 beaufschlagt und sorgt für eine entspre­ chende Abdichtung der Welle 38 im Gehäuse 11. Außerhalb des Gehäuses 11 sitzt ein Verstellhebel 44 auf der Welle 38. Ein Anschlagstift 46 ist mit dem Verstellhebel 44 ver­ bunden und wirkt mit einem Anschlag 44 an der Unterseite des Gehäuses 11 zusammen, um die Verstellung zu begrenzen. Die Verstellwelle 38 hat einen im Durchmesser erweiterten Mitnehmerabschnitt 48, der ebenfalls drehbar in der Boh­ rung 34 gelagert ist. Die Oberseite des Mitnehmerabschnitts 48 ist entsprechend der Querschnittskontur des Verstell­ organs 36 mit einer Ausnehmung 50 versehen. Paßstifte, von denen einer in Fig. 1 bei 52 dargestellt ist, wirken mit entsprechenden Bohrungen von Regelorgan 36 und Mitnehmer­ abschnitt 48 zusammen, um das Regelorgan 36 zu verdrehen, wenn die Verstellwelle 38 über den Hebel 44 verdreht wird.

In Fig. 2 ist eine Skala 54 dargestellt, welche den Ver­ stellbereich des Hebels 44 zwischen der geöffneten und der geschlossenen Stellung des Regelorgans 36 andeutet. In Fig. 2 ist die offene Position angedeutet.

Aus den Fig. 3 und 4 geht die Querschnittsform des Regelorgans 36 hervor. Man erkennt, daß über einen Bereich von etwas mehr als 90° ein kreisbogenförmiger Umfangsab­ schnitt 60 vorgesehen ist, der stetig in einem spiralför­ migen Umfangsabschnitt 62 übergeht. Dieser erstreckt sich über einen Umfang von etwas über 180°, zum Beispiel 200°. An diesen schließt sich ein schwach konkaver Abschnitt 64 an. Die Umfangsabschnitte 60, 64 bilden eine relativ stumpfe, gerundete Kante, die mit einem Punkt des Umfangs des zugeordneten Durchgangs 14 zusammenfällt, wenn das Re­ gelorgan 36 in seiner vollständig geöffneten Stellung ist, wie in Fig. 3e dargestellt. In Fig. 3a ist das Kugelküken in der Sperrstellung. Der Durchgang 14 verläuft daher senk­ recht zur gemeinsamen Achse der Anschlüsse 16, 18. In Fig. 3b ist das Kugelküken 12 in der Öffnungsstellung, wie auch in den übrigen Fig. 3c bis 3e. Das Regelorgan 36 ist aus seiner kompletten Sperrstellung, die es hat, wenn in Fig. 3a das Kugelküken 12 in die Öffnungsstellung ver­ dreht wird, um 15° verdreht. Diese Verdrehung erfolgt in den Darstellungen nach Fig. 3 entgegengesetzt der Uhrzei­ gerrichtung. Dadurch gelangt der spiralförmige Umfangsab­ schnitt 62 so eben in den Bereich des Eingangs des Kugel­ hahns. Dadurch kann bereits eine minimale Strömung statt­ finden. Wie erkennbar, erweitert sich der Strömungsquer­ schnitt zum Ausgang stetig. In Fig. 3c ist das Regelorgan 36 aus seiner kompletten Sperrstellung um 30° verdreht, so daß nunmehr ein weitaus größerer Strömungsquerschnitt im Bereich des Eingangs zur Verfügung steht. In Fig. 3d ist er wiederum vergrößert, da die Scheibe um etwa 45° aus der Sperrstellung heraus verdreht worden ist. In Fig. 3e, wie schon beschrieben, ist ein maximaler Querschnitt im Be­ reich des Eingangs erreicht. Eine Weiterdrehung würde da­ her wieder zu einer Drosselung des Ausgangs führen. Daher ist, wie in Fig. 2 dargestellt, der Regelungsbereich auf 90° festgelegt. Soll indessen eine Regelung am Ausgang stattfinden, wird das Regelorgan 36 ausgebaut, indem bei geschlossenem Kugelhahn 12 die Welle 38 entfernt wird. Da­ nach wird das Regelorgan 36 um 180° versetzt eingebaut, so daß nunmehr am Ausgang die gleiche Regelcharakteristik er­ halten werden kann wie beim Eingang gemäß den Fig. 3a bis 3e. Im übrigen kann auch auf die beschriebene Art und Weise ein Auswechseln des Regelorgans 36 vorgenommen wer­ den, um zum Beispiel eine Reparatur vorzunehmen, ein ver­ schlissenes Regelorgan zu ersetzen oder ein etwas andere Querschnittsprofil einzusetzen.

Die Ausführungsform nach Fig. 4 unterscheidet sich dadurch, daß ein anderes Kugelküken vorgesehen ist. Es ist mit 12a bezeichnet. Die übrigen Bezugszeichen sind mit denen nach Fig. 3 identisch, da auch identische Teile gezeigt sind. Wie zu erkennen, ist das Kugelküken 12a diametral gegen­ überliegend mit jeweils drei radialen Bohrungen 70, 72 versehen. Sie sind diametral gegenüberliegend angeordnet und grenzen jeweils an einer Seite an den zugehörigen Ab­ schnitt des Durchgangs 14 an. In der Position nach Fig. 4a ist, wie in Fig. 3a das Kugelküken 12a in der Sperrstel­ lung. Das Regelorgan 36 ist ebenfalls in der Sperrstel­ lung, wie auch in Fig. 3a gezeigt. In den Fig. 4b bis 4e befindet sich das Kugelküken 12a in einer 30°-Stellung, ist daher nach wie vor mit seinem Durchgang 14 von den Anschlüssen 16, 18 abgesperrt. Ein Teil der Bohrungen 70, 72 befindet sich jedoch im Eingangs- bzw. Ausgangsbereich des Kugelhahns, wobei jedoch das Regelorgan 36 die Bohrun­ gen 70 im wesentlichen absperrt, mithin eine Strömung gleichfalls nicht auftritt. In Fig. 4c befindet sich das Kugelküken 12a in einer 45°-Stellung, wobei ebenfalls Ein- und Ausgang voneinander abgesperrt sind. Die Bohrungen 70, 72 sind jedoch voll zu den Anschlüssen 16, 18 ausgerichtet. Das Regelorgan 36 befindet sich in einer 30°-Position, ermöglicht daher eine Drosselung der Strömung zwischen den Bohrungen 70, 72. Die Drosselung wird in der Position nach Fig. 4d deutlich reduziert, in der das Regelorgan 36 eine Verstellung um 45° durchgeführt hat. In Fig. 4e ist das Kugelküken 12a in 90°-Stellung, ebenso das Regelorgan 36. Es findet daher wie in Fig. 3e der am wenigsten behinderte Strömungsdurchgang statt.

Man erkennt mithin aus Fig. 4, daß eine zweistufige Rege­ lung stattfindet, die durch entsprechende Verdrehung von Kugelküken und Regelorgan bewerkstelligt wird.

In den Fig. 1 und 2 wird eine Verstellung von Kugel­ küken und Regelorgan über Handhebel gezeigt. Es versteht sich, daß auch entsprechende Servoantriebe vorgesehen werden können, um eine automatische feinfühlige Verstel­ lung vornehmen zu können, insbesondere des Regelorgans 36.

Durch die 180°-Verdrehung des Regelorgans zur Drosselung entweder des Eingangs oder des Ausgangs lassen sich zwei Regelkennlinien erstellen. Im übrigen kann das Regelorgan 36 mit einem Schneidmesser zum Trennen faserhaltiger Pro­ dukte versehen werden. Die Zweistufenregelung ist insbe­ sondere für hohe Differenzdrücke am Kugelhahn von Vorteil. Das doppelt gelagerte Regelorgan mit stabiler Führung der Schaltwelle benötigt ein schwingungs- und geräuscharmes Regeln.

Claims (9)

1. Regelbarer Kugelhahn mit einem zwei koaxiale Anschlüsse aufweisenden Gehäuse, einem einen diametralen Durchgang aufweisenden Kugelküken zum wahlweisen Verbinden der Anschlüsse über den Durchgang, einem Regelorgan, das in einer sich senkrecht zum Durchgang erstreckenden mit­ tigen Bohrung im Kugelküken verdrehbar angeordnet ist und einen im Querschnitt kreisbogenförmigen Umfangs ab­ schnitt aufweist, der sich an die Wandung der Bohrung anschmiegt und in der Schließstellung des Regelorgans die Verbindung von Durchgang und Bohrung absperrt, und im Gehäuse diametral gegenüberliegend gelagerten Ver­ stellwellen für das Kugelküken und das Regelorgan, da­ durch gekennzeichnet, daß sich an den im Querschnitt kreisbogenförmigen Umfangsabschnitt (60) des Regelor­ gans (36) ein spiralförmiger Umfangsabschnitt (62) an­ schließt, der über einen konkaven Umfangsabschnitt (64) in den kreisförmigen Umfangsabschnitt (60) übergeht.

2. Kugelhahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kreisbogenförmige Umfangsabschnitt (60) sich über einen Winkel von annähernd 90° erstreckt.

3. Kugelhahn nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der spiralförmige Abschnitt (62) sich über einen Winkel von etwa 200 bis 260° erstreckt.

4. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Regelorgan (36) an einem Ende einen im Querschnitt kreisförmigen oder zylindrischen Lagerabschnitt (38) aufweist, der am blinden Ende der Bohrung (34) drehbar gelagert ist, das andere Ende ge­ gen die zugeordnete getrennte Verstellwelle (38) stößt, und zwischen Verstellwelle (38) und dem Regelorgan (36) Kopplungsmittel (52) angeordnet sind zur Übertragung eines Drehmoments.

5. Kugelhahn nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Mitnehmerstift (52) zwischen Verstell­ welle (38) und Regelorgan (36) vorgesehen ist.

6. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kugelküken (12, 12a) doppelt ge­ lagert ist.

7. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kugelküken (12a) einander diame­ tral gegenüberliegende radiale Bohrungen (70, 72) auf­ weist, die dem Durchgang (14) benachbart liegen und in der Schließstellung des Kugelkükens (12a) von den An­ schlüssen (16, 18) getrennt sind.

8. Kugelhahn nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Bohrungen (70, 72) so angeordnet sind, daß sie etwa in der 45°-Stellung des Kugelkükens sämt­ lich zum zugekehrten Anschluß (16, 18) ausgerichtet sind.

9. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung des Kugelkükens mit einer Buchse aus Keramik oder Hartmetall ausgekleidet ist.