DE69715429T2

DE69715429T2 - Direkt gesteuertes kugelventil

Info

Publication number: DE69715429T2
Application number: DE69715429T
Authority: DE
Inventors: Lennart Nilsson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-09-09
Filing date: 1997-06-11
Publication date: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2017-06-12
Also published as: EP0923688A1; SK283609B6; EP0923688B1; DE69715429D1; SK24199A3; WO1998010207A1; SE9603267L; PL183971B1; SE9603267D0; PL331931A1; AU3200497A; ATE224022T1; CA2263182C; SE510129C2; US6149125A; CA2263182A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelventil, das durch manuelle Betätigung beispielsweise unter Verwendung von elektrischen, pneumatischen und hydraulischen Mitteln direkt steuerbar ist. Bei bisherigen Versuchen wurde das Ventil in erster Linie durch Hydraulikmittel gesteuert. Es ist ein beispielsweise durch Hydraulikmittel gesteuertes Kugelventil entwickelt worden, das die Aufgabe löst, ein Ventil zu schaffen, das kleine Dimensionen aufweist und das zur Steuerung von Flüssigkeiten, insbesondere von Flüssigkeiten unter hohen Drücken, einsetzbar ist.
Ein Ventil gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der EP-A-101 589 bekannt.
Die Erfindung wurde insbesondere als Lösung für ein Ventil entwickelt, das zum Einsatz in Schneekanonen geeignet ist, bei denen relativ große Mengen an Wasser unter hohem Druck von bis zu 40 bar durch das Ventil strömen, bei denen ein Öffnen und Schließen des Ventils in ruhiger und stetiger Weise gewährleistet sein muß und bei denen das Ventil hohen Drücken und großen Mengen an durchströmenden Wasser standhalten muß, wie sie beispielsweise bei Schneekanonen auftreten.
Es sei darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Ventil sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten verwendet werden kann, wenn es auch im folgenden hauptsächlich als ein Ventil für Flüssigkeiten, insbesondere für Wasser, beschrieben wird.
Es sind für besagte Zwecke viele verschiedene Arten von Ventilen im Stande der Technik bekannt, z. B. Plattenventile, Kegelventile und Drehkugelventile, die einen Durchflußkanal in der Ventilkugel aufweisen. Alle derartigen Ventile haben Nachteile bei ihrer Verwendung als hohen Flüssigkeitsdrücken ausgesetzte Ventile. Der Druck der Flüssigkeit kann es schwierig machen, das Ventil zu öffnen, da das Öffnen durch eine Bewegung in einer zum Flüssigkeitsdruck entgegengesetzten Richtung erfolgen muß; es kann sich schwierig gestalten, das Ventil in ruhiger Weise zu schließen, da die Flüssigkeit in Abhängigkeit von ihrem Druck gegen die Ventilplatte oder den Ventilkegel zu einer schnellen und gewaltsamen Schließbewegung führen kann; in vielen Fällen kann der Flüssigkeitsdruck gegen den Ventilkegel oder gegen die drehbare Ventilkugel eine hohe Reibung erzeugen, die überwunden werden muß; in einigen Fällen kann der hohe Flüssigkeitsdruck zu einem ungewollten teilweisen Öffnen des Ventils führen; die schnelle Bewegung der Flüssigkeit unter hohem Druck kann ferner zu einer Aushöhlung führen, die sowohl den Ventilkegel als auch den Ventilsitz schädigt. Im übrigen sind viele bekannte Ventile so groß, daß sie nicht für den Einsatz in Schneekanonen geeignet sind.
Erfindungsgemäß werden die obigen Probleme durch ein Kugelventil nach dem Patenanspruch 1 gelöst. Bei diesem Kugelventil ist das Ventilelement als eine glatte Kugel ausgebildet, die durch einen hydraulischen Druckkolben bewegbar betätigt wird, wobei die Öffnung des Ventils derart ausgebildet ist, daß der hydraulische Druckkolben die Ventilkugel seitlich aus dem Ventilsitz heraus mit einer Kraft herausdrückt, die eine entgegen der Durchflußrichtung des Wassers durch das Ventil gerichtete erste Kraftkomponente und eine zweite Kraftkomponente aufweist, die senkrecht zu der Durchflußrichtung gerichtet ist, und wobei das Schließendes Ventils durch den Flüssigkeitsdruck gegen die Ventilkugel erreicht und der Hydraulikkolben vorzugsweise eingesetzt wird, um die Schließbewegung der Kugel zu unterbrechen.
Zur Gewährleistung eines einwandfreien Betriebs und eines automatischen Schließens des Ventils, wenn der hydraulische Betätigungskolben zurückgezogen wird, ist die Bahn, in der die Ventilkugel bewegbar ist, zumindest geringfügig nach hinten geneigt, also vom Ventilsitz aus gesehen stromauf entgegen der Wasserströmung, wodurch folglich das Öffnen des Ventils durch eine Kraftkomponente senkrecht zur Strömungsrichtung und eine Kraftkomponente parallel zu und entgegen der Strömungsrichtung erreicht wird. Durch diese Konstruktion kann das Ventil sanft und sicher mit einer relativ kleinen Kraft geöffnet und gleichermaßen sanft und sicher geschlossen werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der hydraulische Ventil-Betätigungskolben in bezug auf die Ventilkugel in einer solchen Stellung befestigt und angeordnet, daß der Kolben beim Aufbringen der Kraft auf die Ventilkugel in Öffnungsrichtung an der Ventilkugel entlang einer Kraftlinie angreift, die in Durchflußrichtung gesehen stromauf des Kugelzentrums angeordnet ist, wodurch die Kugel durch zumindest teilweises Herausrollen aus dem Ventilsitz geöffnet wird. Während der letzten Phase der Öffnungsbewegung betätigt der Hydraulikkolben die Ventilkugel in einer Richtung nahe dem Kugelzentrum.
Der Ventilsitz weist einen Dichtungsring aus einem elastomeren Material auf, um einen gute Dichtung gegen die Ventilkugel zur Verfügung zu stellen, wobei der Ring in einer Aussparung des Ventilsitzes sitzt. Ein typisches Problem bei Ventilen der bekannten Art besteht darin, daß der Dichtungsring in Abhängigkeit von der hohen Flüssigkeitsgeschwindigkeit und des hohen Flüssigkeitsdrucks aus seiner Befestigungs-Aussparung herausgerissen oder -gepreßt und dadurch aus dem Ventilsitz herausgespült werden kann. Zur Lösung dieses Problems ist der Ventilsitz mit einem Stützring aus Metall, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, ausgebildet, der an dem stromabgelegene Ende und der Innenseite des elastomeren Rings angreift und ihn dadurch in Stellung hält und ein Ausreißen des elastomeren Rings aus dem Ventilsitz unterbindet.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung deutlich, wobei in der Beschreibung auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein erfindungsgemäßes hydraulisch gesteuertes Ventil in seinem geschlossenen Zustand. Fig. 2 zeigt in gleicher Weise wie in Fig. 1 das Ventil in seinem vollständig geöffneten Zustand. Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des in Fig. 1 mit einer Strichlinie eingekreisten Bereichs. Fig. 4 zeigt schematisch und in fünf Stufen die Bewegung der Ventilkugel und die Betätigungsbewegung des Hydraulikkolbens während der Öffnungsbewegung.
Das in der Zeichnung gezeigte Ventil weist allgemein ein Ventilgehäuse 1 mit einer Ventileinrichtung 2, die in einem Durchflußkanal 3 angeordnet ist, sowie eine hydraulische Einrichtung 4 zum Öffnen des Ventils und zum gebremsten Schließen des Ventils auf.
Das Ventilgehäuse 1 weist einen Durchflußkanal 3 auf, der sich durch das Ventil von einem Einlaß 5 durch die Ventileinrichtung 2 hindurch zu einem Auslaß 6 gerade hindurcherstreckt. Benachbart zum Einlaß 5 ist eine Anschlußeinrichtung 7 für eine Flüssigkeit unter einem hohen Druck angeordnet, und der Auslaß ist mit einer Flüssigkeits- Verbraucherstelle 8 verbunden, die, falls es sich bei der Verbraucherstelle 8 um eine Schneekanone handelt, als ein Ring aus Spritzdüsen zur Herstellung von Kunstschnee ausgebildet sein kann. Das Ventilgehäuse weist einen Ventilsitz 9 auf, der in dem Durchflußkanal 3 angeordnet ist und dem gegenüber zur Bildung einer Dichtung ein als Kugel ausgebildetes Ventil-Schließelement 10 angeordnet ist. Im Ventilgehäuse ist eine Bahn 11 ausgebildet, in der die Ventilkugel 10 bewegt werden kann, wenn das Ventil durch Herausdrücken der Ventilkugel 10 aus dem Ventilsitz 9 durch die hydraulische Steuereinrichtung 4 geöffnet wird. Aus herstellungstechnischen Gründen ist die Bahn 11 an der Oberseite des Ventilgehäuses offen, wobei die Öffnung an der Ventilgehäuse-Oberseite durch eine Schraubkappe 12 abgedichtet ist. Erfindungsgemäß ist die Bahn 11 für die Kugel 10 um einen gegen die Strömungsrichtung der Flüssigkeit gerichteten Winkel von 10-30º oder vorzugsweise einen Winkel von 15-25º geneigt. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Ventilkugel selbstschließend ausgebildet sein soll, wobei die Kugel in Schließrichtung durch die Strömung der Flüssigkeit betätigt wird, die eine radial nach innen zur Mitte des Kanals 3 gerichtete erste Kraftkomponente und eine parallel zur Strömungsrichtung gegen den Ventilsitz gerichtete zweite Kraftkomponente aufweist. Die Ventilkugelbahn 11 weist eine solche Länge auf, daß die Ventilkugel 10 im vollständig geöffneten Zustand im wesentlichen den gesamten Durchflußkanal 3 freigibt. Damit vermieden wird, daß die Ventilkugel 10 aus der Bahn 11 (in Richtung des Einlasses 5) herausrollt, ist in dem Durchflußkanal 3 nahe des Einlasses 5 ein Verriegelungsstift 13 angeordnet.
Wie üblich ist das Ventilgehäuse 1 mit Verbindungsmitteln, wie z. B. Verbindungsbohrungen 1a ausgebildet, die eine Befestigung des Ventils an einem geeigneten Ort ermöglichen.
Wie es am besten in den Fig. 3 und 4 zu sehen ist, weist der Ventilsitz 9 einen Dichtungsring 14 vorzugsweise aus einem elastomeren Material auf, der in einer Aussparung 15 des Ventilgehäuses 1 befestigt ist. Um das Risiko auszuräumen, daß der Dichtungsring 14 durch die Strömung 7 der mit einer hohen Geschwindigkeit und einem hohen Druck von häufig bis zu 10 bar passierenden Flüssigkeit aus der Aussparung 15 herausgedrückt wird, ist der Dichtungsring 14 mit einem Stützring 16 aus Metall, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, ausgebildet, der eine rechtwinklige Querschnittsform aufweist und der an dem stromabgelegenen Ende und der Innenseite des elastomeren Rings 14 angreift. Der Stützring 16 greift mit seinem radial nach außen gerichteten Winkelabschnitt in die Ventilgehäuseaussparung 15 ein und weist eine geringfügig kleinere axiale Länge auf als der Dichtungsring 14, so daß die Ventilkugel 15 nur an dem elastomeren Ring angreift, nämlich an seinem inneren rückwärtigen Rand.
Die hydraulischen Steuermittel 4 sind in einer Ausnehmung 17 des Ventilgehäuses 1 aufgenommen, die im wesentlichen auf einer Linie mit der Bahn 11 für die Ventilkugel 10 angeordnet ist. Die Steuermittel umfassen einen Zylinder 18, in dem ein Kolben 19 mit einer Kolbenstange 20 bewegbar ist. Der Zylinder 18 ist über schematisch dargestellte Schrauben mit dem Ventilgehäuse 1 verschraubt. Zur Zentrierung und Stabilisierung der Kolbenstange 20 weist der Zylinder an dem dem Durchflußkanal benachbarten Zylinderende eine Kolbenstangenführung 21 auf. Am Boden des Zylinders 18 ist ein Anschluß 22 zum Einfüllen einer hydraulischen Flüssigkeit unter Druck in den Zylinder angeordnet. Die Kolbenstange ist durch O-Ringe wohl gegen die Führung 21 als auch gegen das Ventilgehäuse nahe dem Durchflußkanal 3 abgedichtet. Zum Ablassen von eventuell aus dem Durchflußkanal 3 in Richtung des Kolbens eintretendem Wasser ist ein Ablaßkanal mit einem über dem oberen Ende der Kolbenstangenführung 21 angeordneten Auslaß 23 vorgesehen, und zum Ablassen von in die Führung 21 eingepreßtem Öl ist ein entsprechender Öl-Ablaßkanal mit einem Auslaß 24 vorgesehen.
Wie es der Zeichnung zu entnehmen ist und am deutlichsten aus der schematischen Darstellung in Fig. 4 hervorgeht, ist die Kolbenstange 20 derart in bezug auf die Kugel 10 angeordnet, daß die Kolbenstange 20 an der Kugel auf einer Betätigungslinie stromauf des Kugelzentrums angreift, wenn sich die Kugel in ihrer Schließstellung befindet. Dadurch rollt die Ventilkugel 10 zumindest teilweise über den oberen Rand des elastomeren Rings 14, wenn sie durch die Kolbenstange 20 aus dem Ventilsitz 9 gedrückt wird. Eine derartige Betätigung vermeidet Reibung und Verschleiß sowohl der Kugel 10 als auch des elastomeren Rings 14. In Fig. 4 ist gezeigt, daß sich die Kugel 10 mit Bewegung der Kugel in der Bahn 11 nach oben mit ihrem Zentrum zunehmend immer weiter der Betätigungslinie der Kolbenstange 20 nähert, und daß das Drücken der Kugel mit der Kolbenstange 20 zum Ende hin direkt gegen das Zentrum 25 der Kugel 10 wirkend erfolgt. Der Öffnungsvorgang wird also sicher mit relativ kleiner Kraft durchgeführt. Wenn das Ventil geschlossen werden soll, drückt der Wasserdruck die Kugel 10 nach unten und in einer Bewegung stromabwärts in den Durchflußkanal 3. Dadurch wirkt das Ventil selbstschließend. Zur Vermeidung eines zu schnellen und gewaltsamen Schließens des Ventils kann der Druck des Hydrauliköls im Zylinder 18 nach und nach reduziert werden, so daß das Schließen des Ventils sanft und in einer kontrollierten Bewegung erfolgt.
Durch Einstelle der hydraulischen Steuermittel 4 derart, daß die Kolbenstange 20 die Ventilkugel 10 in verschiedenen "geöffneten" Stellungen im Durchflußkanal 3 blockiert, ist es sehr gut möglich, in der bestimmten Stellung den Durchfluß von Flüssigkeit durch den Kanal 3 zu steuern, wodurch der Durchfluß von Flüssigkeit von einem sehr kleinen bis zu einem maximalen Durchfluß gesteuert werden kann.
Um zu vermeiden, daß Strömungsmedium, insbesondere Wasser, in Leitungen etc. verbleibt, ist an der Auslaßseite des Ventils das Ventilgehäuse nahe dem Ventilsitz mit einem Ablaßventil 26 ausgebildet, das geöffnet wird, sobald das Ventil geschlossen worden ist, so daß verbleibendes Wasser abgelassen wird.

BEZUGSZEICHEN

1 Ventilgehäuse
1a Verbindungsbohrung
2 Ventileinrichtung
3 Durchflußkanal
4 hydraulische Steuereinrichtung
5 Einlaß
6 Auslaß
7 Flüssigkeits-Anschluß
8 Flüssigkeits-Verbraucherstelle
9 Ventilsitz
10 Ventilkugel
11 Bahn
12 Schraubkappe
13 Verriegelungsstift
14 Dichtungsring
15 Aussparung
16 Stützring
17 Ausnehmung
18 Zylinder
19 Kolben
20 Kolbenstange
21 Kolbenstangenführung
22 hydraulischer Anschluß
23 Wasserausläß
24 Ölauslaß
25 Kugelzentrum
26 Ablaßventil

Claims

1. Direkt gesteuertes Kugelventil für Fluide, das ein Ventilgehäuse (1) mit einem Kanal (3) für den Durchfluß eines Fluids, einen in dem Durchflußkanal (3) angeordneten Ventilsitz (9), eine Ventilkugel (10), die in Richtung auf den Ventilsitz (4) von diesem wegbewegbar ist, und eine Betätigungseinrichtung (4) zum direkten Einwirken auf die Ventilkugel (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilkugel in einer Bahn (11) in dem Ventilgehäuse (1) bewegbar ist, die als Ausnehmung ausgebildet ist, um die Ventilkugel in der Ventil-Offenstellung derart zu halten, daß im wesentlichen der gesamte Durchflußkanal freigegeben ist, und die sich vom Ventilsitz (9) stromauf der Fluidströmung schräg nach hinten erstreckt, und daß die Betätigungseinrichtung (4) eine Kolbenstange (20) aufweist, die die Ventilkugel (10) in eine Richtung weg von dem Ventilsitz (4) und in die Bahn (11)für die Kugel drücken kann.

2. Kugelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn (11)für die Ventilkugel (10) in dem Ventilgehäuse (1) um einen gegen die Strömungsrichtung der Flüssigkeit gerichteten Winkel (v) von 10-30º oder vorzugsweise 15-25º geneigt ist.

3. Kugelventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (20) der Betätigungseinrichtung (4) derart angeordnet ist, daß sie in derselben Richtung betätigt wird, wie die Axialrichtung der Bahn (11) für die Ventilkugel (10) in dem Ventilgehäuse (1).

4. Kugelventil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilkugel (10) zwischen dem Ventilsitz (9) und dem Ende der Bahn (11) für die Ventilkugel (10) frei bewegbar ist und daß die Ventilkugelbahn (11) eine solche Länge aufweist, daß die Ventilkugel bei vollständig geöffnetem Ventil im wesentlichen den gesamten Durchflußkanal (3) freigibt.

5. Kugelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung einen Hydraulikzylinder (18) mit einem Kolben (19) und einer Kolbenstange (20) aufweist, die direkt an der Ventilkugel (10) anliegt, wobei die Kolbenstange (20) in ihrer zurückgezogenen Stellung ein vollständiges Schließen des Ventils gestattet und ihrer vollständig ausgefahrenen Stellung den Durchflußkanal (3) im wesentlichen vollständig freigibt.

6. Kugelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (29) derart ausgebildet und in Bezug auf die Ventilkugel (10) angeordnet ist, daß sie in der Schließstellung der Kugel (10) an der Kugel (10) auf einer gedachten Linie anliegt, die das Zentrum (25) der Kugel (10) geringfügig rückwärtig passiert, wodurch die Kugel aus einer Schließstellung aus dem Ventilsitz (9) herausgerollt werden kann.

7. Kugelventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (9) und die Bahn (11) für die Ventilkugel (10) derart ausgebildet sind, daß sich die Betätigungslinie der Kolbenstange (20) dem Zentrum (25) der Kugel (10) zunehmend nähert, nachdem die Kugel (10) aus dem Ventilsitz (9) herausgedrückt worden ist.

8. Kugelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (9) einen Ventil- Dichtungsring (14) aus einem elastischen Material und einen abgewinkelten Stützring (16) aus Metall aufweist, der an der Innenfläche und der stromab gelegenen Seite des Ventils- Dichtungsrings (14) anliegt, und Baß der Ventil-Dichtungsring (14) mit dem Stützring (16) in einer Aussparung (15) des Durchflußkanals (3) befestigt ist.

9. Kugelventil nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydraulikzylinder (18) eine Kolbenstangen-Führung (21) umschließt, daß eine Ablauföffnung (23) für eventuell zwischen die Kolbenstangen-Führung (21) und den Durchflußkanal (3) des Ventilgehäuses (1) eintretendes Strömungsmediums vorgesehen ist, und daß eine weitere Ablauföffnung (24) für eventuell in die Kolbenstangen-Führung (21) eintretendes Hydrauliköl vorgesehen ist.

10. Kugelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse auf seiner stromabgelegenen Seite der Ventileinrichtung (4) ein Ablaßventil (26) zum Ablassen von verbleibender Flüssigkeit (8) auf der Auslaßseite des Ventils, wenn das Ventil geschlossen ist, vorgesehen ist.