NO340314B1 - Avlastningsprofil for ventilsetekant - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et ventilsete, slik det fremgår av den innledende del av patentkrav 1.

Bakgrunn

En sluseventil har et legeme med en sentral kavitet som krysses av to koaksiale passasjer. Seteringer er anordnet ved skjæringspunktene til hver passasje med fordypningen. Hver setering har en side med kontakt med en port som beveger seg mellom en åpen og en lukket stilling. I noen tilfeller utsettes disse sluseventilene for høye lagerbelastninger på grunn av høyt trykk som presser porten mot seteringen. Bevegelse av porten under høye belastninger kan føre til skrubbing eller ødeleggelse av overflata til port-sete-grensesnittet. Skrubbingøker friksjonen mellom porten og seteringen, og reduserer tetningsevnen. Tidlig svikt kan forekomme.

En kuleventil bruker også en setering med ei flate som er i glidekontakt med et tetningselement, som i dette tilfellet er et kuleelement. Flata til seteringen kan skrubbe ved sin indre ende.

Alle materialer med normal lagerkontakt vil utsettes for svikt eller skade på overflatene dersom de belastes til et tilstrekkelig høyt nivå når de utsettes for dynamisk bevegelse. En kule- eller sluseventil må være i stand til å foreta en syklus, med samtidig bibeholdelse av en viss lekkasjetetthet. Det er derfor fordelaktig å ha ventilkomponenter som opplever dynamisk kontakt under drift, som er motstandsdyktige mot overflateskade.

Det er også godt kjent at smøremidler, så som fett, har redusert smøreevne når lagerspenningen blir ekstrem. Dette er fordi overflatespenningen og viskositeten til fluidet ikke er i stand til å støtte de store belastningene som følge av overflate kontakt og etterfølgende overflateskade. Denne effekten blir forsterket ved høye ventil-driftstemperaturer, hvorved smøremiddelets viskositet og overflatespenning blir redusert.

I GB 2 293 433 A er det foreslått et arrangement ved en ventil for å produsere en mer pålitelig ventil med hjelp av rimeligere materiale. En passasje 24 i et ventilsete 16 er ved hver ende innhyllet av en kant som definerer en tetningsbane. Kantene er snittet 26, 30 og fortrinnsvis forsynt med spor 28, 32 for å danne fleksible tetningselementer 34, 36 som lettere føyer seg til tilgrensende overflater 12,14 for på denne måten å redusere eller eliminere behovet for nøyaktig overflatebearbeiding av disse overflatene.

Et annet eksempel fra den kjente teknikk er beskrevet i GB 2 316 465 A, der et ventilsete 60 er konstruert for å redusere konsentrering av belastninger og slitasje mellom sluse og ventilsete. Ventilsetet 60 inkluderer et avlastningsspor 84 posisjonert på dets innvendige diameter relativt nær inntil en tetningsflate 80. Sporet 84 gir en fleksibel montering av endedelen av setet som bærer tetningsflaten 80, hvorved bøyebevegelse og vriding av resten av ventilsetet som oppstår fra høye friksjonskrefter frakoples, som tillater at tetningsflaten 80 kan forbli relativt plan.

Nok et eksempel fra den kjente teknikk er beskrevet i US 4,911,407 A der en ventilsete-konstruksjon er forsynt med ventilsete-ring med et spor anbrakt i den indre periferien av samme for å danne en sirkulær fleksibel leppe som kan bøyes elastisk og etablere en presstilpasning og på denne måten en lekkasjetett tetning.

Sammendrag av oppfinnelsen

Ulempene med den kjente teknikk avhjelpes med et ventilsete ifølge den karakteriserende del av patentkrav 1. Ytterligere fordelaktige trekk fremgår av de uselvstendige patentkravene.

Ved konstruksjon av en sluseventil har det generelt blitt antatt at ei kraft som virker på ei plan flate vil oppleve en lagerspenning som er uniform over den flata. Ved denne oppfinnelsen er det fastslått at dette er ukorrekt. Modellering har indikert at spenningsnivået ved de indre og ytre diameterne til en seteringøker over den uniforme lagerspenningen. Lagerspenningen ved kantene kan faktisk være mange ganger høyere enn hva gjennomsnittlig lagerspenning-beregningen vil indikere.

Den foreliggende oppfinnelsen forbedrer denne ikke-uniforme lagerspenningsdistribusjonen betydelig ved å redusere den aksiale stivheten til ventilsetet i områdene med høyest lagerspenning, som er ved de indre og ytre kantene til seteflata. Denne reduksjonen av aksial stivhet blir oppnådd ved å danne en semi-fleksibel flens ved disse kantene. Under belastning vil således flensene bøye seg. Slik dannes en lagerspenningsprofil over seteflata som er mye mer uniform.

Ventilsetet ved denne oppfinnelsen omfatter et rørformet element med ei ytre flate, en bakre ende, en front, en fremre ende og en passasje som strekker seg fra den bakre enden og til fronten. En radialt ragende, ringformet indre diameter-flens finnes ved den indre diameteren til fronten. Flensen har en fremre side som definerer en indre periferi av passasjen. Flensen har en bakre side som vender bakover. Flensen bøyer seg litt under belastning for å redusere kontaktspenning ved den indre periferien av fronten.

Seteringen kan enten være en sluseventil-type eller en kuleventil-type. Sluseventil-seteringen har fortrinnsvis også en ringformet flens på den ytre periferien av fronten.

Kort beskrivelse av figurene

Figur 1 er et isometrisk riss, delvis snittet, av et sluseventilsete med seteringer som er konstruert i samsvar med denne oppfinnelsen.

Figur 2 er et forstørret utsnitt av én av seteringene til sluseventilen i figur 1.

Figur 3 er et ytterligere forstørret utsnitt av en del av seteringen i figur 2.

Figur 4 er et perspektivriss av et kuleventilsete som er konstruert i samsvar med denne oppfinnelsen.

Figur 5 er et utsnittsriss av en del av setet i figur 4, vist med en del av et kuleelement.

Figur 6 er et ytterligere forstørret utsnittsriss av en del av setet i figur 5.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Det henvises til figur 1. En sluseventil 11 har et legeme 13. Legemet 13 har to koaksiale passasjer 15 (kun én er vist) som strekker seg til en sentral kavitet 17 fra motsatte sider av legemet 13. Passasjene har forbindelse til en strømningsledning eller annet tilkoblet utstyr (ikke vist). En setering 19 (kun én er vist) er montert i hver passasje 15. Hver setering 19 er anordnet ved overgangen mellom én av passasjene 15 og kaviteten 17, og rager inn i kaviteten 17.

Et portelement 21 beveger seg i kaviteten 17, mellom en åpen stilling, som vist, og en lukket stilling. Porten 21 kan være ei delt plate eller ei enkelplate som vist. Porten 21 har et hull 23 gjennom seg som er innrettet med passasjene 15 i den åpne stillingen. En stamme 25 sørger for at porten 21 beveger seg mellom den åpne og lukkete stillingen. Stammen 25 kan enten være av en ikke-stigende type eller av en type som beveger seg langs sin akse når den roteres. Porten kan aktueres hydraulisk, elektrisk eller med et håndhjul, som vist.

Det henvises til figur 2. Seteringen 19 er anordnet i en forsenkning 29 ved skjæringspunktet til én av passasjene 15 med legemekaviteten 17. Seteringen 19 er et rørformet element med ei ytre diameterflate 31 som passer tett inn i forsenkningen 29, og en indre diameter 33. Den indre diameteren 33 har effektivt den samme diameteren som passasje 15. Seteringen 19 har en bakre ende 35 anordnet ved starten av forsenkningen 29. En front 37 er dannet på en fremre ende for glidende inngrep med porten 21 (figur 1). Fronten 37 rager litt forbi sideveggen til kaviteten 17. I denne utførelsen har fronten 37 en indre diameter som hovedsakelig den samme som den indre diameteren 33. Den ytre diameteren til fronten 37 er i denne utførelsesformen mindre enn diameteren til den ytre diameterflata 31.

Seteringen 19 kan installeres på et flertall måter i forsenkningen 29. I denne utførelsesformen er et fjærelement (ikke vist) anordnet i den ringformete kaviteten 39 på den bakre enden 35. Fjæra er komprimert mellom starten av forsenkningen 29 og seteringen 19, for forspenning av seteringen 19 mot kaviteten 17. En konvensjonell tetning (ikke vist) er anordnet i en ringformet tetningskavitet 41 på den ytre diameterflata 31 for tetning mot sideveggen til forsenkningen 29. Selv om seteringen 19 er forspent for bevegelse langs sin akse 44, er oppfinnelsen også anvendbar for seteringer som er fast montert i en forsenkning.

Det henvises til figur 3. Et ringformet spor 43 er anordnet i den ytre flata 31 nær overgangen til fronten 37. Sporet 43 er anordnet i en del av seteringen 19 som rager inn i kaviteten 17, og er således fremfor forsenkningen 29. Sporet 43 har en bakre sidevegg 43a, en fremre sidevegg 43b og en bunn 43c som er bueformet. I denne utførelsesformen strekker den fremre sideveggen 43b seg utover med en helning i forhold til aksen 44 (figur 2), og er således konisk. Den fremre sideveggen 43b kunne imidlertid vært i et plan vinkelrett på aksen 44. I denne utførelsesformen er den bakre sideveggen 43a i et plan vinkelrett på aksen 44, den kunne imidlertid vært hellende. Den aksiale avstanden mellom fremre og bakre sidevegg 43b, 43a kan variere betraktelig.

Sporet 43 definerer en ringformet ytre flens 45 som er anordnet ved den ytre periferien til fronten 37. Den bakre siden til flensen 45 omfatter den fremre siden 43b til sporet 43. Den fremre siden til flensen 45 er vinkelrett på aksen 44 (figur 2) og omfatter en ytre periferisk del av fronten 37. I denne utførelsesformen, på grunn av hellingen av sporets fremre sidevegg 43b, smalner tykkelsen til flensen 45 gradvis av fra bunnen 43c mot dens frie kant ved den ytre diameteren til flensen 45. Tykkelsen til flensen 45, målt mellom bunnen 43c og fronten 37 er større enn tykkelsen til flensen 45 ved dens frie kant. Videre, i denne utførelsesformen, er tykkelsen til flensen 45, målt ved sporbunnen 43c, mindre enn en radial dybde til sporet 43. I denne utførelsesformen er den ytre diameteren til flensen 45 ved dens frie kant mindre enn den ytre diameteren til seteringens ytre diameterflate 31, hvor den er anordnet i forsenkningen 29.

I ett eksempel har seteringen 19 en indre diameter 33 som er 77,788 mm (3,0625") og en ytre diameterflate 31 på 114 mm (4,50"), som gjør avstanden mellom de lik omtrent 36,6 mm (1,44"). Den radiale dybden eller lengden til flensen 45 fra sporbunnen 43c til den frie kanten til flensen 45 er omtrent 3,18 mm (,125"). I dette eksemplet er således lengden til flensen 45 omtrent 8,6 % av avstanden mellom den indre diameteren 33 og den ytre diameterflata 31. Lengden til flensen 45 er ikke større enn omtrent 6,35 (0,250"), uansett diameterne til flatene 31 og 33. Flensen 45 har en tykkelse, målt ved sporbunnen 43c, på omtrent 1,3 mm (,05"). Sporets fremre side 43b heller med en vinkel på ni grader i forhold til et plan vinkelrett på aksen 44. Disse dimensjonene kan variere.

Et tilsvarende spor 47 er dannet på seteringens indre diameter 33 ved overgangen til fronten 37. Det indre diametersporet 47 definerer en indre diameterflens 49 anordnet ved den indre periferiske kanten til fronten 37. Den indre diameterflensen 49 kan ha den samme tykkelsen ved sin bunn, og den samme radiale dybden, som den ytre diameterflensen 45. Den indre diameterflensen 49 har en indre diameter som er den samme som den indre diameteren 33 i denne utførelsen.

Ved bruk av utførelsesformen i figurene 1-3, vil porten 21, når den er lukket og under belastning på grunn av trykk, utøve ei kraft mot seteringen 19, og presse den tett imot starten av forsenkningen 29. Belastningen går fra seteringen 19 til sluseventillegemet 13. Den ytre diameterflensen 45 og den indre diameterflensen 49 bøyer litt av under belastning, og reduserer spenningskonsentrasjoner ved hjørnene eller de periferiske flatene til fronten 37. Avbøyningen er hovedsakelig elastisk og ikke-permanent. Reduksjonen av spenningskonsentrasjon ved de indre og ytre periferiske kantene til fronten 37 reduserer tendensen grensesnittet mellom fronten 37 og porten 21 har til å skrubbe eller skrape når porten 21 beveger seg inntil fronten 37 under belastning.

Utførelsesformen i figurene 4-6 omfatter et ku I eve nti I sete 51. Kuleventilsetet 51 har ei ytre diameterflate 53 og ei indre diameterflate 55. Den indre diameterflata 55 er innrettet med en passasje i kuleventillegemet (ikke vist). Kuleventilsetet 51 har en bakre ende 57 og en front 59 på en fremre ende. Som vist spesielt i figurene 5 og 6, er fronten 59 en del av en kule for kontakt med et kuleformet kuleelement 61.

Kuleelementet 61 har en passasje 63 som er innrettet med setets indre flate 55 i åpen stilling. I lukket stilling vil kuleventilpassasjen 63 være vinkelrett på setets indre diameter 55. Kuleelementet 61 glir således mot fronten 59 ved bevegelse mellom åpen og lukket stilling. Under belastning kan denne bevegelsen forårsake skrubbing eller annen forringelse av flata, spesielt ved den indre periferien til fronten 59, hvor den danner et hjørne med den indre diameteren 55.

Det henvises til figur 6. Et inner-diameter spenningsavlastnings-spor 65 er dannet i den indre diameteren 55, nær fronten 59. Inner-diameter spenningsavlastnings-sporet 65 definerer en flens 66 som har lignende konstruksjon som flensene 45 og 49 i figur 3. Flensen 66 har en tykkere base enn fri kant eller inner-diameter på grunn av kurvaturen til fronten 59. I dette eksemplet er den fremre sideveggen 65a til sporet 65 i et plan vinkelrett på aksen 68 (figur 5). Tykkelsen til flensen 66 ved dens base er omtrent den samme som dens radiale dimensjon, målt langs den fremre veggen 65a. De faktiske dimensjonene til flensen 66 kan være lignende dimensjonene til flensene

45 og 49 i figur 3.

Kuleventilsetet 51 i denne utførelsesformen har en tetningskavitet 67 i sin front for å romme en tetning 69. Tetningskaviteten 67 er ringformet og har en indre vegg 67a og en ytre vegg 67b, som begge er konsentriske om aksen 68 (figur 5). Indre vegg 67a og ytre vegg 67b definerer kantdeler til fronten 59. Et innervegg-spenningsavlastningsspor 71 går sammen med veggen 67a og strekker seg mot aksen 68 (figur 5), men med en vinkel som resulterer i en flens 72 som har omtrent de samme dimensjonene som flensen 66.

Tilsvarende, et yttervegg-spenningsavlastningsspor 73 går sammen med den ytre veggen 67b og strekker seg i en radialt utoverrettet retning. Yttervegg-spenningsavlastningssporet 73 definerer en flens 74. Flensen 74 er i denne utførelsesformen større i radial lengde og tykkelse enn flensen 72, selv om dette kan variere. Begge flensene 72 og 74 er avkonet fra sine baser mot sine frie kanter. Begge flensene 72 og 74 definerer deler av fronten 59.

Under drift av utførelsen i figurene 4-6, når kuleelementet 61 er lukket og under fluidtrykk, utøver den en høy kontaktkraft mot kuleventilsetet 51. Denne spenningen fører til at flensene 66, 72 og 74 bøyer seg litt, noe som reduserer kontaktspenninger ved kantdelene til fronten 59. Idet kulen 61 beveger seg mot en lukket stilling, vil en reduksjon i spenning ved disse punktene redusere tendensen til å skrubbe eller forringe overflatefinishen til kulen 61 og setet 51.

Denne oppfinnelsen har betydelige fordeler. De små spenningsavlastningsflensene dannet i kantområder til setefrontene reduserer spenningskonsentrasjoner som ellers kunne ha resultert i skrubbing av overflatefinishen. Reduksjon av kantlagerspenning minimerer sviktmekanismene tilknyttet materialer under høy belastning. Disse sviktmekanismene omfatter flyt, brinelling, adhesjon, avsliping, pasningsslitasje, og generelt forringelse av kontakterende tetningsflater. Det er en ytterligere fordel at den reduserte lagerspenningen skjer ved kantovergangen fra den flate kontaktflata til kantradiusen, hvor skade sannsynligvis inntreffer på grunn av den ofte uregelmessige eller ikke-kontinuerlige flategeometrien ved dette stedet.

En reduksjon i lagerspenning tenderer også mot redusert friksjon, slik at kraftmomentene og arbeidet for drift av ventilen minimeres. Reduksjonen av maksimum-lagerspenningen ved kantene minimerer sannsynligheten for overflate-materialsvikt og muliggjør en høyere gjennomsnittlig lagerspenning. Som et resultat kan det lages ventiler som tåler mange flere sykluser, som tåler hardere miljøer eller som er mindre i størrelse. Alle disse fordelene resulterer i mer kostnadseffektive ventilkonstruksjoner og bidrar ved praktisk konstruksjon av ventiler for ekstreme trykk.

Claims (11)

1. Ventilsete omfattende: - et rørformet legeme (19) med en utvendig diameteroverflate (31) for montering i et ventilhus (13), en bakre ende (35), en front (37) på en fremre ende for glidende kontakt med et ventillegeme (21), og en indre diameteroverflate (33) som definerer en passasje (15) med en akse (44) og ragende fra den bakre enden (35) til fronten (37); - hvori fronten (37) har konsentriske første og andre kantdeler; - et ringformet første spor (43) formet i det rørformede legemet (19) nær den fremre enden av det rørformede legemet (19), som definerer en første flens (45) ved den første kantdelen av fronten (37) for opptak av belastning, hvori den første flensen (45) har en fremre side som definerer en del av fronten (37), hvori den første flensen (45) har en bakre side (43b) som vender i retning bakover og danner en del av det første sporet (43), hvori den første flensen (45) har en bunn (43c) der den forenes med det rørformede legemet (19) og en fri kant ved den første kantdelen av fronten (37); og - et ringformet andre spor (47) formet i overflaten av den innvendige diameteren av det rørformede legemet (19) nær den fremre enden av det rørformede legemet (19), som definerer en andre flens (49) ved den andre kantdelen av fronten (37) for opptak av belastning, hvori den andre flensen (49) har en fremre side som definerer en del av fronten (37), hvori den andre flensen (49) har en bakre side som vender i retning bakover og utgjør en del av det andre sporet (47), og den andre flensen (49) har en bunn der den forenes med det rørformede legemet (19) og en fri kant som definerer en innvendig diameter av fronten (37).

2. Ventilsete ifølge krav 1, hvori den første kantdelen er ved en ytre periferi av fronten (37).

3. Ventilsete ifølge krav 2, hvori en utvendig diameter av fronten (37) er mindre enn en utvendig diameter av det rørformede legemet (19).

4. Ventilsete ifølge krav 1, hvori fronten (59) er en del av en kule og hvori ventilsetet (51) videre omfatter: - et ringformet tetningsspor (67) formet konsentrisk i fronten (59); og hvori - det andre kantområdet omfatter en forbindelse mellom fronten (59) og det ringformede tetningssporet (67).

5. Ventilsete ifølge krav 1, hvori baksiden av hver av flensene (45, 49; 66, 72) er avskrådd i forhold til aksen (44; 68).

6. Ventilsete ifølge krav 1, hvori en tykkelse av hver av flensene (45, 49; 66, 72) mellom sin framside og bakside avtar fra sin bunn til sin frie kant.

7. Ventilsete ifølge krav 1, hvori en radial dimensjon av hver av flensene (45, 49; 66, 72) er større enn tykkelsen av hver av flensene ved sin frie kant.

8. Ventilsete ifølge krav 1, hvori en radial dimensjon av hver av flensene (45,49; 66, 72) fra bunnen til den frie kant er større enn tykkelsen av hver av flensene ved sin bunn.

9. Ventilsete ifølge krav 1, hvori en avstand mellom bunnene av flensene (45, 49; 66, 72) er større enn en radial dimensjon av hver av flensene fra sin bunn til sin frie kant.

10. Ventilsete (51) ifølge krav 1, omfatter videre et ringformet tetningsspor (67) formet konsentrisk i fronten (59), hvilket tetningsspor (67) har en første sidevegg (67b) og en andre sidevegg (67a).

11. Ventilsete (51) ifølge krav 10, hvori fronten (59) har et tredje kantområde som forenes med den andre sideveggen (67b) av tetningssporet (67) motsatt det andre kantområdet, og hvori ventilsetet (51) videre omfatter: - en tredje flens (74) formet ved det tredje kantområdet av fronten (59) for opptak av belastning, hvori den tredje flensen (74) har en forside som definerer det tredje kantområdet av fronten (59), hvilken tredje flens (74) har en bakside som vender i retning bakover, og den tredje flensen (74) har en bunn og en fri kant.