SE408461B - Kulventil - Google Patents

Description

74093154: 2 Kulorganet är anordnat att fritt förflyttas något i sätenas axelriktning.

Då tryck anbringas på ventilen i stängt läge, förflyttas kulan axiellt i huset mot det nedströms belägna sätet. Den nedströms be- lägna tätningsringen böjes naturligtvis något och kontaktytan mellan kulorganet och tätningsringen blir större. Böjningsgraden varierar med tryck eller säteskraft, så att extra kontakt- eller sätesyta åstadkommes för mer stöd vid högre säteskraft.

Med ökande tryck och nedströmsförflyttning av kulorganet för- flyttas kulorganet bort från den uppströms belägna tätningsringen.

Kulorganets kontakt med den uppströms belägna tätningsringen-kan eller kan inte brytas beroende på trycket och/eller tätningsringens utformning. Vissa utformningar tätar avsiktligt vid uppströmstät- ningsringen, medan andra utformningar avsiktligt förhindrar en upp- strömstätning och utför all tätning vid nedströmstätningsringen.

.Vid ovan beskrivna tätning fungerar kulventilen som en enkel strypventil. Huvudsakligen allt kontakttryck, som erfordras för att åstadkomma en tätning, utövas av det fluidum, för vilket tätningen utföres. Ventiltätningsringen åstadkommer själv endast en försumbar tätningskraft.

Ovannämnda tätningsprincip medför vissa problem. Dessa problem består vanligtvis i begränsningar, som åstadkommes av sätesmateria- len. Ett bra tätningsmaterial måste ha liten friktionskoefficient och måste vara kemiskt inert gentemot många olika fluider. Dessutom bör materialet vara relativt mjukt och böjligt och lätt att deforme- ra. Material, som har de önskade egenskaperna, har i allmänhet då- liga mekaniska egenskaper vad beträffar draghållfasthet, böjmflåul samt kryphastighet.

Dessa dåliga mekaniska egenskaper, vilka uppvisas av de flesta lämpliga tätningsmaterial, medför väsentliga problem. Tätningarna i en ny ventil åstadkommer en lätt säteskontaktkraft, som är tillräck- ligt stor för att medföra tätning vid låga tryck. Denna kraft är emellertid försumbar i jämförelse med den kraft, som utövas av fullt fluidumtryck över den stängda ventilen. Om ventilen en gång har an- vänts för att täta mot stort fluidumtryck, utsättes tätningen på grund av tätningsmaterialets mekaniska egenskaper vanligtvis föröda- formation och krypning och återtar den inte sin ursprungliga form, då belastningen borttages. Den ursprungliga lätta kontaktkraften försvinner följaktligen och ventilen läcker vid lågt tryck. 3 W 740931544 i Enligt föreliggande uppfinning åstadkommes en kulventil, som är av det inledningsvis nämnda slaget och kännetecknas därav, att radien för varje sätesrings konkava sfäriska yta är större än kulorganets radie och att varje tallriksfjäder är sammantryckt mellan respektive sätesrings plana yta och tillhörande klack i huset på sådant sätt, att tallriksfjädrarna är sammantryckta till huvudsakligen plan form mot klackarna och att den radiellt inre delen av sätesringens konkava, sfäriska yta pressas mot kul- organet under en förutbestämd belastning, varvid den konkava, sfäriska ytans återstående del är belägen på avstånd från kul- organet.

Uppfinningen skall beskrivas med hjälp av utföringsexempel under hänvisning till medföljande ritningar.

Fig l visar en genomskärning av en kulventil enligt en före- dragen utföringsform av uppfinningen. Fig 2 visar en genomskärning längs linjen 2-2 i fig l. Fig 3 visar en förstoring av det i fig l inringade omrâdet utan ändförbindningar. Fig 4 motsvarar fig 3 men visar en kul- och tätnings- eller sätesanordning med monterade änd- förbindningar. Fig 5 motsvarar fig 3 men visar kul- och sätesanord- ningen med monterade ändförbindningar vid stängd och tryckpåverkad ventil. Fig 6 motsvarar fig 3 men visar en modifierad form av sätes- eller tätningsring. Fig 7 visar sätet enligt fig 6 monterat i venti- len. Fig 8 visar sätet enligt fig 6 vid stängd och av fluidumtryck påverkad ventil. Fig 9 visar sätet enligt fig 6, då avsevärd förslit- ning av sätet ägt rum.

Fig l och 2 visar en komplett kulventilanordning 10, vilken in- begriper ett hus 12, som omfattar en huvud- eller centrumkroppssek- tion 14 och ändförbindningar 16 och 18. En kul- och sätesenhet 20 är monterad huvudsakligen centralt i huvudkroppssektionen 14 och är anordnad för valfri vridning med hjälp av en tapp- och manöverhand- tagsenhet 22.

Den i fig 1 och 2 visade ventilens samtliga delar förutom kul- och sätesenheten beskrives i detalj i vår svenska patentansökan nr 7409279-2, vilken motsvarar amerikansk patentansökan nr 406272. Ven- tilkroppssektionen 14 har en huvudsakligen cylindrisk centrumkanal eller axiellt sig sträckande öppning 24, vars diameter är endast nâ- got större än ett kulorgans 40 diameter. Båda ändförbindningarna 16' och 18 är borttagbart förbundna med kroppssektionen 14 medelst längs- gående förbindningsbultar 26 och 26a. Ändförbindningarna 16 och 18 7409315-4 har inre gängor 32, 34 för anslutning av ventilen till rörledningar.

Såsom beskrives mer fullständigt i ovannämnda patentansökan, är kroppssektionen anordnad så, att kroppssektionen vid borttagande av förbindningsbulten 26a och lösgörande av de andra tre förbindnings- bultarna 26 kan svängas ut från utrymmet mellan ändförbindningarna för borttagande och utbyte av ventilkulan och sätesringarna.

Såsom visas, omfattar tapp- och manöverenheten 22 en tapp 36 med en nedre ände 38, som har den i figurerna visade formen och upp- tages i ett i kulorganet 40 utformat spår 39. Denna anordning gör det möjligt att vrida kulorganet och ger samtidigt kulorganet viss frihet för axiell förflyttning i kroppen, då kulorganet befinner sig i stängt läge.

Tappen 36 sträcker sig ut genom en i kroppssektionen 14 utformad öppning 42. Lämpliga packningsringar 43, 44 och 45 är anordnade 1 ' öppningen 42 och ingriper tätande med öppningens och tappens 36 väggar. Den nedre packningsringen 45 vilar på en inåt sig sträckande fläns 46,som är utformad i öppningen 42. En delad tryckbricka 48 är anordnad under flänsen 46 och spännes fast vid denna medelst en utåt sig sträckande klack eller fläns 50, som är utformad på tappen 36. Tappen hålles på plats medelst en packningsring 52 och en pack- ningsmutter 53. Såsom framgår, överför en åtdragning av muttern 53 ett tryck på packningsringarna 43, 44, 45 för att säkerställa en fluidumtät tätning kring tappen.

Fastän ventiltappen skulle kunna manövreras med hjälp av olika typer av manöverorgan, manuella eller automatiska, är vid föreliggan- de utföringsform ett handtag 54 borttagbart förbundet med tappen 36 medelst en mutter 55, som pressar handtaget mot packningsmutterns övre del. Samverkande plana ytor 56 och 58 är utformade i handtagets öppning resp på tappens yttre ände.

Handtagets och följaktligen kulorganets 40 vridning begränsas av nedåtriktade stopporgan 60, 62, vilka uppbäres av handtaget 54.

Stopporganen ingriper med lämpliga ytor på kroppssektionen l4 för att åstadkomma fixerade stopp för ventilen i fullt öppet och fullt stängt läge. ' Såsom särskilt framgår av fig 3-5, omfattar kulsätesenheten 20 tidigare nämnda kulorgan 40 och ett par sätes- eller tätningsringar 70. Såsom framgår, är sätesringarna 70 fastspända på motsatt belägna sidor om kulorganet i närheten av öppningens 24 motsatt belägna än- dar. Sätesringarna 70 är belägna på huvudsakligen lika stort avstånd 7409315-4 från och på diametralt motstående sidor om kulorganets 40 vridnings- axel. Fastän sätesringarna 70 skulle kunna hållas på plats med hjälp av många olika anordningar, hâlles de vid föreliggande utföringsform på plats med hjälp av klackar 72,som definieras av ytor 74, 76 på ändförbindningarna l6 och 18. Sätesringarnas förflyttning inåt be- gränsas vidare av ett par klackar 78, som bildas av försänkningar i centrumöppningen 24. En tätning åstadkommas dessutom mellan kropps- sektionen l4 och ändförbindningarna 16 och 18 med hjälp av O-ringar 80, som är upptagna i andra försänkningar 82 och som tätt ingriper kring sätesringarnas 70 yttre omkrets eller yttre ytor 84. Varje sätesring omfattar en huvudkropp 86, vilken vid den föredragna ut- föringsformen är tillverkad av fjädrande plastmaterial, exempelvis nylon, Delrin eller Teflon. Fördelaktigt nog kan emellertid andra material användas vid tillverkning av sätesringens huvudkropp. Det speciella material, som väljes, beror på de arbetsförhållanden, som ventilen ska utsättas för. Huvudkroppen 86 omfattar en första inre yta 88, vilken företrädesvis har konkav sfärisk form. Ytan 88 har en radie R, som är något större än kulorganets 40 radie. Säteskroppen 86 omfattar dessutom en andra yta 90, vilken sträcker sig huvudsak- ligen parallellt med tillhörande ändförbindningsytor 74, 76. De två ytorna 88 och 90 är förbundna medelst en jämförelsevis smal yta 92, vilken vid föreliggande utföringsform endast visas som en rak cy- lindrisk yta. Mellan ytan 90 och ytorna 74, 76 är anordnad en kon- formad tallriksfjäder 94, vilken företrädesvis har en inre diameter D, som är huvudsakligen lika med den inre diametern av en genom- gående öppning 92 1 sätesringen.

I fig 3 visas förhållandet mellan huvudkroppen 86, tallriks- fjädern 94 och kulorganet 40, innan ändförbindningarna monterats.

Tallriksfjäderns normala avspända läge är sådant, att den ände av tallriksfjädern, som har den mindre diametern, är riktad mot kulor- ganet. Den belastning, som utövas av tallriksfjädern på sätesringen, är således riktad huvudsakligen mot sätesringens radiellt innersta del. Detta medför att sätesringen ingriper med kulorganet över en ursprunglig kontaktyta A. Tallriksfjädern är företrädesvis vald så, att dess kraft vid maximal utböjning är tillräcklig för att åstad- komma ett sådant måttligt lågt tätningstryck, som skulle erhållas vid ett fluidumledningstryck av storleksordningen 7-14 kp/cmz. Venti- 74093154: len tätas följaktligen alltid med en betydande minimumkontaktkraft, vilken är oberoende av det aktuella tätningstryck, som åstadkommes av fluidum, som verkar mot kulorganet och pressar detta mot ned- strömssätesringen. Dâ kulorganet är i stängt läge och större flui- dumtryck verkar mot kulorganet, tvingas kulan hårdare mot nedströms- sätesringen och tenderar den att åstadkomma elastisk (eller t o m plastisk) deformation av sätesringen för att öka kontaktytan och fördela belastningen över ett större sätesområde, såsom visas i fig . Vid dessa högre tryck påverkas inte tallriksfjädern, eftersom den över hela sin bredd uppstödes av ytan 74 och inte kan tryckas förbi den nivå, som motsvarar maximal utböjning.

Då ventilen användes och sätesmaterialet förslites, undergår plastisk deformation eller kryper på grund av tids- och temperatur- påverkan, kompenserar tallriksfjädern för detta inom sitt utböj- ningsområde, såsom visas med punktstreckade linjer i fig 9. Fjädern håller sätesringarna i ingrepp med kulorganet under en förutbestämd minimumbelastning upp till den punkt, där den är fullständigt ut- böjd. På grund av sin form kan sätesringen upprätthålla ett lämpligt tätningstryck mellan kulorganet och sätesringen, tills huvudsakligen inget sätesmaterial finns kvar mellan kulorganet och tallriksfjä- derns verksamma del. Tack vare additionen av den mekaniska fjäder- kraften och sätesringens tätningskraft och sätesringens anordnande i förhållande till kulorganet och tillhörande klack kan ett mycket stort antal sätesmaterial användas. Detta är särskilt fördelaktigt, eftersom vanliga ventilsätesmaterial vanligtvis är begränsade till måttliga tryck och låga temperaturer. Material, som är tillräckligt starka för att användas vid högre tryck eller som bibehåller sin hållfasthet vid högre temperatur, är vanligtvis för stela och hårda för att vara lämpliga. Additíonen av tallriksfjäderns positiva tät- ningskraft medför att dessa material blir praktiskt användbara. Tack, vare den extra positiva tätningskraften kan material, som tidigare inte kunde användas såsom sätesringar, användas i ventilen. Dessutom förlänges ventilens livslängd avsevärt. En liten förslitning av sä- tesringen medförde tidigare att sätesringen blev lös och icke tätan- de. I föreliggande ventil ger tallriksfjäderns utböjning en relativt sett större rörelsereserv för kompensering av förslitning. Den av tallriksfjädern åstadkomma tätningskraften pâverkas inte heller av kemikalier, lösningsmedel och temperatur, vilka i hög grad påverkar vanligtvis använda sätesmaterial.

Såsom framgår av fig 3, har en såsom en klack utformad fläns 96 en avfasad yttre yta 98, som sträcker sig axiellt ut från ytan 90. 7 g 7409315-u Flänsen 96 är företrädesvis kontinuerlig runt säteskroppen 86 och belägen så, att diametern av dess radiellt inre yta 100 motsvarar tallriksfjädorns 94 yttre diameter. Vid montering tjänar flänsen 96 till att rätt placera tallrlksfjädern i förhållande till_sätesringen.

Flänsen är dessutom avfasad, såsom visas, för att hålla tallriks- fjädern på plats, så att bekvämlig hantering och montering erhålles.

Då ändförbindningarna är förflyttade till sitt riktiga slutliga läge (fig 4 och 5), är flänsen 96 Vikt över tallriksfjäderns radiellt yttre kant. Säteskroppens 86 axiella tjocklek är företrädesvis sådan, att åtdragning av ändförbindningarna medför att de tvâ sätesringarna tätt spännes fast i försänkningarna. Dessutom utbildas också en tät- ning mellan sätesringen och kroppssektionen 14.

Många av tallriksfjäderns och sätesringens konstruktionsdetal- jer kan varieras, eftersom tallriksfjädern och sätesringen måste vara utformade såsom en enhet för att vara avpassade efter varandras mekaniska egenskaper. Tallriksfjäderns tjocklek och konvinkel kan exempelvis varieras för att åstadkomma huvudsakligen samma fjäder- karaktäristik oberoende av vilken fjädermetall som användes. Vanligt- vis medför emellertid detta mycket små förändringar, eftersom de flesta metaller har fjäderegenskaper, som ligger inom ett smalt om- råde. Utformningen av sätesringens kropp 86 beror pâ sätesringsmate- rialet. Sätesringens tvärsnitt kan variera beroende på materialets hållfasthet och styvhet. Sätesmaterialets egenskaper, särskilt hård- het och böjmodul, bestämmer storleken av den fjäderkraft, som be- hövs för att åstadkomma en förutbestämd initialkontakttätning. Denna kraft varierar ofta avsevärt mellan olika material och tallriksfjä- dern måste utformas för att uppfylla dessa fordringar.

Den i fig 6-9 visade ventilen fungerar på i princip samma sätt som ventilen enligt fig l-5. Samma hänvisningssiffror användes för att beteckna samma eller motsvarande delar. I fig 6-9 har emellertid hänvisningssiffrorna försetts med ett extra primtecken. Om inte annat säges, gäller ovanstående beskrivning för dessa element. Vid ut- föringsformen enligt fig 6-8 har sätesringskroppen 86' samma all- männa totala utformning som säteskropparna 86 enligt fig l-5. Den tidigare nämnda flänsen 96 är emellertid borttagen och en fläns 104 i form av en inre klack är utformad kring varje sätesrings inre del, såsom visas. Denna fläns tjänar också till att placera tallriks- fjädern 94'. Flänsen 104 är kort och avpassad för att passa i ut- rymmet runt flödeskanalen. Dessutom behöver flänsen 104 inte defor- meras som tidigare beskrivna fläns 96. Enligt fig 6-9 utformade sä- tesringar är särskilt väl lämpade, då sätesmaterialet är hårt och då 1499315-n 8 en yttre fläns 96 inte skulle klämmas sönder eller deformeras utan snarare skulle trycka in sätesringen i kroppssektionens centrumöpp- ning och deformera sätesringen. Den inre flänsen enligt fig 6-9 är emellertid inte särskilt väl lämpad för användning tillsammans med mjuka sätesmaterial. Detta beror på att strömningshastigheten vid den inre flänsen tenderar att slita bort denna från sätesringen, då ventilen är öppen under högt tryck. Detta sker emellertid inte, då den inre flänsen användes vid hårdare material med större håll- fasthet.

Ventilerna enligt föreliggande uppfinning kan anordnas så, att en tätning upprätthâlles vid båda sätesringarna över hela det verk- samma fluidumtryckområdet. Alternativt kan ventilerna anordnas så, att den mesta tätningen sker vid nedströmssätesringen. Det föredrag- na anordnandet av föreliggande uppfinning består i att i det nedre tryckområdet upprätthålla en tätning vid uppströmssätesringen och att därefter låta nedströmssätesringen utföra tätningen. Detta fram- går bäst av fig 5. Antag att ventilen enligt fig 5 är i stängt läge.

Vid låga tryck håller tallriksfjäderns 94 fjäderverkan sätesringen i tätande ingrepp med kulorganet, även då kulorganet förflyttats något i nedströmsriktningen på grund av det tryck P, som verkar mot kulorganets blottade uppströmsyta. Då fluidumtrycket ökar, förflyttas kulorganet ytterligare i nedströmsriktningen och ökar ytan av ned- strömsytan 88, som är i ingrepp med kulorganet, och ökar därigenom vid högre tryck stödytan. Den ytterligare förflyttningen av kulorga- net bort från uppströmssätesringen sänker kontakttrycket mellan uppströmssätesringen och kulorganet, så att slutligen ingen tätning längre upprätthålles. I det läget är emellertid tätningstrycket mot nedströmssätesringen maximalt. Till följd av den ökade kraften mel- lan kulorganet och nedströmssätesringen skulle en ökad deformation äv nedströmssätesringen kunna väntas. Tack vare nedströmssätesringens form och det faktum, att den stödes fullständigt över sin yttre yta 90 av tallriksfjädern 94 och flänsen, äger ingen väsentlig deforma- tion av sätesringen rum. Då det mot kulorganet verkande fluidum- trycket minskar, upprätthåller tallriksfjädern 94 vid nedströmssätes- ringen en förutbestämd kontaktkraft mellan sätesringen och kulorga- net. Tallriksfjädern kan tack vare klacken inte bli överspänd. Ett material med låg draghållfasthet, låg böjmodul och hög kryphastighet kan således användas som sätesring.

Claims (6)

9 740931544 PATENTKRAV

1. l. Kulventil, i vilken två mittför varandra belägna, fjädrande sätesringar (70) pressas mot motstående sidor av ett kulorgan (40) medelst var sin tallriksfjäder (94), som har formen av en stympad kon och är anordnad mellan respektive sätesring och en tillhörande klack (74 eller 76) i ventilens hus (12), varvid den ände av tall- riksfjädern, som har den mindre diametern, är riktad mot kulorganet och varvid varje sätesring har en kontinuerlig, konkav, sfärisk yta (88), som är vänd mot kulorganet, och en kontinuerlig, huvudsakli- gen plan yta (90), som är vänd mot klacken, k ä n n e t e c k n a d därav, att radien för varje sätesrings (70) konkava sfäriska yta (88) är större än kulorganets (40) radie och att varje tallriksfjä- der (94) är sammantryckt mellan respektive sätesrings (70) plana yta (90) och tillhörande klack (74 eller 76) i huset (12) på sådant sätt, att tallriksfjädrarna (94) är sammantryckta till huvudsakligen plan form mot klackarna (74, 76) och att den radiellt inre delen (A) av sätesringens (70) konkava, sfäriska yta (88) pressas mot kulorganet (40) under en förutbestämd belastning, varvid den konkava, sfäriska ytans (88) återstående del är belägen på avstånd från kulorganet (40).

2. Ventil enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a d därav, att varje fjädrande sätesring (70) har en axiellt sig sträckande, yttre omkretsfläns (96), som ingriper med tillhörande tallriksfjä- ders (94) yttre omkrets och håller tallriksfjädern (94) på plats.

3. Ventil enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att varje tallriksfjäders (94) öppning har huvudsakligen samma dia- meter som varje fjädrande sätesrings (70) öppning (92).

4. Ventil enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a d därav, att varje fjädrande sätesring (70) har en axiellt sig sträckande, inre omkretsfläns (104), som ingriper runt tallriksfjäderns (94') öppning.

5. Ventil enligt något av patentkraven 2-4, k ä n n e t e c k- n a d därav, att den radiellt inre delen (A) av varje sätesrings (70) konkava, sfäriska yta (88) med avsevärt tryck ingriper med kul- organet (40).

6. Ventil enligt något av de föregående patentkraven, k ä n- n e t e c k n a d därav, att klackarna (74, 76) är anordnade på borttagbara ändförbindningar (16, 18), som utgör en del av huset (12). ANFÖRDA PUBLIKATIONER: Schweiz 273 186 (47 g:22/01) Storbritannien 57? 699 US 3 195 560 (137-315), 3 244 398 (251-148)