DE3014854C2

DE3014854C2 - Drosselklappenventil

Info

Publication number: DE3014854C2
Application number: DE3014854A
Authority: DE
Inventors: Mikimaro Yao Osaka Nakanishi
Original assignee: Tomoe Technical Research Co Ltd
Current assignee: Tomoe Technical Research Co Ltd
Priority date: 1979-04-20
Filing date: 1980-04-17
Publication date: 1983-12-01
Also published as: MX150289A; US4289297A; EP0018220A1; DE3014854A1; EP0018220B1; NO148935B; NO801080L; AU526770B2; ES491443A0; NO148935C; GB2046882A; PH18033A; ES8103322A1; CA1125725A; GB2046882B; AU5751580A; BR8002398A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Drosselklappenventil gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Das DE-GM 78 26 302 betrifft ein derartiges Drosselklappenventil, bei dem der Dichtungsring für den Verschlußteller eine Umfangskontur für die Dichtung bildet, die im Mittelbereich breiter ist als in den Bereichen, die in der Nähe der Spindellagerung liegen. Der Übergang der Umfangskontur vom Mittelbereich zu den in der Nähe der Spindellagerung liegenden Bereichen erfolgt über Abschrägungen, über deren Verlauf nichts Näheres ausgesagt ist. Sie sollen lediglich eine definierte Dichtfläche bilden, die wesentlich schmaler ist als die volle Breite eines Zwischenflanschgehäuses, so daß die Reibkraft beim Bewegen des Verschlußtellers je nach ihrer Stellung wesentlich vermindert ist.

Aus dem DE-GM 69 17 433 ist ferner bereits eine Drosselklappe mit einer Dichtungseinlage für den Verschlußteller bekannt, welche nach innen oder nach außen gewölbt ist und parallele Umfangskonturen hat. Beim Drehen des Verschlußtellers aus vollgeöffneter Stellung in die volle Absperrstellung kommt ein in der Nähe der Verschlußtellerspindei liegender Teil des Verschlußtellers zuerst mit der Dichtungsfläche in Berührung und muß anschließend gegen die Bremswirkung der üblicherweise aus Kautschuk bestehenden Dichtungsfläche gedreht werden. Dadurch ist das zum Schließen erforderliche Drehmoment zu Beginn des Schließvorgangs verhältnismäßig klein und steigt gegen Ende stark an. Das Stellorgan für das bekannte Drosselklappenventil muß daher auf das größte Schließdrehmoment ausgelegt sein, obgleich über den größten Teil der Schließbewegung ein wesentlich schwächeres Stellorgan ausreichen würde. Als Stellorgan kommen Hydraulikzylinder, Elektromotoren, mechanische Antriebe o. ä. in Frage.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Drosselklappenventil zu schaffen, dessen Verschlußteller praktisch über alle Winkelstellungen mit einem gleichen, geringen Drehmoment bewegbar ist

Diese Aufgabe wird bei einem Drosselklappenventil der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Dadurch ist das erfindungsgemäße Drosselklappenventil mit einem verhältnismäßig schwachen Antrieb betätigbar, der klein und wirtschaftlich herstellbar ist Außerdem hat der Dichtungsring eine größere Lebensdauer, weil keine übermäßigen Belastungen punktförmigen oder angenähert punktförmigen Bereichen auftreten. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß -vegen der praktisch überall gleichzeitig erfolgenden Berührung der Umfangskontur des Dichtungsringes ein gleichmäßiger Verschleiß auftritt und damit die Absperrung des Rohrleitungsquerschnitts auch noch bei bereits bis zu gewissem Maße verschlissenem Dichtungsring gewährleistet bleibt.

Vorzugsweise hat die Umfangskontur der Dichtungsfläche in der Mitte zwischen den ersten Flächen längs eines Umfangsbereichs von 120° den Verlauf einer Cosinusfunktion.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht einer Drosselklappe in geschlossener Stellung,

F i g. 2 eine perspektivische Darstellung der Drosselklappe gemäß F i g. 1 mit leicht geöffnetem Verschlußteller,

F i g. 3 einen perspektivischen Teilschnitt durch den Dichtungsring der Drosselklappe gemäß F i g. 1,

Fig.4 eine abgewickelte Darstellung des halben Umfangs des Dichtungsringes gemäß F i g. 1,

F i g. 5 eine Schemazeichnung der Drosselklappe gemäß Fig. 1 unter Darstellung der Abhängigkeit der Berührung des Verschlußtellers mit einem Vorsprung am Dichtungsring,

F i g. 6 einen Schnitt entlang der Linie Vl-VI in F i g. 1,

Fig.7 eine abgewickelte Darstellung einer weiteren Ausführung des Dichtungsringes, und

F i g. 8 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI in F i g. 1 unter Darstellung einer weiteren Ausführung des Dichtungsringes mit konkaver Dichtfläche.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein ringförmiges Gehäuse 2 aus starrem Material, das mit einem ebenfalls ringförmigen Dichtungsring 1 aus elastischem Material, beispielsweise Kautschuk, an seiner Innenwand ausgekleidet ist. Der Dichtungsring 1 weist einen Vorsprung 3 auf, der an seinen Umfang angeformt ist und an diametral gegenüberliegenden Stellen je eine ringförmige Erweiterung 5 mit einer konzentrischen Öffnung 4 aufweist. Die ringförmige Erweiterung 5 geht in den Vorsprung 3 über. Die Öffnung 4 durchsetzt den Dichtungsring 1 und setzt sich bis in das Gehäuse 2 fort. Die Oberseite 6 der ringförmigen Erweiterung 5 ist eben und bildet eine

Gleitfläche; in der Öffnung 4 sitzt eine Spindel 8, an der ein Verschlußteller 7 aus starrem Material befestigt ist D'e Oberseite 6 der Erweiterung 5 ist in einer anderen, nicht dargestellten Ausführung konkav geformt Der Rand des Verschlußtellers 7 ist in der Nähe dir Spindel 8 mit einer Abflachung 9 versehen, die auf der Oberseite 6 der ringförmigen Erweiterung 5 bei Drehung des Verschlußtellers 7 gleitet Der Drehpunkt liegt in der Drehachse der Spindel 8. In einer nicht dargestellten anderen Ausführung ist die auf der Erweiterung aufliegende GJfätfläche keine Abflachung, sondern eine konvex gekrümmte Fläche.

Die Oberfläche des Vorsprungs 3 bildet eine Dichtungsfläche 10, gegen die der Rand 11 des Verschlußtellers 7 in der Stellung gemäß F i g. 1 gepreßt wird. Dadurch sperrt der Verschlußteller 7 den Strömungspfad 31 durch das Gehäuse 2 ab. Die Dichtungsfläche 10 hat im Abstand zur Drehachse 12 der Spindel 8 am Umfang eine größere Breite als in der Nähe der Drehachse 12. Die Drehachse 12 verläuft durch die Mitte der diametral gegenüberliegenden öffnungen 4. Der Vorsprung 3 ist demnach derart geformt, daß er eine weiche Umfangskontur 15 aufweist, deren Breite von einer am weitesten zur Drehachse 12 entfernten Stelle 13 allmählich über einen Zwischenbereich 14 zur öffnung 4 hin schmäler wird.

F i g. 4 zeigt eine Draufsicht auf einen abgewickelten Dichtungsring 1, wobei die Mitte zwischen den zwei öffnungen 4 mit der Stelle 13 zusammenfällt, die an der Stelle der Dichtungsfläche 10 liegt, an der eine durch den Mittelpunkt 16 des Verschlußtellers 7 verlaufende Horizontale 17 die Dichtungsfläche 10 berührt. Gemäß F i g. 4 ist der konvexe Vorsprung 3 des Dichtungsringes 1 an der Stelle 13 am breitesten und wird in Richtung auf die Öffnungen 4 schmäler.

Die F i g. 5 und 6 zeigen eine Ausführung der den konvexen Vorsprung 3 bildenden Umfangskontur 15. Zur einfacheren Erläuterung wird angenommen, der Verschlußteller habe lediglich eine infinitesimale Dicke. F i g. 5 zeigt eine Schemadarstellung des Verschlußtellers 7 und des Vorsprunges 3 in der gleichen Richtung wie F i g. 1 gesehen, wobei der Drehradius des Verschlußtellers 7 im Zwischenbereich 14 r ■ cos0 ist, wobei θ der Winkel des Radius rdes Verschlußtellers 7 gegenüber der senkrecht auf der Drehachse 12 stehenden Horizontalen 17 ist. Fig.6 zeigt einen Querschnitt durch den Dichtungsring 1 mit zwei Stellungen des Verschlußtellers 7 bei der Annäherung an eine Absperrstellung, wobei in der einen strichpunktierten Stellung der Rand 11 des Verschlußtellers 7 den Vorsprung 3 des Dichtungsringes 1 lediglich berührt, während in der anderen, voll ausgezogenen Stellung der gesamte Rand 11 des Verschlußtellers 7 mittig auf dem Vorsprung 3 des Dichtungsringes 1 aufliegt. Der Winkel zwischen diesen beiden in F i g. 6 dargestellten Stellungen des Verschlußtellers 7 ist mit λ bezeichnet; die Größe der Versetzung des Randes 11 des Verschlußtellers 7 aus der Mittelebene der Drosselklappe ist mit / angegeben. Da der Drehradius des Randes 11 im Zwischenbereich 14 r ■ cos8 beträgt, gilt folgende Beziehung:

/ = r · cos θ · sin α = (r ■ sin α) cos θ

Daher läßt sich der Abstand / als Cosinusfunktion darstellen.

Wird demnach für die Umfangskontur 15 des konvexen Vorsprunges 3 ein Cosinusprofil gewählt, dann berührt der Rand 11 des Verschlußtellers 7 den Vorsprung 3 des Dichtungsringes 1 bei einer Drehung des Verschlußtellers 7 praktisch überall gleichzeitig, wobei zur Drehung des Verschlußtellers 7 nur ein verhältnismäßig kleines Drehmoment erforderlich ist
Die Umfangskontur 15 kann aber auch etwas von einer Cosinus-Kurve abweichen, und zwar abhängig von der Abmessung der Drosselklappe, der Dicke des Randes 11 des Verschlußtellers 7, der Höhe des konvexen Vorsprunges 3 des Dichtungsringes 1 oder

ίο der Querschnittsform des Vorsprunges 3. Letzterer kann bogenförmig, dreieckförmig oder kegeistumpfförmig sein. Die Kontur läßt sich daher auf zahlreiche Arten anpassen. Die grundlegende Gemeinsamkeit ist jedoch darin zu sehen, daß die Umfangskontur 15 eine Funktion des Winkels Θ, beispielsweise eine trigonometrische Funktion ist Ist die Dicke des Randes U des Verschlußtellers 7 an allen Stellen gleich groß, dann braucht nicht die gesamte Umfangskontur 15 einen Cosinusverlauf zu haben, sondern es reicht aus, wenn nur ein Teil der Umfangskontur 15 einem Cosinusverlauf folgt 1st hingegen der gesamte Verlauf der Umfangskontur 15 cosinusförmig, dann wird die Breite 1 des konvexen Vorsprunges 3 in der Nähe der öffnung 4 in bezug auf Festigkeitsüberlegungen zu schmal, so daß also nicht die gesamte Umfangskontur 15 cosinusförmig ist.

Im nachfolgenden wird die Einwirkung des Randes 11 des Verschlußtellers 7 auf den Dichtungsring 1 in Abhängigkeit vom erforderlichen Stelldrehmoment erläutert.

Im Zwischenbereich 14 gemäß Fig. 1 ist die Reibungskraft je Längeneinheit zwischen Dichtungsring 1 und Verschlußteller 7 durch f darstellbar. Der Radius des Verschlußtellers 7 wird mit r bezeichnet Die Reibungskraft je Längeneinheit an der unter dem Winkel Φ gegenüber der Drehachse 12 erscheinenden Zwischenbereich 14 ist f ■ r ■ ΔΦ, während das zur Drehung des Verschlußtellers 7 gegen diese Reibungskraft aufzubringende Drehmoment

r ■ sin Φ ■ f ■ r ■ ΔΦ

ist. Eine Integration von 0° bis Φ ergibt für das gesamte Drehmoment Tsdie folgende Beziehung

Ts = λ(1 -cos Φ).

Wird das gesamte Drehmoment von Φ = 0° bis Φ = 90° als Einheit gesehen, dann ergeben sich für unterschiedliche Werte von Φ die folgenden Drehmomente:

Man erkennt daraus, daß 70% des gesamten Drehmomentes im Bereich Φ von 45 bis 90° auftritt. Zweckmäßigerweise hat die Umfangskontur 15 der Dichtungsfläche 10 daher zwischen 45 und 90°, vorzugsweise zwischen 30 und 90° einen kosinusförmigen Verlauf.

F i g. 7 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung, wobei zwischen den Öffnungen 4 und der Stelle 13 der

Φ	Drehmoment
0°	0
0°-30°	0,13
0°-45°	0,3
0°-60°	0,5
0°-90°	1,0

Dichtungsring 71 einen Zwischenbereich 18 aufweist, der unter einem Winkel von Φ = 45° liegt. Der Zwischenbereich 18 liegt daher in der Mitte zwischen der Öffnung 4 und der Stelle 13. Der zwischen den beiden Zwischenbereichen 18 liegende Teil der Dichtungsfläche 10 des Vorsprunges 3 ist wie in der zuvor erwähnten Ausführung gekrümmt, während der anschließende Teil der Umfangskontur 15 geradlinig ist.

Dadurch wird der gleiche funktionale Effekt wie beim Dichtungsring 1 erzielt; in der Nähe der Spindel 8 ist der Dichtungsring jedoch breiter und damit stärker. Außerdem ist er mechanisch einfacher und damit wirtschaftlicher herstellbar.

Durch Verwendung eines Dichtungsringes 1 oder 71 kann der Rand 11 des Verschlußtellers 7 zunächst den unteren Teil des konvexen Vorsprunges 3 des Dichtungsringes zu einem ersten Zeitpunkt berühren und allmählich bei weiterer Drehung des Verschlußtellers sich auf den Dichtungsring drücken, wodurch die Dichtwirkung zunimmt. Das Verschließen der Drosselklappe kann daher an einem Punkt unterbrochen werden, an dem die Dichtwirkung für den in der Rohrleitung auftretenden Flüssigkeitsdruck hinreichend ist. Das zum Stellen des Verschlußtellers erforderliche Drehmoment kann daher minimal gehalten werden.

Wenn am Dichtungsring 1 ein Verschleiß aufgetreten ist, läßt sich der Verschlußteller 7 weiter gegen den konvexen Vorsprung 3 als bei unverschlissenem Dichtungsring verschwenken, wobei eine gleichmäßige Dichtungsstärke erzielt wird, die eine lange Lebensdauer der Drosselklappe gewährleistet.

Der konvexe Vorsprung des Dichtungsringes ist in den F i g. 3 oder 6 im Querschnitt bogenförmig nach innen gewölbt; kann aber auch kegelstumpfförmig oder dreieckig mit im Querschnitt an beiden Seiten gerade abgeschrägten Wänden sein. Ferner kann der Dichtungsring selbst kreisförmig, polygonal, elliptisch oder kegelstumpfförmig sein.

Die Dichtungsfläche des Dichtungsringes 1 ist in einer anderen Ausführung gemäß F i g. 8 eine ringförmige konkave Vertiefung 19, die in der Nähe der Drehachse 12 schmäler ist. Die konkave Vertiefung 19 hat die gleiche Wirkung wie der Vorsprung 3, wenn die Krümmung der Vertiefung 19 wie zuvor durch Annahme eines Zwisdieiibc-i eiches und einer Zwischenstellung des Randes 11 des Verschlußtellers 7 ermittelt wurde. Die konkave Dichtungsfläche 21 erweitert den Einstellwinkelbereich für den Dichtungsdruck aufgrund des Winkels des Verschlußtellers.

Es ist klar, daß die Erfindung auch auf eine Drosselklappe mit exzentrischer Spindel anwendbar ist, wobei der Dichtungsring einen genau gleichförmigen Querschnitt über den gesamten Umfang aufweist. Ferner kann der Dichtungsring elastisch sein. In einer anderen Ausführung ist der Dichtungsring entweder an den Verschlußteller oder an das Gehäuse angeformt. In wieder einer anderen Ausführung besteht der Dichtungsringaus Metall.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drosselklappenventil mit einem ringförmigen Gehäuse, einem scheibenförmigen Verschlußteller mit einer Spindel, welche ia dem ringförmigen Gehäuse an den Enden der Spindel zum öffnen und Absperren einer Strömung durch das Gehäuse drehbar gelagert ist, und mit einen Dichtungsring zwischen dem Gehäuse und dem Verschlußteller mit einer ringförmigen Dichtungsfläche, an der der Rand des Verschlußtellers in der Absperrstellung anliegt und die zwei erste Flächen aufweist, die jeweils ein Ende der Spindel umgeben und über zwei zweite Flächen miteinander verbunden sind, deren durch Umfangskonturen begrenzte Breiten in der Mitte zwischen den ersten Flächen größer sind als in den Bereiche?! in der Nähe der ersten Flächen, dadurch gekennzeichnet, daß jede der zweiten Flächen solche Umfangskonturen (15) aufweist, daß der Rand (11) des sich in die Absperrstellung bewegenden Verschlußtellers (7) die Umfangskontur (15) der zweiten Fläche praktisch überall gleichzeitig berührt

2. Drosselklappenventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangskontur (15) in der Mitte zwischen den ersten Flächen längs eines Umfangsbereichs von 120° den Verlauf einer Cosinusfunktion aufweist.

3. Drosselklappenventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (1) einen ringförmigen Vorsprung (3) aufweist, dessen Oberfläche als Dichtungsfläche (10) ausgebildet ist.

4. Drosselklappenventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (1) eine ringförmige Vertiefung (19) aufweist, deren Oberfläche die Dichtungsflächc: bildet.