DE2529509A1

DE2529509A1 - Ventildichtung

Info

Publication number: DE2529509A1
Application number: DE19752529509
Authority: DE
Inventors: James P Azzinaro; John E Burdick; Jun Joseph A Wucik
Original assignee: Posi Seal International Inc
Current assignee: Fisher Controls International LLC
Priority date: 1974-07-02
Filing date: 1975-07-02
Publication date: 1976-01-22
Also published as: US3986699A; JPS5124925A; GB1498442A; DE2529509C2; JPS6020860Y2; JPS59146657U; CA1018142A

Description

Dr.-lng. E. BERKENFELD · Dipl.-lng. H. BERKENi-ELD, Patentanwälte, Köln Anlage Aktenzeichen

zur Eingabe vom 30 ^ J_uni ^75 _{my #} Name d. Ann,. pQS I - SEAL INTERN AT I ON AL , INC

P 81/1 Ventildichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abdichtmechanismus und insbesondere einen Ventilabdichtmechanismus mit einem Kontakt Metall auf Metall zum Gewährleisten eines psoitiven Abschlusses auch bei Hochtemperaturbedingungen oder Brandrisiko.

In der US-PS 3 642 248 wird ein Ventilabdichtmechanismus in Form eines eine Schulter aufweisenden und in einer hinterschnittenen Umfangsnute angeordneten Verschleissringes beschrieben. Dieser weist eine kontinuierliche zentrische Rippe auf, die sich durch die öffnung in der Nute radial über den schulterförmigen Abschnitt hinauserstreckt. Die Umfangsfläche der Rippe dient dann als Sitzfläche für und befindet sich in Kontakt mit einer komplementär ausgebildeten Dichtfläche eines Ventilgliedes.

Dieser bekannte Verschleissring wird vorzugsweise mit einem 0-förmigen Stützring aus elastomerem Material kombiniert, der zwischen dem Boden der Nute und dem schulterförmigen Abschnitt des Verschleissringes sitzt. Der Stützring erfüllt eine doppelte Funktion. Er drückt den Verschleissring aus der Nute heraus in festen Kontakt mit der Abdichtfläche und verhindert weiter ein Durchlecken von unter Druck stehendem Betriebsmittel hinter dem Verschleissring.

Eine wichtige Anwendung der in dieser US-PS 3 642 248 beschriebenen Drosselklappenventile liegt in ihrem Einsatz in Systemen zur Handhabung von Betriebsmitteln bei hohem Druck und hohen Temperaturen oder bei entflammbaren Betriebsmitteln, die ein hohes Brandrisiko aufweisen und hieraus zu hohen Temperaturen führen können. Für diese Anwendungen wird vorgeschlagen, den Verschleissring aus voll ge- härtetem rostfreien Stahl herzustellen und ihm zwei sich nach aussen erweiternde Seitenflansche zu geben, die sich jeweils von jeder Seite des schulterförmigen Abschnittes radial entgegengesetzt zu der zentrischen Rippe erstrecken (Spalte 10, Zeile 30 bis Spalte 11,

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Zeile 32).

Mit der Erweiterung der Seitenflansche soll eine gegen die Seitenwände der Nute wirkende Abdichtkraft bewirkt werden. Der Innenumfang der Sitzfläche des Verschleissringes ist so gestaltet, dass zwischen dieser Sitzfläche des Verschleissringes und der Dichtfläche des Ventilgliedes eine radial wirkende Dichtkraft zur Wirkung kommt. Damit wird dieser aus rostfreiem Stahl bestehende Verschleißring seitlich und radial unter einen Vordruck gesetzt. Damit wird an der Grenzfläche zwischen der Sitzfläche und der Dichtfläche wie auch an der Berührungslinie zwischen den Seitenflanschen und den Wänden der Nute eine positive Abdichtung selbst dann erreicht, falls aussergewöhnliche Temperaturen den aus dem elastomeren Material bestehenden StUtzring beschädigen oder zerstören sollten.

Dieser aus rostfreiem Stahl bestehende Verschleissring stellt eine wirkungsvolle "feuerfeste" Abdichtung dar. Der Kontakt Metall auf Metall führt jedoch zu einem höheren Durchlecken als bei anderen aus verschiedenen Kunststoffen hergestellten Verschleissringen. Hinzuzufügen ist, dass auch die Herstellung von metallischen Verschleißringen innerhalb der für eine richtige Vorbelastung notwendigen Maßtoleranzen schwierig und teuer ist.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt damit in der Schaffung eines wirkungsvollen Dichtmechanismus für eine "feuerfeste" und andere Hochtemperaturanwendungen.

Die Erfindung betrifft weiter eine unter einem Vordruck stehende Dichtanordnung Metall auf Metall in Kombination mit einem elastischen nichtmetallischen Dichtring zum Erzielen einer maximalen Abdichtwirkung unter normalen Bedingungen und mit bleibender Abdichtwirkung im Fall einer Beschädigung oder Zerstörung des nichtmetallischen Dichtringes.

Die Erfindung betrifft weiter eine metallische Ventilsitzanordnung für einen mit einem Vordruck arbeitenden Dichtkontakt Metall auf Metall mit einer Dichtfläche eines Ventilgliedes , wobei die Dicht-

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anordnung sowohl einfach wie kostengünstig herzustellen sein soll.

Die Erfindung betrifft weiter eine metallische Ventilsitzanordnung in/Form einer ringförmigen dünnwandigen einsatzartigen Lippe mit einem Innenuflifang, der mit einer Dichtfläche eines Ventilgliedes in Dichtberührung steht.

Die Erfindung betrifft weiter einen metallischen Einsataing für einen Ventilsitz mit einer inneren dünnwandigen einsatzartigen Lippe zum Bewirken eines Dichtkontaktes mit einer Ventilscheibe, wobei der Ring gleichzeitig einen Haltering für einen üblichen, elastischen nichtmetallischen Dichtring darstellt,

Die Erfindung betrifft weiter einen metallischen Einsatzring für einen Ventilsitz der beschriebenen Art mit solchen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Ventilscheibe und Ventilsitz, dass die Dichtwirkung mit steigender Temperatur zunimmt.

Diese und weitere Ziele werden mit dem erfindungsgemässen Abdicht- «echanismus erreicht. Er enthält eine Konstruktion, wie einen Ventilkörper »it einem Kanal mit einem Einlass und einem Auslass für die Betriebsmittelströmung, ein den Strömungskanal an einer Stelle zwischen Einlass und Auslass umschIiessendes ringförmiges Sitzgebiet, und ein Verschlussglied, wie eine Ventilscheibe mit einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Dichtfläche, die in ihrer Form auf das Dichtgebiet abgestimmt ist.

Der verbesserte Dichtmechanismus nach der Erfindung umfasst weiter eine ringföreige, hinterschnittene, einsatzartige Lippe, die in der Hand des Sitzgebietes ausgebildet ist und eine freie Kante aufweist, die in Richtung auf den Einlass des Strömungskanales zeigt. Der Innenuafang der freien Kante der Lippe liegt mit der Dichtfläche des Verschlussgliedes in einer vorgegebenen Passung in Eingriff- Daeit entsteht zwischen der Kante der Lippe und der Dichtfläche des Verschlussgliedes eine unter einer Vorbelastung stehende radiale Dichtkraft. Die Dichtfläche des Dichtgliedes ist im allgemeinen ein in etwa kugelförmiger Abschnitt. Dies erleichtert die verdrehbare Sff-

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nung des Dichtgliedes. Die linienförmige Berührung erfolgt vorzugsweise in einer Ebene in einem Abstand strömungsabwärts von der Ebene des maximalen Scheibendurchmessers. Durch eine Anordnung der Lippe dergestalt, dass ihre freie Kante strömungsaufwärts zeigt, wird die unter einer Vorlast stehende Abdichtkraft durch den Betriebsmitteldruck erhöht, der von der Einlaßseite des Kanales aus gegen die hinterschnittene Seite der Lippe wirkt. Auf diese Weise steigt bei einem Anstieg des Betriebsmittel druckes auch der radiale Abdichtdruck zwischen der Lippe und der Dichtfläche des Ventilgliedes an. Zusätzlich wird die Ventilscheibe bei ansteigendem Betriebsdruck strömungsabwärts in die Zapfenlager bewegt. Damit wird sie fester in dichtenden Eingriff mit der ringförmigen Lippe gedruckt.

Bei der oben beschriebenen Anordnung bildet die ringförmige Lippe des verbesserten Abdichtmechanismus eine äussere Sitzfläche zum Eingriff mit einer kompleaentär ausgebildeten Dichtfläche eines Verschlußgliedes für den Strömungskanal. Die Anordnung kann auch umgedreht werden. Dann bildet die ringförmige Lippe eine innere Sitzfläche auf dem Verschlussglied zwecks Eingriff mit einer in der Wand des Strömungskanales ausgebildeten äusseren Dichtfläche. Die erste Anordnung wird jedoch bevorzugt, da Metall bei_Zugbeanspruchung im Vergleich zu Metall bei Druckbeanspruchung bessere Eigenschaften zeigt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die sich insbesondere für Strömungssysteme eignet, bei denen die normalen Betriebstemperaturen die Verwendung von elastischen nichtmetallischen Dichtungen zulassen, umfasst die ringförmige lippenartige Dichtung Metall auf Netall der vorliegenden Erfindung als die strömungsabwärtige Mündung einer hinterschnittenen Nute zum Halten eines üblichen elastischen Dichtringes, zum Beispiel eines Verschleissringes mit oder ohne Stützring, wie er in der US-PS 3642 248 beschrieben wird. Der elastische Dichtring bildet die Hauptdichtung und gewährleistet bei normalen Betriebsbedingungen ein nur minimales Durchlecken. Die metallische Lippe wirkt als Hilfsdichtung und sichert einen bleibenden Abschluss falls der elastische Dichtringe beschädigt oder zerstört werden sollte.

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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die ringförmige Lippe in einem besonderen Ventilsitz-Einsatzring ausgebildet. Dieser kann auch als Rückhaltering für einen üblichen elastischen Dichtring oder Verschleissring dienen. Die ringförmige Lippe lässt sich einfach und kostengünstig in den Einsatzring einarbeiten. Er kann dann mit Maschinenschrauben oder anderen üblichen Befestigungsmitteln im Sitzgebiet befestigt werden. Die Verwendung eines getrennten Einsatzringes für den verbesserten Abdichtmechanismus der vorliegenden Erfindung ermöglicht, dass diese Abdichtkonstruktion bei Bedarf auch wahlweise in übliche Ventilkörper eingebaut werden kann. Getrennte Einsatzringe lassen sich auch aus Metallen herstellen und Verfahren unterwerfen, die sich insbesondere für vorbelastete Abdichtfunktionen Metall auf Metall eignen. Dies mag zu Eigenschaften führen, die sich für das Material des Ventil körpers oder einer anderen Konstruktion, in die der Dichtmechanismus einzubauen ist, nicht eignet. Insbesondere lässt sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials des Einsatzringes kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Scheibe wählen. Damit lassen sich grössere Andruckkräfte und eine verbesserte Dichtwirkung bei ansteigenden Temperaturen erreichen.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen wird die Erfindung nun weiter beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1: eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung

eines üblichen Zapfenventiles, in das sich die bevorzugte Ausführungsform des verbesserten erfindungsgemässen Abdichtmechanismus einbauen lässt,

Figur 2: ein Teilschnitt durch die bevorzugte Ausführungsform

des Dichtmechanismus in Kombination mit einem üblichen Verschleissring und Abstützring in dem in Figur 1 gezeigten Ventil mit geöffneter Ventilscneibe,

Figur 3: ein Teilschnitt ähnlich Figur 2, jedoch bei geschlossener Ventilscheibe,

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Figur 4: ein Teilschnitt ähnlich Figur 3, jedoch mit auf der Einlaßseite des Ventiles unter Druck eingeführtem Betriebsmittel ,

Figur 5: ein Teilschnitt ähnlich Figur 4 mit der Darstellung der von selbst wirksam werdenden Dichtfunktion des erfindungs gemässen Mechanismus für den Fall einer Zersfirung oder eines Verlustes des Verschleissringes, und

Figur 6: ein Teilschnitt durch eine Ausführungsform ähnlich der

nach Figur 5 aber ohne den für den Verschleißring vorgesehenen Ersatzring«.

Zum besseren Verständnis der Konstruktion und der Arbeitsweise des verbesserten Abdichtmechanismus der vorliegenden Erfindung wird diese nun an einer Ausführungsform beschrieben, die in ein sonst übliches Klappen- oder Zapfenventil eingebaut ist. Figur 1 zeigt ein solches Ventil in auseinandergezogener perspektivischer Darstellung.

Das in Figur 1 gezeigte Ventil enthält einen Ventilkörper 1 in Form einer flachen ringförmigen Scheibe mit einem inneren Kanal 2 mit einem Einlass 3 und einem Auslass 4. Die unterstromseitige oder Auslaßseite 5 des Ventil körpers weist eine ringförmige Einschnürung 6 zur bündigen Aufnahme eines Rickhalteringes 7 auf. Dieser wird mit Flachkopfschrauben 8 angeschraubt. Der Rückhaltering 7 dient zur Befestigung eines Dicht- oder Verschleissringes 9 und eines Stützringes 10 in einer in die unterstromseitige Kante des Kanales 2 eingearbeiteten Umfangsnute 11. Im folgenden wird noch ausgeführt, dass dieser Rückhaltering 7 auch die Sitzanordnung des erfindungsgemässen verbesserten Abdichtmechanismus darstellt.

Eine Ventilscheibe 12 mit einer an ihrem Umfang vorgesehenen Dichtfläche 13 wird in den Kanal 2 eingesetzt und ist dort zwischen einer üffnungsstellung, in der sie im wesentlichen parallel zur Achse des Kanales 2 verläuft, und einer Schließstellung, in der sie im wesentlichen senkrecht zum Kanal verläuft, drehbar. In ihrer Schließstellung liegt ihre Dichtfläche 13 an der Ventilsitzkonstruktion an.

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Zu dieser gehören der Verschleissring 9 und der Rückhaltering 7.

Die Einrichtungen zur verschwenkbaren Befestigung der Ventilscheibe im Kanal zwecks Drehung zwischen der üffnungs- und der Schließstellung enthalten einen Ventilzapfen 14. Dieser ist in oberen und unteren Buchsen 15 bzw. 16 drehbar in einer diametral durch den Ventilkörper durchgebohrten Sacklochbohrung 17 gelagert. Der Ventilzapfen 14 tritt weiter durch eine Bohrung 18 durch, die durch einen diametralen Vorsprung 19 auf der stromaufwärtigen Seite der Ventilscheibe durchgebohrt ist. Mit Stuten 20 ist die Ventilscheibe mit dem Zapfen verbunden.

Ein Durchlecken entlang des oberen Endes des Ventilzapfens 14 wird mit einer üblichen Packung verhindert. Diese Packung enthält einen Abstandhalter 21 und elastische Stopfringe 22, Diese werden in der Sacklochbohrung 17 an die Oberseite der Büchse 15 angedrückt. Hierzu werden der Dichtring 23 und die Platte 24 mit auf Gewindebolzen 26 aufgeschraubte Muttern 25 nach unten gedruckt. In seinen Buchsen wird der Ventilzapfen 14 mit der Hand oder einen im einzelnen nicht dargestellten und an das obere Vierkantende 27 angeflanschten Motor gedreht.

Die Konstruktion und Arbeitsweise der verbesserten erfindungsgemässen Abdichtung wird nun in den Figuren 2 bis 6 in ihren Einzelheiten gezeigt.

Figur 2 zeigt einen Abschnitt der zusammengesetzten Dichtanordnung des Ventiles nach Figur 1. Die Form des eine Schulter aufweisenden Dichtringes 9 und des Abstützringes 10 und ihre Anordnung in der Nute 11 sind im wesentlichen so, wie dies in der bereits genannten US-PS 3 642 248 beschrieben wird.

Die erfindungsgemässe Verbesserung wird gekennzeichnet durch eine ringförmige hinterschnittene schürzenartige Lippe 28, die in den Rückhaltering 7 eingearbeitet ist und die unterstromseitige öffnung der Nute 11 darstellt. Die Lippe 28 verläuft im allgemeinen strömungsaufwärts und sie weist eine freie Kante 29 auf, die strömungs-

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aufwärts in Richtung auf den Einlass des Kanales 2 verläuft. Die Innenfläche 30 der Lippe 28 hat an deren freier Kante einen Durchmesser, der kleiner als der des Kanales 2 ist. Der Durchmesser der Innenfläche 30 ist etwa genau so wie der Durchmesser der Sitzfläche 31 des Dichtringes 9.

Die Durchmesser von sowohl der Innenfläche 30 der Lippe 28 und der Sitzfläche 31 des Dichtringes 9 sind auch kleiner als der Durchmesser der Dichtfläche 13 der Ventilscheibe 12. Befindet sich diese in ihrer in Figur 2 gezeigten Schließstellung liegen die Sitzflächen 30 und 31 der Lippe 28 bzw. des Dichtringes 9 an der Dichtfläche 13 der Ventilscheibe 12 an. Dies erfolgt im Feststiz und eine radiale Abdichtkraft wirkt dabei zwischen den Sitzflächen und der Dichtfläche der Ventilscheibe.

Zwecks maximaler Abdichtwirkung und minimalen Drehmomentes beim Verstellen besteht der Dichtring 9 vorzugsweise aus einem elastischen Kunststoffmaterial, wie zum Beispiel Tetrafluoräthylen. Ein solches Material hat einen verhältnismässig niedrigen Elastizitätsmodul. Die aus dem Feststiz zwischen dem Ring und der Scheibe erzielbare Abdichtkraft ist auch verhältnismässig klein. Durch Anwendung eines elastomeren Abstutzringes 10 geeigneter Grosse werden damit durch das Zusammenquetschen dieses Ringes zusätzliche Abdichtkräfte erzeugt. Figur 2 zeigt dieses Bild. Der sich aus einer vorgegebenen auf den Dichtring wirkenden Abdichtkraft ergebende radiale Abdichtdruck lässt sich auch dadurch erhöhen, dass zum Vermindern der Berührungsfläche zwischen dem Ring und der Ventilscheibe ein ringförmiger Abschnitt 32 aus dem Dichtring 9 herausgeschnitten wird.

Die Figuren 4 und 5 zeigen die Auswirkung des Einführens von unter Druck stehendem Betriebsmittel auf die Einlaßseite des Ventiles. In Figur 4 neigt das unter Druck stehende und durch den Pfeil angedeutete Betriebsmittel dazu, das* stromaufwärtige Ende des Dichtringes 9 von der stromaufwärtigen Seitenwand 33 der Nute wegzudrükken. Das Betriebsmittel läuft dann in das Gebiet zwischen dem Dichtring und dem Boden 34 der Nute ein, von wo es den elastomeren Stützring in die strömungsabwärtige Ecke der Nute drückt. Als Folge hier-

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von erhöht sich die Abdichtwirksamkeit der bekannten Kombination aus Dicht- und Abstutzring, wie sie in der bereits erwähnten US-PS 3 642 248 beschrieben wird. Solange wie der Abdicht- und der Stützring ganz und voll betriebsfähig sind trägt die unter einem Vordruck stehende Metallippe 28 der vorliegenden Erfindung wenig oder nichts zur Abdichtung bei.

Werden der Dichtring 9 und der Abstutzring 10 jedoch zum Beispiel durch Brand beschädigt oder zerstört, ergibt sich die in Figur 5 gezeigte Situation. In diesem Fall füllt das unter Druck stehende Betriebsmittel die Nute 11 aus da und der einzige Kontakt zwischen dem Ventilsitz und der Scheibe erfolgt zwischen der Innenfläche der freien Kante der Lippe 28 und der Dichtfläche 13 der Ventilscheibe.

Der Grund für ein Hinterschneiden der Lippe zum Ausbilden eines dünnwandigen schürzenartigen Ringes ergibt sich bei einer Betrachtung von Figur 5. Die Lippe 28 wirkt wie ein Federglied, das sich mit der Ventilscheibe in eine Passung mit beträchtlichem radialen Übermaß bringen lassen kann, ohne dass dabei die Betriebsfähigkeit des Ventiles übermässig beeinträchtigt wird. Eine nominale radiale Passung von mindestens 0,125 mm ist selbst bei den kleinsten Ventilgrössen notwendig, um bei sämtlichen Ventil- und Sitzkombinationen unter normalen Herstellungstoleranzen einen Dichtsitz zu erhalten. Die Aussenfläche 35 der Lippe 28 bildet zusätzlich eine Fläche, an der sich der durch die Pfeile angezeigte Druck des Systemes aufbauen kann und damit zusätzliche Abdichtkräfte hervorruft. Die Form der Lippe führt daher zu einer von selbst wirksam werdenden Abdichtung, die/die Abdichtwirkung bei ansteigendem Systemdruck erhöht.

Die Abdichtwirksamkeit der Lippe kann auch mit steigender Temperatur zunehmen, falls der thermische Ausdehnungskoeffizient des die Lippe bildenden Materials kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Ventilscheibe ist. Besteht diese zum Beispiel aus rostfreiem Stahl und besteht der Ring aus Kohlenstoffstahl, wird der Scheibenumfang bei steigender Temperatur rascher zunehmen, als der Umfang der Lippe und die Scheibe damit fester auf den Lippen-

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ring andrücken. Abhängig von den Betriebsbedingungen des Ventiles können auch Werkstoffe mit entsprechend anders voneinander abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten gewählt werden.

Die Kombination eines bekannten Abdichtringes und Stützringes mit der erfindungsgemässen Abdichtung Metall auf Metall nach der Darstellung in den Figuren 2-4 ist in den meisten Fällen die bevorzugte Ausführung zum Erreichen maximaler Abdichtung. Figur 6 zeigt eine alternative Ausführungsform. Hier wird die erfindungsgemässe Dichtung in Kombination mit allein änem Dichtring verwendet. Diese Ausführungsform ist angezeigt, wenn die Betriebsbedingungen für das elastomere Material des Abstützringes, im allgemeinen Naturkautschuk oder sythetischer Kautschuk, abträglich sind. Wie zuvor kann der Abdichtring aus einem elastischen Material, wie zum Beispiel TFE, hergestellt werden. In extremen Fällen könnte er auch aus Metall hergestellt werden, falls eine doppelte Dichtung Metall auf Metall notwendig ist.

Nach der Darstellung in Figur 6 ist der Dichtring unter normalen Bedingungen allein wirksam und dichtet sowohl an der Grenzfläche zwischen der Sitzfläche 31 und der Dichtfläche 13 wie auch hinter dem Dichtring an der Grenzfläche zwischen der stromabwärtigen Seitenwand 36 der Nute und dem Flansch des Dichtringes 9 ab. Dies geschieht in Folge des sich hinter dem Dichtring aufbauenden Druckes, der radial nach Innen und seitlich nach Aussen gegen die Rückseiten der Sitzabschnitte und Seitenflansche des Ringes wirkt.

Obwohl die bevorzugte Ausführungsform des hinterschnittenen, ringförmigen, schürzenartigen Dichtmechanismus der vorliegenden Erfindung in der Kombination mit der Konstruktion des Dicht- und Stützringes nach der US-PS 3 642 248 liegt, lässt sich der Dichtmechanismus bei Bedarf auch mit anderen üblichen elastischen Dichtgliedern oder allein mit sich selbst verwenden. Bei Konstruktionen, bei denen die hinterschnittene schürzenartige Dichtung allein verwendet werden soll, braucht für einen elastischen Dichtring die strömungsaufwärtige Nute nicht ausgebildet zu werden. Bei Standardventilen jedoch, zum Beispiel mit der in Figur 5 geneigten Nutenanordnung,

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ergibt sich abhängig von den für das Ventil beabsichtigten Betriebs bedingungen eine grosse Vielzahl von Dichtkombinationen.

Die für den Abdichtmechanismus der vorliegenden Erfindung bevorzugte Ausführungsform ist auch als ein Teil eines Rückhalte- oder Einsatzringes gezeigt worden. Die hinterschnittene schürzenartige Lippe der Erfindung lässt sich unmittelbar in die Wand des Strömungskanals eines Ventilkörpers einarbeiten. Ein getrennter Einsatzringt bringt jedoch mehrere Vorteile. Einige dieser Vorteile, wie die erleichterte Bearbeitung und die Anwendung von für einen Ventilsitz besonders geeigneten Werkstoffen sind bereits oben beschrieben worden.

Die Gestalt des Rückhalteringes der gezeigten Ausführungsform ermöglicht zusätzlich ein einfaches Einsetzen des Dichtringes und/ oder des Abstützringes und führt weiter zu einem gewissen Maß an Selbstzentrierung. Damit wird eine gewisse Fehlzentrierung der Ventilscheibe im Ventilkörper aufgehoben. Diese Selbstzentrierung ergibt sich durch Schliessen der Ventilscheibe vor dem Anziehen der Befestigungsschrauben des Rückhalteringes. Das Spiel in den Schraubenlöchern ermöglicht ein gewisses Verschieben des Ringes zu seiner Anpassung an die Ventilscheibe. Anschliessend werden die Schrauben angezogen.

Zuvor wurde bereits ausgeführt, dass die hinterschnittene schürzenartige Lippe wie ein Federglied wirkt. Bei der Konstruktion einer Dichtung für eine bestimmte Anwendung ist es daher wichtig sicherzustellen, dass die Fliessgrenze des Metalles nicht überschritten wird. Für eine vorgegebene Ventilgrösse lässt sich die Gleichung zum Bestimmen des maximal zulässigen radialen Obermaßes aus der Grundgleichung für elastische Werkstoffe und der geometrischen Form der ringförmigen Lippe leicht ableiten.

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dabei ist /\r das maximal zulässige radiale übermass in Zoll,

S die maximal zulässige Zugbeanspruchung in der Lippe in pound pro Quadratzoll ,

E der Young'sche Modul für das die Lippe bildende Material in pound pro Qudratzoll und

d der durchschnittliche Durchmesser der Lippe in Zoll.

Experimentell wurde ermittelt, dass ein radiales Übermaß von etwa 0,005 Zoll bis etwa 0,010 Zoll für Venti1grössen im Bereich von 1,5 bis 36 Zoll Durchmesser befriedigende Ergebnisse bringen. Bei Grössen oberhalb von 36 Zoll wird erwartet, dass das radiale Obermaß auf von etwa 0,008 Zoll bis etwa 0,015 Zoll erhöht werden sollte. Diese Zahlen sollen nur als Beispiel und nicht beschränkend anzusehen sein. Sie beziehen sich auf diejenigen Maße, die nach einem Einschleifen der Ventilscheibe und des Sitzes nach mehreren öffnungs- und Schiiessvorgängen gemessen werden. Selbst bei geschliffenen Passflächen wurde gefunden, dass sich der gemessene Innendurchmesser der hinterschnittenen Lippe während der zehn ersten Betriebszyklen des Ventiles um 0,015 Zoll auf mehr als 0,020 Zoll erhöht. Eine vorbestimmte Vorbelastung könnte damit verlorengehen, falls diese anfängliche Abnutzung unberücksichtigt tflelibt.

Zusätzlich zu einer Begrenzung des radialen Obermaßes, so dass es innerhalb der Elastizitätsgrenze des die Abdichtlippe bildenden Materials bleibt, ist es weiter wichtig, die Querschnittsfläche der Lippe (Breite mal Dicke) zu begrenzen, um damit die in der Lippe herrschende Zugspannung unter einem Wert zu halten, der sich auf das für das Ventil maximal erwünschte Drehmoment bezieht. Diese Beziehung zwischen der Zugstärke und dem Betätigungsdrehmoment lässt sich experimentell bestimmen. Die entsprechende Querschnittsfläche A wird durch die Gleichung gegeben:

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F . d
^{A =} 2E .

dabei ist F die maximal zulässige Zugkraft in pound,

d der Durchschnittsdurchmesser der Lippe in Zoll,

E der Young'sche Modul in pound pro Quadratzoll und /\r das radiale Übermaß in Zoll.

Um für Fachleute zu erläutern, wie die vorliegende Erfindung auf einen Bereich von Venti1grössen angewendet werden kann, werden in der folgenden Tabelle repräsentative Abmessungen der Lippe für drei VentilgrÖssen gegeben. Sämtliche Abmessungen sind/in Zoll zu verstehen;

Ventilgrösse Lippenbreite Lippenstärke

6 0,135 0,020

10 0,140 0,025

20 0,180 0,025

Bei jeder der obigen Beispiele liegt die Breite der hinterschnittenen Lippe i zwischen dem mindestens Fünffachen und weniger als dem Zehnfachen ihrer Stärke. Obgleich der Betriebsbereich der erfindungs· gemässen Abdichtung nicht auf Werte zwischen diesen Verhältnissen beschränkt ist, stellen sie bevorzugte praktische Grenzen dar. Bei einem Verhältnis der Breite zur Stärke von etwa 5 ist das Drehmoment leicht höher als erwünscht und diecfem Systemdruck ausgesetzte Fläche ist zu gering, um eine merkbare Selbstbetätigung zu erreichen. Bei einem Verhältnis von mehr als etwa 10 lässt sich die Lippe schwierig bearbeiten und die ohne überschreit'·"¹ der Elastizitätsgrenze des Materials erreichbare maximale Vorbelastung fällt unter die optimalen Werte.

Die bevorzugte Ausführungsform des verbesserten Dichtmechanismus

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der vorliegenden Erfindung ist somit erläutert und beschrieben worden. Fachleuten leuchtet es jedoch ein, dass die Erfindung nicht notwendigerweise auf die beschriebenen AusfUhrungsformen beschränkt ist und dass eben jene Fachleute auch weitere Anordnungen und Ausgestaltungen ermitteln können, die im Rahmen der erfinderischen Lehre der vorstehenden Offenbarung liegen.

Die bevorzugte Ausführungsform ist zum Beispiel mit der hier hinterschnittenen ringförmigen Lippe erläutert worden, die mit der Umfangsdichtfläche auf einer Ventilscheibe ein äusseres Sitzglied bildet. Die Stellungen der Dichtfläche und der ringförmigen Lippe lassen sich jedoch austauschen, so dass die Lippe von der Ventilscheibe oder einem ähnlichen Schliessglied für den inneren Strömungs kanal getragen wird, und die Dichtfläche bildet dabei den Ventilsitz.

Bei einer solchen Anordnung würde die ringförmige Lippe unter Vordruck gesetzt werden. Da die Zugfestigkeit von Metall nun wesentlich besser als die Druckfestigkeit ist, wird diejenige Anordnung bevorzugt, bei der die Metallipe die Dichtfläche umschliesst. Andere für die Lippe verwendbare Werkstoffe, die überlegene Druckfestigkeiten aufweisen, wie möglicherweise Keramik, könnten sich für die andere Ausführungsform besser eignen.

PATENTANSPRÜCHE

S09884/CK37

Claims

Dr.-lng. E. BERKENFELD · Dipl.-I|>g. H, BiRKENFELD, Patentanwälte, Köln

30. Juni 1975 my. ZH'w POSI-SEAL INTERNATIONAL₁INC.

PATENTANSPRÜCHE

Γΐ .J Venti !dichtung für ein Ventil mit einem Ventilkörper mit einer Einlassöffnung, mit einer Auslassöffnung und einem Einlass und Auslass/verbindenden Strömungskanal, mit einer ersten Ringfläche, die in der Wand des Strömungskanales an einer Stelle i zwischen Einlass und Auslass ausgebildet ist, mit einer Ventilscheibe mit einer zweiten auf ihrem Umfang ausgebildeten Ringfläche, wobei eine dieser beiden Flächen ein Sitzgebiet und die andere Fläche eine Dichtfläche bildet, und mit Einrichtungen zum schwenkbaren Lagern der Ventilscheibe in dem Kanal zum Drehen der zweiten Ringfläche in und ausser Eingriff mit der ersten Ringfläche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilsitz- Einsatzring im Sitzgebiet befestigt ist, der Einsatzring eine dünnwandige schürzenartige Lippe aufweist, die Kante der Lippe strömungsaufwärts in Richtung auf den Einlass des Kanales zeigt und mit der Dichtfläche in einer vorgegebenen Passung in Eingriff liegt zum Ausbilden einer radialen Dichtkraft zwischen der Kante der Lippe und der Dichtfläche, wenn die zweite Ringfläche mit der ersten Ringfläche in Eingriff gedreht wird, in dem Sitzgebiet strömungsaufwärts des Einsatzringes eine Nute ausgebildet ist und die Kante der Lippe des Einsatzringes als die stromabwärtige Mündung dieser Nute ausgebildet ist, und ein elastischer Dichtring in der Nute liegt und mit einer an seinem Umfang befindlichen Sitzfläche durch die Mündung der Nute hindurchragt zum dichtendem Eingriff mit der Dichtfläche, sofern die Ventilscheibe gedreht wird, so dass sich die zweite Ringfläche mit der ersten Ringfläche in Eingriff befindet.
2. Ventildichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

das die Ventilscheibe bildende Material einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der mindestens gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Einsatzringes ist.
3. Ventildichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem Ventilkörper einen Strömungskanal zwischen einem Einlass und einem Auslass aufweist, in dem Kanal zwischen Einlass und

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Auslass ein Ventilsitz ausgebildet ist, ein Ventilglied mit einer an seinem Umfang befindlichen Dichtfläche vorgesehen ist und dieses verdrehbar in dem Kanal gelagert ist zum Verdrehen in eine Schliess- bzw. eine üffnungsstellung an dem Ventilsitz, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wand des Strömungskanales an der Stelle des Ventilsitzes eine Umfangsnute ausgebildet ist, die Nute eine in Richtung auf den Einlass des Strömungskanales zeigende $ strömungsaufwärtige Seitenwand und eine in Richtung auf den Auslass des Kanales zeigende strömungsabwärtige Seitenwand aufweist, ein elastischer Dichtring in der Nute angeordnet ist und mit einer an seinem Umfang angeordneten inneren Sitzfläche durch die Mündung der Nute hindurchragt zum dichtenden Eingriff mit der Dichtfläche des Ventilgliedes zum Ausbilden einer primären Abdichtung mit diesem Ventilglied, und an der strömungsabwärtigen Seitenwand der Mündung der Nute eine hinterschnittene schürzenartige Lippe ausgebildet ist, die von der strömungsabwärtigen Seitenwand in Richtung auf die strömungsaufwärtige Seitenwand verläuft, und der Innenumfang der Kante der Lippe mit der Dichtfläche des Ventilgliedes in einem vorgegebenen Paßsitz in Eingriff liegt, um mit diesem eine sekundäre Abdichtung zu bilden, so dass diese sekundäre Abdichtung einen Durchtritt von Strömungsmittel zwischen dem Einlass und dem Auslass des Kanales bei einer Beschädigung oder Zerstörung des elastischen Dichtringes verhindert.
4. Ventildichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Dichtring aus einem nicht metallischen Werkstoff besteht.
5. Ventildichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Dichtring aus einem Kunststoff besteht.
6. Ventildichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der die Scheibe bildende Werkstoff einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der mindestens gleich ist dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Einsatzringes.
7. Ventildichtung nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet,

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dass in der Wand des Strömungskanales im Sitzgebiet eine ringförmige hinterschnittene schürzenartige Lippe ausgebildet ist, die Lippe eine freie Kante aufweist, die strömungsaufwärts in Richtung auf den Einlass des Strömungskanales zeigt, der Innenumfang der freien Kante der Lippe mit der Dichtfläche des Verschlussgliedes in einer Ebene in Eingriff liegt, die gegenüber der Ebene des maximalen Umfanges des Verschlussgliedes strömungsabwärts verschoben ist und der Eingriff in einer vorgegebenen festen Passung erfolgt, so dass zwischen der Kante der Lippe und der Dichtfläche des Verschlussgliedes eine radial wirkende Dichtkraft entsteht, so dass zwischen dem Einlass und dem Auslass des Strömungskanales herrschende positive Druckunterschiede auf die hinterschnittene Seite der Lippe einwirken und die radiale Dichtkraft wzwischen deren Kante und der Dichtfläche des Verschlussgliedes erhöhen, und das Verschlussglied mit dieser Erhöhung des Druckunterschiedes in festeren Dichteingriff mit der freien Kante der Lippe gedrückt wird.
8. Ventildichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die hinterschnittene Lippe im Querschnitt rechteckförmig ist und die Breite der Lippe wesentlich über ihrer Stärke liegt.
9. Ventildichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der hinterschnittenen Lippe bei mindestens dem Fünffachen ihrer Stärke liegt.
10. Ventildichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der hinterschnittenen Lippe zwischen etwa dem Fünf und Zehnfachen ihrer Stärke liegt.
11. Ventildichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das radiale Obermaß zwischen der Kante der Lippe und der Dichtfläche des Verschlussgliedes bei mindestens etwa 0,125 mm liegt.
12. Ventildichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das radiale Übermaß zwischen der Kante der Lippe und der Dichtfläche des Verschlussgliedes zwischen etwa 0,125 mm und 0,375 mm liegt.

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13. Ventildichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strömungskanal strömungsaufwärts von der schürzenartigen Lippe eine Umfangsnute ausgebildet ist und die Kante dieser Lippe die strömungsabwärtige öffnung der Nute bildet, und in der Nute ein elastischer Dichtring liegt und mit einer an seinem Umfang befindlichen Sitzfläche durch die Mündung der Nute hindurchragt zum dichtendem Eingriff mit der Dichtfläche des Verschlussgliedes, wenn sich dessen Dichtfläche in Anlage mit der freien Kante der Lippe befindet.

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