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Die Erfindung betrifft ein Drehklappenventil mit einem im Gehäuse angeordneten metallischen Sitzring und einem mit diesem Sitzring zusammenwirkenden doppelexzentrisch angeordneten, einen Schließteller aufweisenden schwenkbaren Schließkörper, wobei entweder der metallische Sitzring oder der Schließteller eine schräg konische Sitzkontur aufweist, das sich durch ein breites Anwendungsgebiet dadurch auszeichnet, dass es sowohl als Absperrorgan als auch als Stellglied in einem Regelkreis angewendet werden kann, keine Leckage aufweist und molchbar ist.
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Es wird bereits seit längerem versucht, Drehklappenventile hinsichtlich ihrer Funktionalität dahingehend zu verbessern, dass sie bei unterschiedlichsten Anwendungen eine Absperrung mit möglichst geringer Leckage über lange Betriebszeiten gewährleisten sowie ruckfrei aus der Schließstellung anfahren, um ein sensibles Öffnen und letztlich eine Anwendung als Stellglied in einem Regelkreis zu ermöglichen. Diese Forderung steht nicht nur für eine ständige, d. h. in kurzen Zeitintervallen erfolgende, Öffnung bzw. Schließung des Drehklappenventiles, sondern insbesondere auch für Betätigungen nach relativ langen Stillstandszeiten. Eine weitere Forderung ist die Molchbarkeit entsprechender Drehklappenventile, die üblicherweise bei Klappen und Ventilen nicht gegeben ist.
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So offenbart die
DT 24 47 645 A1 ein Drehklappenventil mit einem im Gehäuse angeordneten Sitzring und einem doppelexzentrisch angeordneten, einen schwenkbaren Sitzteller aufweisenden Schließkörper, wobei entweder der metallische Sitzring oder der Schließteller des Schließkörpers eine schräg konische Sitzkontur aufweist und die schräg konische Sitzkontur die Form eines schiefen Kegelstumpfes besitzt. Das Zusammenwirken von Schließteller und Sitzring erfolgt derart, dass im geschlossenen Zustand Sitzring und Schließteller auf der Mantelfläche des schiefgestellten Kegelstumpfes linienförmig dichtend anliegen. Zur Erreichung der Dichtheit des in der DT 24 47 645 A1 offenbarten Drehklappenventils wird ein Dichtring aus weichem eleastischen Material, beispielsweise Gummi, vorgeschlagen, wobei andererseits zur Vermeidung von Erosionsschäden vorgeschlagen wird, die Dichtungen vollständig aus Metall herzustellen. Beides, d. h. Dichtheit des Drehklappenventils und Verschleißarmut der Dichtelemente kann mit der in DT 24 47 645 A1 beschriebenen Lösung nicht erreicht werden.
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Aus der
DE 23 44 911 B2 ist eine Steuerklappe mit einer Ventilsitzbüchse, deren freie Stirnfläche als konvex gewölbte Ventilsitzfläche ausgebildet ist, und einem als zylindrisch gewölbte Scheibe ausgebildeten Ventilverschlusstück, das gegen die freie Stirnfläche der Ventilsitzbüchse eindrehbar ist, bekannt, wobei das Ventilverschlussstück von zwei an stromabwärts vom Ventilsitz befindlichen Lagerzapfen angelenkten Armen getragen wird. Die Schwenkachse des Ventilverschlussstückes schneidet die Längsachse des Strömungskanales und ist außerdem in Richtung der Öffnungsbewegung des Ventilverschlussstückes exentrisch versetzt. Das Ventilverschlussstück kann damit vollständig aus dem Strömungsdurchgang der Steuerklappe ausgeschwenkt werden. Auch diese Steuerklappe hat den Nachteil, dass eine aureichend gute Dichtheit bei geringem Verschleiß der Dichtelemente nicht realisierbar ist. Hinzu kommt, dass das Ventilverschlussstück nach längerer Verweilzeit in der Geschlossenstellung nicht ruckfrei verstellt werden kann.
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Von der KEYSTONE Gesellschaft mbH ist eine triexzentrische Klappe bekannt, die im Gehäuse eine schräg konische Dichtfläche und im doppelexzentrisch angeordneten Klappenteller einen schwimmend gelagerten, flexiblen, aus mehreren Schichten bestehenden Dichtring aufweisen, der sich beim Schließen der Klappe selbständig zentriert und verformt und damit am gesamten Umfang eine gleichmäßige gute Dichtung bewirkt. Der Dichtring kann sowohl ausschließlich aus Metallschichten, vorzugsweise Edelstahlblech einer Dicke zwischen 0,3 und 1 mm, als auch aus Metallschichten, zwischen denen ein plastisch verformbares Dichtmaterial, beispielsweise Graphit, eingebettet ist, bestehen. Durch die doppelexzentrische Anordnung des Klappentellers soll in Wirkverbindung mit der schräg konischen Dichtfläche eine reibungsfreie Schließ- bzw. Öffnungsbewegung erreicht werden. Diese an sich vorteilhafte Wirkung wird aber durch die schwimmende, selbstzentrierende Lagerung des Dichtringes im Klappenteller partiell wieder aufgehoben. Nachteilig ist bei diesen Klappen ferner die unbefriedigend geringe Standzeit des Dichtringes, bei dem es infolge der beim Schließen und Öffnen der Klappe, insbesondere infolge der Selbstzentrierung auftretenden Reibung, zu einer dauerhaften Verformung der Metallschichten bzw. zum Austritt von zwischen den Metallschichten eingebettetem Dichtmaterial kommt.
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In der
DE 43 39 587 A1 wird eine triexzentrische Drosselklappe beschrieben, die im Gehäuse einen freistehenden, kegelförmigen Bereich aufweisenden Sitzring besitzt, dessen freistehende äußere Kante gegenüber der am Umfang des Klappentellers ausgeformten schräg konischen Dichtfläche dichtet. Der Sitzring ist dabei so gestaltet, dass er beim Schließen der Klappe durch Verformung an die Dichtfläche des Klappentellers angepreßt wird. Nachteilig bei dieser Lösung ist der hohe Verschleiß, dem die äußere dichtende Kante des Sitzringes unterliegt. Dieser Verschleiß ist insbesondere auf die hohen Strömungsbelastungen zurückzuführen, der die Kante bei geringen Öffnungswinkeln der Klappe ausgesetzt ist. Außerdem neigt diese in der DE 43 39 587 A1 beschriebene Drosselklappe, entgegen der in der Erfindungsbeschreibung getroffenen Aussage, zum Aufspringen beim Öffnen aus der Schließstellung. Ihr Stellverhalten ist damit für eine Vielzahl von Stellaufgaben nicht ausreichend sensibel. Weiterhin haftet beiden vorgenannten Klappen der Nachteil an, dass sie im Prinzip nicht molchbar sind.
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In der
US 3 575 381 A wird eine Klappe beschrieben, deren Sitzring aus einem austenitischen Stahl gefertigt sein kann. Auch diese Klappe ist nicht molchbar und hat den Nachteil eines hohen Verschleißes der Dichtflächen. Sie kann außerdem nach längerer Verweilzeit in der Geschlossenstellung nicht mit kleinen Winkeln ruckfrei verstellt werden.
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Molchbare Stellgeräte sind beispielsweise Kugelhähne und Drehkegelventile. Diese neigen aber konstruktionsbedingt dazu, sich bei längerem Verharren in einer Stellung festzusetzen, so dass eine anschließende Bewegung des Schließkörpers einen erhöhten Kraftaufwand erfordert. Ein ruckartiges Lösen ist dann in aller Regel die Folge. Für sensible Stellbewegungen in Regelkreisen sind sie daher nicht geeignet.
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Ziel der Erfindung ist ein Drehklappenventil mit einem im Gehäuse angeordneten, metallischen Sitzring und einem doppelexzentrisch angeordneten, einen Schließteller aufweisenden schwenkbaren Schließkörper, bei dem entweder der metallische Sitzring oder der Schließteller eine schräg konische Sitzkontur aufweist, das eine breite Anwendung sowohl als Absperr- als auch als Regelarmatur ermöglicht. Dazu besteht die Aufgabe, ein Drehklappenventil zu entwickeln, das keine Leckage aufweist, einem geringen Verschleiß unterliegt und ruckfrei auch nach längerer Verweilzeit in einer Stellung mit kleinen Winkeln verstellt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe von einem Drehklappenventil dem 1. Patentanspruch gemäß gelöst. Die Unteransprüche beschreiben besondere vorteilhafte Ausgestaltungen des Drehklappenventiles.
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Das erfindungsgemäße Drehklappenventil zeichnet sich dadurch aus, dass aufgrund der doppelexzentrischen Anordnung des eine Dichtkante aufweisenden Schließkörpers in Wirkverbindung mit einer schräg konischen Sitzkontur und einem im Gehäuse angeordneten Sitzring, der die Form eines schiefgestellten Kegelstumpfes aufweist und aus einem Blechring aus austenitischem Stahl durch Kalttiefziehen ausgeformt wurde, ein reibungsfreies Schließen und Öffnen des Drehklappenventiles erreicht wird, wobei daraus sowie aus der vorstehend beschriebenen Gestaltung der Sitzkontur keine Leckage bei hohen Standzeiten resultieren. Das Drehklappenventil kann weiterhin auch nach längerem Verharren in einer bestimmten Stellung ruckfrei und mit geringem Drehmoment betätigt werden. Insgesamt kann damit das erfindungsgemäße Drehklappenventil für eine Vielzahl von Anwendungsfällen eingesetzt werden.
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Der im Gehäuse angeordnete Sitzring mit der Form eines schiefgestellten Kegelstumpfes bildet mit seiner inneren Mantelfläche des schiefgestellten Kegelstumpfes die schräg konische Sitzkontur. Dieser Sitzring wird durch Kalttiefziehen aus einem Kreisring aus austenitischem Stahl hergestellt. Entsprechend hergestellte Sitzringe sind überraschenderweise ausreichend elastisch und ausreichend fest, um über lange Betriebszeiten, d. h. eine Vielzahl von Schließzyklen, ein dichtes Schließen des Drehklappenventiles zu gewährleisten. Günstigerweise sollte der Sitzring einen ebenen Bereich, aus dem heraus sich der schiefe Kegelstumpf erhebt, besitzen. Der ebene Bereich des Sitzringes kann bevorzugt zur Montage des Sitzringes im Gehäuse benutzt werden, so dass der schiefe Kegelstumpf im Wesentlichen freistehend bleibt. Der Sitzring ist dabei in azimutaler Richtung so angeordnet, dass sich der steilste Bereich des schiefen Kegelstumpfes azimutal in Richtung der radialen exzentrischen Verschiebung des Drehpunktes des schwenkbaren Schließkörpers und der am meisten geneigte Bereich des schiefen Kegelstumpfes entgegen der Richtung der radialen exzentrischen Verschiebung des Drehpunktes des schwenkbaren Schließkörpers befindet. Der schwenkbare Schließkörper weist einen Schließteller auf, der über zwei Stützen mit zwei Wellenenden, die in Längsrichtung fluchten, verbunden ist. Die Wellenenden sind im Gehäuse des Drehklappenventiles doppelexzentrisch angeordnet. Die Stützen sind so gestaltet, dass im geöffneten Zustand der Schließkörper vollständig aus dem Durchgangsbereich des fluiden Medium ausgeschwenkt ist.
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Der schwenkbare Schließkörper des Drehklappenventiles weist in seinem Außenbereich eine Dichtkante auf und ist innerhalb des Drehklappenventiles doppelexzentrisch so angeordnet, dass er sich bei Drehung zum Schließen des Drehklappenventiles in die Öffnung des Kegelstumpfes hineinbewegt, wobei die Dichtkante auf dem inneren Mantel des Kegelstumpfes zum Anliegen kommt. Die Dichtkante sollte nicht als scharte Kante oder Schneide ausgeführt, sondern abgerundet sein, um zum einen eine plastische Verformung der Kante oder der gegenüberliegenden Dichtfläche zu vermeiden und zum anderen den Verschleiß der Dichtkante gering zu halten. Beim Schließen des Drehklappenventiles kommt die Kante linienförmig auf der inneren Mantelfläche des schiefen Kegelstumpfes zum Anliegen. Schiefer Kegelstumpf und Stellglied sind dabei so justiert, dass die Dichtkante ohne nenneswerte elastische Verformung des schiefen Kegelstumpfes vollständig auf der inneren Mantelfläche linienförmig dichtet.
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Die Dichtkante kann entweder aus dem Material des schwenkbaren Schließkörpers selbst ausgeformt sein, sie kann aber auch von einem am schwenkbaren Schließkörper angeordneten Bauteil aus einem zur Dichtung geeigneten Werkstoff gebildet werden.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in
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1: den Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Drehklappenventiles im geschlossenen Zustand mit metallischem Sitzring in Form eines schiefgestellten Kegelstumpfes, in
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2: den Teilschnitt eines geöffneten erfindungsgemäßen Drehklappenventiles.
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Wie in 1 dargestellt, ist innerhalb eines Gehäusegrundkörpers 1 ein Sitzring 2 angeordnet, an dem im geschlossenen Zustand der Schließteller 3.1 eines schwenkbaren Schließkörpers 3 dicht anliegt. Der Schließteller 3.1 ist über zwei seitlich angeordnete Stützen 3.2 mit zwei doppelexzentrisch angeordneten Wellenteilen 4, die in Längsrichtung fluchten, starr verbunden. Die Wellenteile 4 sind im Gehäuse 1 gelagert, wobei mindestens eines von beiden nach außen geführt ist. Die Stützen 3.2 sind, wie in 2 dargestellt, so gestaltet, dass im geöffneten Zustand des Drehklappenventiles der Schließteller 3.1 und die Stützen 3.2 so aus dem Strömungsdurchgang ausgeschwenkt sind, dass das strömende Fluid ungehindert das Drehklappenventil durchströmen kann. Zur Vermeidung von Verwirbelungen ist innerhalb des Drehklappenventiles ein strömungstechnisch günstig gestalteter Strömungsdurchgangskörper 5 angeordnet.
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1 zeigt ferner einen Sitzring 2, der aus einem Kreisring aus 1,5 mm dickem Edelstahlblech durch Kalttiefziehen hergestellt wurde. Der Sitzring 2 weist einen ebenen Bereich 2.1 und einen Bereich in Form eines schiefen Kegelstumpfes 2.2 auf. Der Sitzring 2 ist mittels eines Spannringes 6 im Gehäusegrundkörper 1 des Drehklappenventiles befestigt. Dabei ist der Sitzring 2 in azimutaler Richtung so angeordnet, dass sich der steilste Bereich des schiefen Kegelstumpfes 2.2 azimutal in Richtung der radialen exzentrischen Verschiebung des Drehpunktes des schwenkbaren Schließkörpers 3 und der am meisten geneigte Bereich des schiefen Kegelstumpfes 2.2 entgegen der Richtung der radialen exzentrischen Verschiebung des Drehpunktes des schwenkbaren Schließkörpers befindet. Der Schließteller 3.1 des schwenkbare Schließkörpers 3 weist eine Dichtkante 7 auf, die von einem im Schließteller 3.2 verspannten Ring 8 aus einem PTFE-Compound gebildet wird. In der Schließstellung kommt die Dichtkante 7 auf der inneren Mantelfläche des schiefen Kegelstumpfes 2.2 zum Anliegen, wobei durch die azimutale Ausrichtung des Sitzringes 2 erreicht wird, dass in der Schließstellung keine nenneswerte elastische Verformung des schiefen Kegelstumpfes 2.2 zu verzeichnen ist. Dies sichert ein ruckfreies Öffnen des Drehklappenventiles auch bei kleinen Öffnungswinkeln.
