-
GEBIET DER
ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Umschaltventile des Typs, der üblicherweise
zum Umlenken von ankommendem Fluid auf einen selektiven von mehreren
Fluidauslässen
aus dem Ventil verwendet wird. Insbesondere betrifft diese Erfindung
ein hoch zuverlässiges
Umschaltventil, welches für
schwierige Einsatzbedingungen geeignet ist.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Umschaltventile
werden bereits seit Jahrzehnten für verschiedene industrielle
Anwendungen eingesetzt, um ein stromauf ankommendes Fluid an eine
von mehreren sich aus dem Umschaltventil erstreckende stromabseitige
Leitungen zu lenken. Herkömmliche
Umschaltventile verwenden im Allgemeinen eine von zwei Grundkonstruktionen:
(1) eine Stopfenventilelement-Konstruktion oder (2) eine Kugelventilelement
mit Balgenkonstruktion.
-
Das
deutsche Gebrauchsmustermodell
DE 90
02 393 offenbart ein Mehrfach-Stopfenventil mit mehreren Auslassöffnungen.
Das Ventil weist einen äußeren Ventilkörper und
einen inneren Ventilstopfen auf. Der innere Stopfen besitzt einen
einen Einlass enthaltenden oberen zylindrischen Teil und einen einen
Auslass enthaltenden unteren kugeligen Teil. Der Stopfen ist um
seine vertikale zylindrische Achse mittels einer Welle drehbar.
DE 90 02 393 beschreibt kein
Ventil mit einem Kugelelement und weist weder eine Belleville-Feder,
welche um den Umfang herum die Körpereinlassöffnung umgibt,
noch ein ringförmiges
Führungselement
auf, das von der Belleville-Feder und dem Kugelelement in Abstand
angeordnet ist. Der O-Ring kann ein Vorspannelement sein, ist jedoch
keine Belleville-Feder. Der Stopfen darin ist hauptsächlich zylindrisch.
-
Stopfen
verwendende Umschaltventile haben sich nicht als sehr zuverlässig erwiesen,
insbesondere wenn die Ventile unter schwierigen automatisierten
Einsatzbedingungen eingesetzt werden. Wenn das Stopfenelement zum
Betreiben des Ventils angehoben und gedreht wird, wird häufig Teilchenmaterie
zwischen dem Stopfenelement und dem Sitz eingeschlossen, welche
den Sitz beschädigen
und somit die Wahrscheinlichkeit einer Leckage vergrößern kann.
Ein typisches mit Öffnungen
versehenes Stopfenventil kann nicht die volle Durchflussmenge des
Rohres verarbeiten, mit welchem es verbunden ist, und ist schwierig
zu automatisieren. Demzufolge werden im Allgemeinen Kugelelement-Umschaltventile
gegenüber
Stopfenelement-Umschaltventilen vorgezogen, wenn sie unter schwierigen
automatisierten Anwendungen eingesetzt werden. Eine übliche schwierige
Einsatzanwendung für
ein Umschaltventil ist ein Koker-Betrieb,
wobei Kohlenwasserstoff von dem Umschaltventil von einer stromauf
liegenden Quelle zu einer von mehreren stromab liegenden Leitungen
gelenkt wird. Der Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass
dieser Einsatztyp für
ein Ventil eine hohe Zuverlässigkeit
erfordert, da aus dem Kohlenwasserstoff erzeugter Koks dazu neigt, bewegliche
Komponenten in dem Ventil zu beschädigen. Weitere Arten von schwierigen
Einsatzbedingungen sind für
den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich.
-
Ein
signifikantes Problem bei herkömmlichen Umschaltventilen
der Kugelvielfalt mit Balgen hängt mit
der Komplexität
des Ventils zusammen. Derartige Ventile besitzen üblicherweise
bis zu 16 Innenteile, einschließlich
einer Kugelanordnung und einem Sitz, einer Hülse, einem Balgen, einer Einsatzdichtung und
einer jedem der mehreren Auslässe
zugeordneten Einsatz. Jeder Balgen dichtet zwischen dem Ventilkörper und
einem entsprechenden Sitz ab und spannt den Sitz für einen
Dichtungseingriff mit der Kugel vor. Die große Anzahl von Teilen erhöht die Wahrscheinlichkeit
eines Ventilausfalls aufgrund eines Ausfalls eines oder mehrerer
dieser Teile. Diese Ventilkonstruktion verwendet einen getrennten
Balgen, welcher einen an jeden der Auslässe angrenzenden Sitz vorspannt,
um die Kugel in der Mitte des Ventilkörpers zu balancieren und zu
zentralisieren. Die Balgenanordnung enthält üblicherweise eine Schweißnaht zwischen
dem Balgen und dem Sitz und diese Anordnung hängt von einer druckentlasteten
Reinigung ab, um zu verhindern, dass die Balgen durch einen Systemüberdruck
beschädigt
werden. Wenn das Ventil Reinigungsdruck verliert, können die Balgen
verformt und das Ventil permanent beschädigt werden.
-
Weitere
Probleme mit herkömmlichen
Umschaltventilen der Kugelvariante betreffen die hohen Wartungskosten
des Ventils. Zum Zerlegen eines herkömmlichen Umschaltventils mit
einer Kugel und mehreren Balgen muss die Schweißnaht von der Hülse zu den
Balgen aufgetrennt und eine neue Hülse vor Ort verschweißt werden.
Da verschiedene schwierige Einsatzbedingungen üblicherweise Chrom-Molybdän-Materialien für diese
Komponenten erfordern, ist dieses Schweißen schwierig und erfordert
eine Entspannung, um die Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung zu
minimieren. Ferner ist die Verwendung eines extrem dünnen Materials
für die
Balgenanordnung erforderlich und es muss sorgfältig ein Material mit hohen
Zugspannungs- und Fließeigenschaften
ausgewählt
werden. Die Balgenanordnungsmaterialien sind somit teuer, und die
dünnen Materialien
könnten
Ventilprüfungen
und eine volle Einsatzleistung im tatsächlichen Einsatz einschränken.
-
Noch
ein weiteres Problem bei ein Kugelelement und mehrere Balgen verwendenden
herkömmlichen
Umschaltventilen besteht darin, dass die Balgenkonstruktion den
Aufbau einer Ansammlung von durch das Ventil hindurch tretendem
Material und die nachteilige Beeinflussung des Ventilbetriebs ermöglicht.
Angesichts der großen
Anzahl von Bereichen, in welchen ein Aufbau stattfinden kann, ist
eine große Anzahl
von Reinigungsöffnungen
in herkömmlichen Kugelumschaltventilen
vorgesehen. Ein großer
Aufwand an Zeit und Kosten ist somit erforderlich, um den Aufbau
von festem Material in diesen Bereichen zu minimieren.
-
Wenn
sich die Kugelöffnung
eines herkömmlichen
Umschaltventils während
der Drehung des Schaftes bewegt, um Fluid von einem Auslass zu einem
anderen Auslass umzuleiten, wird der Hohlraum um die Kugel herum
dem Prozessstrom ausgesetzt. Zusätzlich
entweicht das Hohlraumreinigungsmittel mit der vollen Bohrung der
Kugel, wenn sich die Kugel dreht, und ermöglicht dadurch einen unbegrenzten
Durchfluss und einen hohen Verbrauch des Reinigungsdampfes. Dieser
Dampfverlust ist teuer und der Eintritt von Prozessmaterial könnte zu
einer Blockierung des Ventils führen,
was beides erhebliche Probleme für
diese Konstruktionsart sind.
-
Der
Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass Umschaltventile mit
wenigstens zwei und oft drei Auslassöffnungen besondere Probleme bezüglich ihrer
Konstruktion und ihres Betriebs im Vergleich zu herkömmlichen
Abschalt- oder Steuerventilen mit nur einer Einlassöffnung und
nur einer Auslassöffnung
präsentieren.
Die Nachteile der herkömmlichen
Technik werden durch die vorliegende Erfindung überwunden, und ein verbessertes
Umschaltventil unter Verwendung eines Kugelelementes hierin nachstehend
offenbart. Das Umschaltventil dieser Erfindung ist sehr zuverlässig und
insbesondere für
schwierige Einsatzanwendungen gut geeignet.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Ein
verbessertes Umschaltventil mit einem Kugelelement ist für schwierige
Einsatzanwendungen geeignet. In einer bevorzugten Ausführungsform lenkt
das Kugelelement ankommendes Fluid zu einem ausgewählten von
mehreren Auslässen
um, wobei das Kugelelement innerhalb eines Ventilkörpers mittels
eines Ventilschaftes zur Steuerung der Fluidverbindung zwischen
der Körpereinlassöffnung und einer
ausge wählten
von den mehreren Körperauslassöffnungen
drehbar ist. Eine geeignete Betätigungseinrichtung
wird für
den Antrieb der Drehung des Ventilschaftes empfohlen. Ein Ventilkörper definiert einen
Ventilsitz darauf, der in einem Stück mit dem Ventilkörper und
in Umfangsrichtung um jede von den mehreren Auslassöffnungen
in Abstand angeordnet ist. Eine angrenzend an die Körpereinlassöffnung vorgesehene
Belleville-Feder übt eine
Vorspannungskraft auf das Kugelelement für einen Dichtungseingriff mit
dem Ventilsitz aus.
-
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Umschaltventil
bereitzustellen, welches aus einer Konstruktion Nutzen zieht, welche
einfach ist und wenige bewegliche Teile aufweist. Das Ventil verwendet
einen Sitz, welcher in einen Stück
mit dem Ventilkörper
ausgebildet ist, um eine feste Sitzfläche mit wenigen, wenn überhaupt welchen,
Hohlräumen
hinter dem Sitz bereitzustellen. Eine Belleville-Feder oder ein
anderes Vorspannungselement spannt die Kugel für einen kontinuierlichen Dichtungseingriff
mit der Sitzfläche
vor, wobei das Vorspannelement in Umfangsrichtung um die Fluideinlassöffnung des
Ventils positioniert ist.
-
Es
ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass das Kugelventil
Auslassöffnungen,
welche jeweils eine in einem Winkel von 125° bis 155° in Bezug auf eine mittige Achse
der Körpereinlassöffnung angeordnete
Mittenachse besitzen, nutzen kann, um dadurch die Durchflusskapazität im Vergleich
zu herkömmlichen
Kugelventilen zu verbessern, welche einen Winkel von 90° zwischen
der Einlassöffnung
und jeder Auslassöffnung
verwenden. Diese Konstruktion verbessert das Verhalten des Ventils
durch Reduzieren des Druckabfalls durch das Ventil unter Durchflussbedingungen.
Durch Bereitstellung nur eines Vorspannelementes statt mehrerer Vorspannelemente,
die jedes einer entsprechenden Auslassöffnung zugeordnet ist, kann
das Material des Vorspannelementes in der Dicke vergrößert werden,
um dadurch die Herstellung des Vorspannelementes aus herkömmlicheren
statt teueren Materialien zu ermöglichen.
In der Ausführungsform
gemäß dem Verfahrensanspruch
ist das Umschaltventil mit einer Kugel mit einem Durchmesser von
nur dem zweifachen Durchmesser von jedem der drei Auslassöffnungen
aus dem Ventilkörper
versehen. Durch die Verwendung eines Kugelumschaltventils, welches
keine Balgen verwendet, wird die Zuverlässigkeit des Ventils erhöht. Das
Umschaltventil der vorliegenden Erfindung reduziert auch die Anzahl
der Hohlräume
innerhalb des Ventils, wo sich Schmutz im Vergleich zu einem herkömmlichen
Umschaltventil mit Balgen ansammeln kann, um dadurch die erforderlichen
Reinigungsoperationen zu reduzieren, die für einen zuverlässigen Ventilbetrieb
erforderlich sind. Körper
ausgebildete Ventilsitz ... eine Reinigungskraft gegenüber der
Kugel ausüben,
sobald er innerhalb des Ventilkörpers
gedreht wird, um Schmutz von der Oberfläche der Kugel zu entfernen. Durch
die Bereitstellung eines einteiligen Sitzes auf dem Ventilkörper wird
die Möglichkeit
einer Beschädigung
des Ventils während
des Testens oder aus dem Volllastbetrieb in tatsächlichem Einsatz erheblich
eliminiert.
-
Ein
bedeutender Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
das Umschaltventil unter schwierigen Einsatzbedingungen, wie z.B.
den in Verbindung mit einem Verkokungseinsatz eingesetzt werden
kann. Die Konstruktion des Ventils ist so, dass der Koks oder andere
durch das durch das Ventil hindurch tretende Fluid mitgeführte feste
Verschmutzungen nicht dazu neigen, sich innerhalb des Ventilhohlraums
aufzubauen. Während
der Drehung der Kugel wird der Hohlraum um die Kugel herum niemals
dem Prozess ausgesetzt, um dadurch das Eindringen des Prozesses
zu verhindern. Dieses ermöglicht
es, dass der Reinigdampf eingeschlossen bleibt und somit nicht in
die Durchflussbohrung ausgegeben wird, und dadurch der Verbrauch
an Reinigungsfluid eingespart wird.
-
Diese
und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung ersichtlich,
in der auf die Figuren in den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen
wird.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine ein Umschaltventil gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellende Querschnittsseitenansicht.
-
2 ist
eine Querschnittsansicht im Wesentlichen durch das Umschaltventil
an der in 1 dargestellten Stelle, wobei
jedoch der Querschnitt modifiziert ist, um der Kontur der Sitzfläche zu folgen.
-
3 ist
eine Unterseitenansicht des oberen Gehäuses des Umschaltventilkörpers; und
-
4 ist
eine detaillierte Ansicht eines geeigneten Mechanismus zur Abdichtung
zwischen den oberen und unteren Umschaltventilgehäusen.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
1 stellt
im Querschnitt ein Umschaltventil 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung dar. Die Hauptkomponenten des Umschaltventils umfassen einen
Körper 12 mit
einem oberen Gehäuse 14 und einem
unteren Gehäuse 16.
Die oberen und unteren Gehäuse
sind herkömmlich
miteinander durch mehrere um den Umfang in Abstand angeordnete Schrauben 17 verbunden.
Das untere Gehäuse
besitzt eine Einlassöffnung 18 und
das obere Gehäuse besitzt
drei Auslassöffnungen 20A, 20B und 20C. Der
Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass das Umschaltventil
mehrere Auslassöffnungen haben
kann. Obwohl die hierin diskutierte Ausführungsform mit drei Auslassöffnungen
dargestellt ist, könnte
das Umschaltventil auch mehr oder weniger als drei Auslassöffnungen
aufweisen. Gemäß der vorliegenden
Erfindung können
die drei Öffnungen 20A, 20B und 20C in
dem oberen Gehäuse
vorgesehen sein, wenn diese Öffnungen
um den Umfang um 120° versetzt
sind. Der Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass die Begriffe "oben" und "unten" lediglich zur Erleichterung
der Erläuterung
dienen und keine Einschränkung
der Erfindung darstellen. Die Begriffe "unteres Gehäuse" und "oberes Gehäuse" könnten
auch "Einlassgehäuse" bzw. "Auslassgehäuse" benannt werden.
-
Eine
Umschaltventilkugel 22 hat eine Einlassöffnung 24 und eine
Kugelauslassöffnung 26,
wobei die in 1 dargestellte Kugelauslassöffnung 26 mit der
Körperauslassöffnung 20A in
Fluidverbindung steht. Die Kugel 22 leitet somit das Fluid
zwischen der Einlassöffnung
und einer ausgewählten
von den drei Auslassöffnungen 20A, 20B oder 20C abhängig von
der Drehposition der Kugel 22 innerhalb des Körpers 12 um.
Die Kugel wird mittels eines geeigneten Schaftes 28 gedreht,
welcher in einer bevorzugten Ausführungsform von einer geeigneten
Betätigungseinrichtung 30 angetrieben
wird. Der Schaft 28 ist radial entgegengesetzt zu der Mitte
der Kugel von der Kugeleinlassöffnung 24 aus
angeordnet. Die vorliegende Erfindung ist gut geeignet, um Vorteile
aus einem Umschaltventil mit einer motorisch angetriebenen Betätigungseinheit
zu ziehen. Die nachstehend diskutierten Konzepte der Erfindung können eine
Reduzierung der Größe der Betätigungseinheit 30 im Vergleich
zu vielen herkömmlichen
Umschaltventilen ermöglichen,
da insbesondere der erforderliche Sicherheitsfaktor für die Bemessung
der Betätigungseinrichtung
in Anbetracht der reduzierten Wahrscheinlichkeit eines Verschmutzungsaufbaus
innerhalb des Ventils reduziert werden kann. Der Schaft 28 ist
gegenüber
dem oberen Gehäuse 14 durch
eine herkömmliche
Stopfbüchse
mit einem Stopfflansch 34 und Dichtelementen 36 zur
Abdichtung zwischen dem Rotationsschaft 28 und dem oberen
Gehäuse 14 abgedichtet,
wenn die Kugel 22 gedreht wird, um Fluid von einer Auslassöffnung zu
einer anderen Auslassöffnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung umzuleiten. Die Dichtungselemente 36 können mehrere
Laternenringe oder Anti-Extrusionsringe aufweisen, die in Abstand
zwischen einem GrafoilTM-Material angeordnet
sind. Das Umschaltventil der vorliegenden Erfindung kann eine oder
mehrere Leckdetektoröffnungen 190 in
dem oberen Gehäuse
zur Detektion jeder Leckage über
die Dichtungselemente 36 enthalten. Derartige Leckdetektoröffnungen
ermöglichen
eine leichte Detektion, um festzustellen, wann die Dichtelemente 36 ersetzt
werden sollten und können
auch zur Injektion eines Reinigungsfluid gemäß nachstehender Diskussion
verwendet werden.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die Außenoberfläche 38 der
Kugel 22, welche radial der Einlassöffnung 24 gegenüberliegt
für einen
Verbindungseingriff mit der im Allgemeinen domförmigen oberen Oberfläche 40 des
oberen Gehäuses 14 vorgesehen.
Gemäß Darstellung
in 3 wird absichtlich ein erheblicher Flächenkontakt
zwischen der Kugelaußendichtoberfläche 38 und
der Sitzoberfläche 40 des
oberen Gehäuses
bereitgestellt. Die Kugel 22 wird in eine zu der Einlassöffnung 24 radial
entgegengesetzte Richtung durch ein ringförmiges Führungselement 42 gedrückt, welches
eine Oberseite 44 für
einen Verbindungseingriff mit dem radial unteren Abschnitt 46 der
Kugel radial im Abstand entgegengesetzt zu der Oberseite 40 einer
Kugel besitzt. Das Zentrierungs- oder Führungselement 42 wird
zu der Oberfläche 46 durch
ein Vorspannelement 48 vorgespannt, welches bevorzugt eine
Belleville-Feder ist, und idealerweise eine Einzelwindungs- oder Unterlegscheiben-Belleville-Feder
mit einer ringförmigen
Oberseite 50 für
einen Eingriff mit der Unterseite des Führungselementes 42 und
mit einer unteren ringförmigen
Oberfläche 52 für einen
Verbindungseingriff mit dem unteren Gehäuse 16 ist. Das Vorspannungselement 48 leitet
somit Kraft in einer Wirkungslinie, welche zwischen einem Mittelpunkt der
Körpereinlassöffnung 18 und
dem Mittelpunkt der Kugel und zu der Oberseite der Kugel radial
entgegengesetzt zu der Einlassöffnung 24 verläuft. Die Oberseite 50 der
Belleville-Feder 48 stellt im Wesentlichen eine Metallsitzfläche für die Kugel
bereit, während
die Unterseite 52 dieselbe Funktion bereitstellt, indem
sie im Wesentlichen zu dem unteren Gehäuse 16 abdichtet.
Der Fachmann auf diesem Gebiet wird somit erkennen, dass der Hohlraum 54 im
Wesentlichen an seinem unteren Ende von dem durch die Öffnungen 18 und 14 hindurchtretenden
Fluid durch die Belleville-Feder 48 und das Führungselement 42 abgedichtet
ist.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung überträgt das Umschaltventil 10 Fluid,
welches Verschmutzungsanteile besitzt, welche dazu neigen, den Betrieb
eines Umschaltventils nachteilig zu beeinträchtigen. In einer exemplarischen
Anwendung, in welcher ein Umschaltventil Fluid für eine Verkokungsoperation
transportiert, neigt der Koks zur Absetzung in Öffnungen in dem Umschaltventil
und beeinträchtigt
nachteilig dessen Betrieb. Etwas Koksmaterial kann möglicherweise
in den Hohlraum 54 eintreten, indem er nach oben hinter
die Belleville-Feder 48 wandert, obwohl diese deutlich
reduzierte Materialmenge und die Konstruktion der Erfindung den nachteiligen
Einfluss des Kokses in dem Hohlraum 54 im Vergleich zu
herkömmlichen
Umschaltventilen reduzieren. Dampfeinspritzleitungen sind ebenfalls idealerweise
zur tangentialen Einspritzung von Dampf in den ringförmigen Hohlraum 54 wie
nachstehend diskutiert vorgesehen.
-
2 ist
im Wesentlichen eine Querschnittsansicht durch das Umschaltventil
an einer in 1 dargestellten Position, obwohl
der Querschnitt modifiziert ist, um den Aufbau des Umschaltventils
besser zu verstehen. Demzufolge beginnt der Querschnitt von 2 auf
der rechten Seite durch den Mittelpunkt der Auslassöffnung 20A,
fällt dann
nach unten und folgt dann der Kontur der Sitzfläche 40, dann nach
oben außen
zur linken Seite durch die nachstehend diskutierte Reinigleitung 194.
Der Schaft 28 hat ein unteres Ende 54 mit einer
nicht zylindrischen Oberfläche
und hat in diesem Falle einen rechteckförmigen Querschnitt für einen
Verbindungseingriff mit einer ähnlichen Öffnung in
der Kugel 22, um die Kugel 22 und den Schaft 28 zur
Drehung zu verbinden. Die durch die Belleville-Feder 48 erzeugte
Aufwärtskraft
wird durch die obere Sitzfläche 40 des
Gehäuses 14 aufgenommen.
Die Sitzfläche 40 ist
somit so ausgelegt, dass sie den gesamten auf die Kugel 22 einwirkenden
Aufwärtskräften unabhängig davon ob
diese Kräfte
aus der Feder 48 oder dem Fluiddruck in der Kugel resultieren,
widersteht. Der Schaft 28 enthält ein Flanschelement 55,
welches der Druckkraft auf den Schaft widersteht, und dadurch den
Schaft in dem Körperelement 14 hält, so dass der
Schaft durch den Fluiddruck in dem Ventil nicht herausgedrückt wird.
-
4 stellt
das in 1 gezeigte Dichtungselement 56 dar. Das
Element 56 ist für
eine Abdichtung zwischen der Unterseite 58 des oberen Gehäuses 14 und
der Oberseite 60 des unteren Gehäuses 16 vorgesehen.
Die Dichtung 56 soll somit eine Dichtung bereitstellen,
um zu verhindern, dass durch das Umschaltventil strömende Fluid
zwischen den durch die Oberflächen 58 und 60 definierten
Flanschen hindurchtreten, welche, wie vorstehend erläutert, durch die
Schrauben 17 aneinander befestigt sein können. Die
Dichtung 56 ist nicht zur Abdichtung zwischen dem oberen
ringförmigen
Hohlraum 62 und dem unteren ringförmigen Hohlraum 64 gedacht,
da der Durchtritt von Verschmutzungsteilen "nach unten" in den Hohlraum 62 durch die
ringförmige
un tere Endfläche 70 der
Sitzfläche 40 des
oberen Gehäuses 14 verhindert
wird, welcher mit der Außenfläche 38 der Kugel 22 in
einem Dichtungseingriff steht. Gemäß Darstellung in 1 steht
der untere ringförmige Hohlraum 64 mit
dem vorstehend diskutierten Hohlraum 54 in Fluidverbindung. 3 stellt
um den Umfang in Abstand angeordnete Gewindeöffnungen 66 dar, welche
jede für
die Aufnahme einer in 1 dargestellten Schraube 17 vorgesehen
ist, um das obere Gehäuse
an dem unteren Gehäuse
zu befestigen.
-
Gemäß nochmaligem
Bezug auf 1 können sowohl das obere Gehäuse 14 als
auch das untere Gehäuse 16 mit
mehreren um den Umfang herum in Abstand angeordneten Gewindelöchern 21 versehen
sein. Diese Gewindeschraubenlöcher
sind für
die Aufnahme von Befestigungselementen von einem Ende einer geeigneten
(nicht dargestellten) Durchflussleitung vorgesehen, welche mit jeder
von den drei Auslassöffnungen
des oberen Gehäuses 14, nämlich 20A, 20B oder 20C verbunden
sein kann und in ähnlicher
Weise mit der Einlassöffnung 18 des unteren
Gehäuses 16 verbunden
sein kann. Verschiedene herkömmliche
Mechanismen sind dem Fachmann auf diesem Gebiet für die Verbindung
der Enden von Durchflussleitungen mit den oberen und unteren Gehäusen eines
Umschaltventils bekannt und der spezielle Typ des ausgewählten Befestigungselementes
und der Typ der Dichtelemente für die
Abdichtung zwischen einer entsprechenden Durchflussleitung und dem
Körper 12 sind
für die Konzepte
der vorliegenden Erfindung nicht von besonderer Bedeutung.
-
Ein
spezielles Merkmal der Erfindung ist die durch die Konstruktion
des Umschaltventils erzielte Einfachheit. Das Umschaltventil 10 der
vorliegenden Erfindung hat sehr wenige interne Teile im Vergleich zu
herkömmlichen
Umschaltventilen. Die Umschaltventilanordnung enthält auch
keine Balgenanordnung, welche häufig
in herkömmlichen
Umschaltventilen vorgesehen ist, um den gewünschten Dichtungseingriff innerhalb
der Kugel bereitzustellen. Eine Abdichtung zwischen der Außenfläche 38 der Kugel 22 des
oberen Gehäuses 14 wird
als Folge der durch eine einzige Belleville-Feder 48 bereitgestellten Vorspannkraft
erzielt. Somit sind durch die Konstruktion des Umschaltventils gemäß der vorliegenden
Erfindung nicht viele Teile erforderlich, um eine zuverlässige Abdichtung
um alle Körperauslassöffnungen
zu erzielen. Durch die Bereitstellung einer großflächigen Sitzfläche werden
zahlreiche Hohlräume
im Inneren des Ventils, welche dazu neigen, Kokspartikel aufzubauen,
minimiert. Bevorzugt ist der gesamte obere Abschnitt der Kugel 22 radial
gegenüber der
Einlassöffnung 24,
d.h., mit Ausnahme der mehreren Auslassöffnungen aus dem oberen Gehäuse, des
restlichen Abschnittes im Abstand zwischen dem ringförmigen Abschnitt 70 über der
Dichtung 60 und der Oberseite der Kugel 22, welche
an die für
die Aufnahme des Schaftflansches 55 vorgesehene zylindrische
Oberfläche 78 angrenzt,
als die großflächige Sitzfläche vorgesehen.
Die Kugel 22 ist auf den großflächigen Sitz, welcher jede von
den drei Auslassöffnungen
umgibt, durch nur eine einzige Belleville-Feder 48 vorgespannt,
was erhebliche Vorteile gegen herkömmliche Umschaltventilen mit
Balgenkonstruktion hat. Diese Konstruktion ermöglicht, dass die Dicke der
Feder 48 größer als
die der Balgenkonstruktion ist, und dass exotische und teuere Materialien
für die
Federn vermieden werden. Eine erhebliche Vorspannkraft kann zur
Erzielung einer Dichtung zwischen der Kugel und dem Ventilkörper aufgrund
der Konstruktion mit nur einem Vorspannelement und der großflächigen Sitzfläche erzielt
werden.
-
Das
Ventil der vorliegenden Erfindung enthält bevorzugt auch eine oder
mehrere Reinigungsöffnungen
zum Reinigen von Hohlräumen
im Inneren des Ventils 10. Gemäß Darstellung in den 1 und 2 enthält das exemplarische
Umschaltventil eine Packungsreinigungsleitung 190, eine
Schaftreinigungsleitung 194, Sitzreinigungsleitungen 192,
welche alle in dem oberen Gehäuse
vorgesehen sind. Die Sitzreinigungsleitungen 192 stellen
eine Verbindung zu dem an die Dichtung 56 angrenzenden
Hohlraum bereit. Drei tangentiale Reinigungsleitungen 192A, 192B und 192C ermöglichen
eine erwünschte Schaftreinigung.
Im Gegensatz zu Umschaltventilen, welche eine Balgenkonstruktion
verwenden, beruht die Konstruktion der vorliegenden Erfindung nicht
auf dem Vorhandensein eines Reinigungsmitteldrucks, um den Ausfall
der Vorspannfeder zu verhindern. Wenn der Reinigungsmitteldruck
verloren geht, arbeitet das Ventil immer noch, wobei dessen Betriebslebensdauer
nur leicht beeinträchtigt
ist. Idealerweise steht das Reinigungsmittel ebenfalls unter positivem Druck
statt ein konstant strömendes
Reinigungsfluid zu sein. Das Reinigungsmittel liefert somit einen
positiven Druck, um zu verhindern, dass Kokspartikel in den Hohlraum
um die Unterseite der Kugel eintreten. Wenn sich die Kugel 22 dreht,
tritt das Hohlraumreinigungsmittel nicht in die volle Bohrung der
sich zwischen der Einlassöffnung 24 und
der Kugelauslassöffnung 26 erstreckenden
Bohrung aus, und erreicht damit erhebliche Einsparungen in dem Verbrauch
an Reinigungsfluid, welches typischerweise Dampf ist. Dieses ist
noch ein weiterer Vorteil der im Wesentlichen domförmigen großflächigen Sitzfläche 40.
Das Ventil kann somit eine oder mehrere Dampfreinigungsöffnungen
enthalten, um die Lebensdauer des Ventils bei gleichzeitiger Minimierung
des Dampfverbrauchs zu optimieren.
-
Die
Konstruktion der vorliegenden Erfindung minimiert die Anzahl der
Leerräume
im Inneren des Kugelventils, in welchem sich Partikel aufbauen können. Gemäß Darstellung
in 1 ist nur ein ringförmiger Hohlraum vorgesehen
und dieser Hohlraum kann periodisch gereinigt werden. Der Hohlraum 54 steht
mit den Hohlräumen 62 und 64 gemäß Darstellung
in 1 in Fluidverbindung, da wie vorstehend erwähnt das
Dichtungselement 56 keinen Dichtungseingriff mit der Kugel 22 bereitstellt.
Diese Konstruktion kann das von der Betätigungseinheit 30 abzugebende
Drehmoment zum Drehen der Kugel reduzieren, da die Wahrscheinlichkeit
eines Partikelaufbaus reduziert ist.
-
Ein
Merkmal der Erfindung besteht darin, dass der Durchfluss durch das
Umschaltventil unabhängig
von der Drehposition der Kugel innerhalb des Ventilgehäuses niemals
vollständig
unterbrochen wird. Normalerweise strömt Fluid nur aus einem der mehreren
Auslassöffnungen.
Selbst wenn die Kugel gedreht wird, um die gewählte Auslassöffnung aus dem
Ventil zu wählen,
stehen wenigstens eine oder zwei von den Auslassöffnungen wenigstens teilweise der
Kugelauslassöffnung 26 gegenüber offen.
Somit werden Prozessabläufe
stromaufwärts
von dem Umschaltventil nicht nachteilig beeinträchtigt, wie sein könnte, wenn
das Umschaltventil vollständig
den Durchfluss durch das Umschaltventil, selbst nur kurzzeitig beim
Drehen der Kugel unterbricht.
-
Wie
vorstehend erläutert,
wird die Kugel 22 gegen eine sehr große Fläche der Sitzfläche 40 im oberen
Gehäuse 14 vorgespannt.
Diese große
Sitzfläche
ist für
einen dauernden Dichtungseingriff mit dem oberen Abschnitt der Kugel
radial gegenüber der
Einlassöffnung
vorgesehen. Die Kugel wird somit in die Sitzfläche 40 in einer Weise
fast wie eine Lagerkugel in einen Kugelring gedrückt. Dieses ermöglicht erwünschtermaßen nur
eine Drehung und kein Schwimmen oder eine Seitenbelastung der Kugel
in Bezug auf die Sitzfläche 40.
Sobald sich die Kugel 22 dreht, stellt die Federvorspannung
eine Reinigungswirkung zwischen der Kugel und der erheblichen Dichtungsfläche 40 bereit.
Die Kraft der Feder ist höher
als die Adhäsionskraft
der durch die Kugel hindurchtretenden Verschmutzungen, so dass das
Ventil selbstreinigend ist. Ferner sind die Kanten 184 des oberen
Gehäuses,
welche die Fluidaufnahmeöffnungen
in dem oberen Gehäuse
definieren, bevorzugt scharf und stehen im Wesentlichen zu der Außenoberfläche der
Kugel an der Stelle des Kugeleingriffes senkrecht, um eine Reinigungsfunktion
bereitzustellen. Die Kante 186 der Kugeleinlassöffnung 24 kann leicht
gerundet sein, da diese keine derartige Reinigungsfunktion bereitstellen
muss.
-
Ein
spezielles Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein erheblicher
Durchmesser des Durchflusskanals innerhalb der Kugel mit gleichmäßigem Durchmesser
zwischen den Öffnungen 24 und 26 im Vergleich
zu dem Durchmesser der Kugel 22. Ge mäß der vorliegenden Erfindung
kann ein Umschaltventil mit Öffnungen
von 20,32 cm (8 inches) mit einem Kugeldurchmesser bereitgestellt
werden, welcher nur 40,64 cm (16 inches) beträgt. Dieses führt zu erheblichen
Kosteneinsparungen in Bezug auf die Herstellung eines Ventils und
zu einem entsprechenden Vorteil aufgrund des reduzierten Gewichtes
des Kugelelementes, welches gedreht werden muss. Gemäß dieser
Erfindung ist der Kugeldurchmesser bevorzugt nicht größer als
das 2,5-fache des Durchmessers und ist bevorzugt kleiner als das
2,2-fache des Durchmessers des gleichmäßigen Durchflusskanals durch
die Kugel.
-
Die
Kugel 22 gemäß Darstellung
in 1 hat erwünschtermaßen einen
Durchflusswinkel von 45° (135°), was zu
erheblichen Einsparungen in dem Druckabfall über dem Kugelventil im Vergleich
zu Umschaltkugelventilen führt,
welche einen Winkel von 90° zwischen
der Einlassöffnung
und den Auslassöffnungen
der drehbaren Kugel verwenden. Die Mittellinie 180 des
Einlasskanals in der Kugel des Umschaltventils der vorliegenden
Erfindung ist bevorzugt in einem Winkel von 125° bis 155° in Bezug auf die Mittellinie 182 des
Auslasskanals in der Kugel angeordnet. Dieser gewählte Winkel
führt zu
einer Konstruktion, in welcher der Kugeldurchmesser im Vergleich
zu dem Durchflusskanal in der Kugel erheblich reduziert ist, während das
Vorspannungselement 48 kontinuierlich die gewünschte Aufwärtskraft für die Beibehaltung
des Dichtungseingriffs zwischen der Außenkugeloberfläche 38 und
der Sitzfläche 40 auf
den oberen Körper 14 bereitstellt.
Die Verringerung dieses Winkels unter 125° würde auch zu einem höheren Druckabfall
durch das Ventil führen.
Wenn der Winkel zwischen den Mittellinien 180 und 182 unter
125° reduziert
würde,
kann die sich aus der Belleville-Feder
ergebende axiale Vorspannung unzureichend sein, um eine zuverlässige Dichtung
zwischen der Kugeloberfläche 38 und
der Sitzfläche 40 zu
erzeugen. Andererseits müsste,
wenn dieser Winkel über
155° vergrößert würde, der
Kugeldurchmesser unerwünscht
vergrößert werden,
um den erforderlichen Abstand zwischen den oberen Gehäuseauslassöffnungen
bereitzustellen, um zu ermöglichen,
dass Fluid nur aus der ausgewählten
Auslassöffnung strömt, während gleichzeitig
der gewünschte
Freiraum für
die Sitzfläche
auf dem den Schaft umgebenden oberen Gehäuse bereitgestellt wird. Der
Bereich von 125° bis
155 ist somit erwünscht,
wobei ein Winkel von 135° bevorzugt
wird, um eine sichere Dichtung durch nur eine einzige Belleville-Feder
sicherzustellen, während
auch der Durchmesser der Kugel erwünscht minimiert wird.
-
Die
Sitzfläche 40 kann
in einem Stück
in den oberen Körper 14 eingearbeitet
sein, wodurch erheblich die Anzahl von Leerräumen oder Kanälen reduziert
wird, in welchem sich Verschmutzungen innerhalb des Ventils aufbauen
können.
Obwohl diese Sitzfläche
in der dargestellten Ausführungsform
aus dem und homogen mit dem Material des oberen Gehäuses 24 ausgebildet
dargestellt ist, könnte
die Sitzfläche
aus mehreren eingepressten oder geschweißten Sitzen bestehen, wobei
jeder Sitz für
eine Dichtung um eine entsprechende Auslassöffnung herum vorgesehen ist.
Die mehreren Sitze können
zusammen dann immer noch in der Weise einer einteiligen Sitzkonstruktion
gemäß Darstellung
in den Zeichnungen funktionieren. Wenn die Sitze in ihre Position
eingepresst oder geschweißt
werden, können
sie falls erforderlich entfernt werden. Selbst wenn diese alternative
Konstruktion verwendet wird, können
die um den Umfang herum zwischen den mehreren Sitzen in Abstand
angeordneten gekrümmten
Oberflächenbereiche
noch für
einen Eingriff mit Dichtflächen
der Kugel beabstandet sein, um dadurch Leerräume zwischen den Sitzen zu
eliminieren oder wenigstens zu minimieren, in welchem sich Verschmutzungen
aufbauen und nachteilig den Betrieb des Umschaltventils beeinträchtigen
können.
Diese integrierte Sitzkonstruktion ermöglicht auch, dass der Sitz
hydrostatisch gemäß Erfordernis
durch verschiedene Vorschriften ohne mögliche Beschädigung der
Ventilkomponenten getestet wird. Viele Umschaltventile der herkömmlichen
Art sind von einer Art, welche eine "Lastminderung" erfordern. Eine Modifikation der Vorschriftenstandards
ist erforderlich, um eine Beschädigung
der Ventilinnenkomponenten herkömmlicher
Umschaltventile zu verhindern. Das Umschaltventil der vorliegenden
Erfindung kann für
eine vollständige
Normleistung ausgelegt werden. Eine extrem zuverlässige Sitzfläche zwischen
den Außenflächen der
Kugel 22 und der Sitzfläche 40 des
oberen Körpers 14 kann
durch eine Paarungsläpptechnik erzeugt
werden, wobei die Oberflächen
mikroskopisch verschlissen werden.
-
Die
Kanten der Öffnungen 20A, 20B und 20C,
welche für
einen Kanteneingriff mit der Kugel vorgesehen sind, können wie
vorstehend diskutiert in einem Winkel angeordnet sein, um im Wesentlichen eine
erwünschte
Abschabewirkung zwischen der Kugel und dem Sitz bereitzustellen.
Jede Kante kann somit in einer solchen Weise "geschärft" werden, dass sie im Wesentlichen senkrecht
zu der Sitzfläche der
Kugel ist, so dass die Kugelrotation das Ventil während der
Rotation reinigt.
-
Die
Außenoberfläche 38 der
Kugel kann mit einer sehr harten Beschichtung versehen werden, um
mit der Sitzfläche 40 des
oberen Körpers 14 zusammenzuwirken,
um zu verhindern, dass Verschmutzungen Innenhohlräume innerhalb
des Ventils füllen
und nachträglich
eine zuverlässige
Abdichtung beeinträchtigen.
Verschiedene Prozesse können zum
Härten
der Außenoberfläche der
Kugel 22 verwendet werden. Eine ähnliche Technologie kann zum Härten der
Innenfläche 40 des
Gehäuses 14 verwendet
werden. Eine geeignete Materialhärtungstechnologie
für die
Oberflächen
kann elektrolyti sche Beschichtungen, diffundierte Beschichtungen,
Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffbrennstoff-(HVOF)-Beschichtungen
und Sprüh-
und Schmelzbeschichtungen umfassen.
-
Verschiedene
Mechanismen werden bereitgestellt, um dem Bediener zu ermöglichen,
leicht die Rotationsposition des Schaftes 28 in Bezug auf
den Körper
festzustellen, um dadurch den Bediener bezüglich der speziellen Auslassöffnung des
oberen Körpers 14 zu
informieren, welche für
einen Durchfluss aus der Einlassöffnung 18 offen
ist. Ein Pfeil oder eine andere Markierung kann auf dem Schaft zur
Anzeige einer Position der Kugel und der entsprechenden Auslassöffnung,
welche zu diesem Zeitpunkt "offen" ist, vorgesehen
sein. Verschiedene Arten von Anschlagmechanismen können auch
für einen
Drehstopp der Kugel 22 in Bezug auf den Körper 12 an
einer speziellen Position vorgesehen sein.
-
Obwohl
eine bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung im Detail dargestellt worden ist, ist es
offensichtlich, dass weitere Modifikationen und Anpassungen der
bevorzugten Ausführungsform
für den
Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich sind. Es dürfte sich
verstehen, dass derartige Modifikationen und Anpassungen innerhalb
des Schutzumfangs der nachstehenden Ansprüche liegen.