-
Die Erfindung betrifft einen Drehzapfen-Kugelhahn mit einem
Ventilgehäuse, das einen Einlaß und einen Auslaß aufweist,
die einander gegenüberliegend angeordnet und jeweils mit
einem Innensitz versehen sind, und mit einer umsteuerbaren
Ventilkugel, die mit einem durchgehenden Durchlaß in Form einer
Zentralbohrung ausgebildet ist, die dazu ausgelegt ist, in
der Öffnungsstellung des Ventils im wesentlichen in
Ausrichtung mit dem Einlaß und dem Auslaß gebracht zu werden, und
wobei die Ventilkugel dazu ausgelegt ist, den Durchlaß durch
das Ventilgehäuse in der Schließstellung des Ventils unter
Ausbildung einer Dichtungswirkung an einem Sitz des
Ventilgehäuses zu verschließen, wobei die Dichtfläche des Sitzes
einem exzentrischen Verlauf in Bezug auf das geometrische
Zentrum der Ventilkugel folgt, wobei eine entsprechende
Dichtfläche eine Dichtung an der Ventilkugel demselben
exzentrischen Verlauf wie die Dichtfläche des entsprechenden Sitzes
in Bezug auf das geometrische Zentrum der Ventilkugel folgt.
-
Bei Kugelventilen der herkömmlichen Art sind der Ventilkugel
zwei diametral gegenüberliegende externe Drehzapfen
zugeordnet, die die Kugel daran hindern, sich zu bewegen. In diesem
Fall werden Dichtungszustände dadurch geschaffen, daß der
eine oder der andere Sitz des Gehäuses gegen die Kugel drückt,
wodurch eine Dichtung durch die Druckdifferenz über die Kugel
erzeugt wird. Um zu erreichen, daß ein Drehzapfen-Kugelhahn
einen Dichtungszustand aufrechterhält, schlagen
Ausführungsformen nach dem Stand der Technik eine Verschiebung des einen
oder beider Sitze des Ventilgehäuses zur Kugel hin vor. Diese
Verschiebung wird erreicht, indem man den Leitungsdruck den
Sitz/die Sitze gegen die Kugel drücken läßt. Damit dies
möglich
ist, ist man von einein Kolbenbereich an den Sitzen
abhängig, wobei der Leitungsdruck eine Druckkraft ausüben kann.
Andererseits ist man von weichen Dichtungen abhängig, um
einen positiven Druck aufrechtzuerhalten.
-
Ablagerungen auf den Sitzen und der Kugel können u.a.
Dichtungsprobleme verursachen, wobei die notwendigen
Relativbewegungen verhindert oder behindert werden. Es ist bekannt, daß
beispielsweise Kohlenwasserstoffe dazu neigen, sowohl in
Rohrleitungen wie in Ventilen schwer zu entfernende
Ablagerungen zu bilden.
-
Bei herkömmlichen Ventilen dürfen keine mechanischen Kräfte
ausgeübt werden, um eine Abdichtung des Ventils zu erreichen.
Wie erwähnt, sind derartige Ablagerungsprobleme in der
öl- und petrochemischen Industrie sowohl in Raffinerien sowie in
küstenfernen Ölanlagen besonders ausgeprägt.
-
Da die in dieser Industrie behandelten Medien stark
entflammbar sind, sind zufriedenstellend arbeitende Ventile eine
absolute Vorbedingung für einen zuverlässigen Betrieb.
-
Herkömmliche Kugelventile können während des Durchflusses
oder einer Druckdifferenz über das Ventil nicht geöffnet oder
geschlossen werden. Wenn man trotzdem versucht, unter diesen
Umständen ein Öffnen/Schließen zu bewirken, ist das Ergebnis
ein vollständig unhaltbares "Verbrauchen" der Dichtringe. Bei
wiederholten Versuchen wird der Dichtungspfad der Kugel
ebenfalls beschädigt. Auf dem Markt befinden sich tatsächlich
Ventile, bei denen eine mechanische Kraft zugeführt werden
kann, um die Dichtung zu erreichen. Jedes dieser Ventile hat
jedoch lediglich einen einzigen Sitz und ist deshalb für den
vorliegenden Fall uninteressant.
-
Wie vorstehend erwähnt, werden herkömmliche
Drehzapfen-Kugelhähne in dem Fall zerstört, daß sie geöffnet werden sollten,
während eine Druckdifferenz über das Ventil anliegt. Diese
Ventile sind deshalb als Drosselventile ungeeignet.
-
Während des Öffnens wird lokal, d.h. lediglich an einer
Seite, eine Öffnung erzeugt, und dies verursacht eine starke
Abnutzung, wenn ein großes Fluidvolumen versucht, diese
schmale Öffnung zu durchsetzen. In ähnlicher Weise ist es
sehr schwierig, an unter Druck stehenden Ventilen eine
Wartung auszuführen, wobei eine fehlende Wartung unvermeidlich
zu kleineren oder größeren Undichtigkeiten führt. In diesem
Zusammenhang besteht ein großer Bedarf an einem Kugelventil,
das sich automatisch selbst gereinigt hält. Ein
Kugelventilaufbau, bei dem die Sitze des Gehäuses und die Dichtungen an
der Kugel leicht demontiert und außerdem ausgetauscht werden
können, kommen einem für eine lange Zeit benötigten
Desideratum entgegen.
-
Die DE-C-27 52 364 offenbart ein Kugelventil der eingangs
definierten Art mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch
1. Diese Veröffentlichung lehrt eine Ventilkugel, die durch
zwei sphärische Kugelhälften gebildet ist, die längs einer
imaginären Teilungsebene versetzt zueinander angeordnet sind,
wodurch Ventilkugeloberflächen geschaffen werden, die
exzentrischen Verläufen in Bezug auf ihren Drehpunkt folgen,
entsprechend dem geometrischen Zentrum des kugelförmigen
Ventilkörpers. Diese spezielle Ventilkugel wirkt mit den
Dichtflächen der Sitze direkt zusammen. Das Versetzen der beiden
sphärischen Kugelhälften erfordert eine entsprechende
gegenseitige Versetzung des Einlasses und des Auslasses. Das
bedeutet, daß das Kugelventil gemäß der DE-C-27 52 364 kein
Durchlaßleitungsventil mehr ist. Es ist deshalb unmöglich,
das gewünschte Merkmal der exzentrischen Ventilkugel und das
gewünschte Merkmal der koaxialen Anordnung des Einlasses und
des Auslasses zu kombinieren. Dieses Kugelventil gemäß dem
Stand der Technik ist für eine Anzahl von Anwendungen
ausgesprochen nutzlos.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, diese
Unzulänglichkeiten und Nachteile ebenso wie die
Benutzungsbeschränkungen zu beseitigen und dadurch ein Kugelventil der
eingangs definierten Art zu schaffen, das die vorstehend
diskutierte Exzentrizität an den gegenseitig zusammenwirkenden
Dichtflächen des Sitzes und der Ventilkugel hat und
gleichzeitig die exakte koaxiale Ausrichtung des Einlasses und des
Auslasses aufrechterhält. Ein derartiges Kugelventil ist
besonders geeignet als Doppelblock- und Entlastungsventil.
-
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch Ausbildung des
Kugelventils gemäß den Merkmalen gelöst, die im
Kennzeichnungsteil des nachfolgenden Anspruchs 1 angegeben sind.
-
Vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus dem abhängigen
Anspruch 2 hervor.
-
Durch den exzentrischen Verlauf sämtlicher vier Dichtflächen,
die paarweise zusammenwirken, in Bezug auf das Zentrum der
Ventilkugel wird eine besonders wirksame Dichtwirkung
erreicht, wobei die Dichtwirkung durch Erhöhen der mechanischen
Schließkraft optimiert wird. Im offenen Zustand des Ventils
werden - wegen des Dichtflächenverlaufs der
Ventilgehäusesitze in Bezug auf das Zentrum der Kugel - lediglich zwei
diagonal gegenüberliegende Kugelbereiche benachbart zu,
jedoch nicht vollständig auf jedem getrennten Sitzbereich
angeordnet, so daß an jedem Ventilgehäusesitz zwischen seiner
Dichtfläche und dem darauf ruhenden Kugelbereich ein enger
Umfangsschlitz geschaffen wird, der längs dem gesamten
Sitzrandbereich verläuft und dadurch einen relativ großen
Strömungsbereich (der wesentlich größer ist als bei den bekannten
Ventilen) für Fluid im Innern des Ventilgehäuses erbringt.
Innerhalb des Ventilgehäuses bewirkt das strömende Fluid eine
sehr erwünschte Spül- und Reinigungsfunktion, die ein
wirksames Waschen verursacht, das ein Reinigen der Kugel mit seinen
Dichtungen und der Ventilgehäuseinnenwände und -sitze
bewirkt. In der Ventilöffnungsstellung wirkt die Fluidströmung
innerhalb dem Gehäuse durch seine Spülwirkung deshalb
Ablagerungen und einem Aufbau verschiedener Materialien entgegen,
wie beispielsweise Sand, Fett, verfestigte
Kohlenwasserstoffe, Calcium, Kalk usw.. In dem Kugelventil gemäß der
Erfindung wird deshalb ein automatischer Reinigungsprozeß
bewirkt, der einen wesentlichen technischen Fortschritt
darstellt. Diese Fluidströmung durch das Ventil in seiner
Öffnungsstellung beeinflußt den Kugelpfad in Richtung auf die
Schließstellung nicht unvorteilhafterweise, weil diese
innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Der in der Öffnungsstellung
des Ventils zwischen den Sitzen des Ventilgehäuses und der
Kugel geschaffene relativ große Strömungsbereich verursacht
eine weitgehend vernachlässigbare Abnutzung der Ventilteile.
Dadurch kann das Kugelventil gemäß der Erfindung als
Drosselventil dienen. Andererseits sind herkömmliche Kugelventile
der in Rede stehenden Art für eine derartige Aufgabe
ungeeignet.
-
Die jeweiligen Dichtungen an der Kugel und den Sitzen des
Ventilgehäuses, die Dichtflächen enthalten, bestehen
vorteilhafterweise aus Metall. Metall/Metalldichtungen sind per se
bereits bekannt.
-
Ein Kugelventil, das Metallsitze hat und mit exzentrischen
Sitz/Dichtflächen gemäß der Erfindung ausgebildet ist, kann
in Rohrsystemen verwendet werden, in denen der Druck des
strömenden Fluids deutlich diejenigen Druckbedingungen
übertrifft, unter denen gewöhnliche Kugelventile betrieben werden
können. Unter derart hohen Drücken verbiegt sich die Kugel
der herkömmlichen Kugelventile der in Rede stehenden Art oder
gibt nach, dort, wo das Material am dünnsten ist, d.h. an
diagonal gegenüberliegenden Seitenbereichen. Durch Auslegen
der Kugel mit einer großen Materialdicke innerhalb beider
Dichtringe ist die Ventilkugel gemäß der Erfindung nicht
nachgiebig in nahezu demselben Grad, wenn sie durch hohe
Drücke beeinflußt wird.
-
Deshalb wird bei dem Kugelventil gemäß der Erfindung eine
positive Dichtung an zwei diagonal gegenüberliegenden Seiten
der Ventilkugel unabhängig von der Federkraft und/oder der
Druckdifferenz über die Sitze erzielt. Bei einem derartigen
Ventil ist die Niedrigdruckdichtung ebenso gut wie die
Hochdruckdichtung.
-
Weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale des Kugelventils
gemäß der Erfindung gehen aus der folgenden Erläuterung eines
Beispiels einer bevorzugten Ausführungsform in Bezug auf die
beiliegenden schematischen Zeichnungen hervor; es zeigen:
-
Fig. 1 einen Axialschnitt des Kugelventils in
Schließstellung,
-
Fig. 2 das Kugelventil entsprechend Fig. 1 in
Öffnungsstellung,
-
Fig. 3 einen Schnitt rechtwinklig zu dem Axialschnitt von
Fig. 1 zur Erläuterung weiterer Einzelheiten des
Ventilaufbaus.
-
In den Zeichnungen bezeichnet die Bezugsziffer 1 das Gehäuse
des Kugelventils; 2 bezeichnet allgemein den kugelförmigen
Ventilkörper, die Ventilkugel, die, wie per se bekannt, mit
einem zentralen Durchlaß in der Form einer durchgehenden
kreiszylindrischen Bohrung 3 ausgebildet ist.
-
Das Ventilgehäuse 1 ist mit diagonal gegenüberliegenden
Öffnungen 4 und 5 in der Form kreiszylindrischer Bohrungen
ausgebildet, die dieselbe Querschnittsfläche wie der Durchlaß 3
der Kugel 2 haben. Das Kugelventil 1 ist bei der Verwendung
in eine Rohrleitung eingesetzt, das ein strömendes Fluid in
flüssiger oder gasförmiger Form führt, und eine
Gehäuseöffnung, z.B. 4, kann dann als Einlaß wirken, während die andere
Gehäuseöffnung 5 als Auslaß wirkt, vorausgesetzt, es liegt
eine Strömungsrichtung von links nach rechts gemäß den
Figuren 1 und 2 oder umgekehrt vor.
-
Es wird nunmehr auf Fig. 3 Bezug genommen, die den
konstruktiven Aufbau des Kugelventils zeigt, und in der die
Bezugsziffer 6 den Drehzapfen 2 der Kugel bezeichnet, während 7 ein
Futter bezeichnet. Diagonal gegenüberliegend zum Zapfen 6 ist
der Ventilschaft 8 angeordnet. In einem Hohlraum eines
Dichtrings oder einer -buchse 9, die den Schaft 8 umgibt, ist ein
Drucklager (Kugellager) 10 angeordnet. Die Bezugsziffer 11
bezeichnet den Ventildeckel.
-
In der Schließstellung des Kugelventils, Fig. 1 und 3,
verläuft der Durchlaß 3 der Kugel rechtwinklig zur Achse des
Einlasses und des Auslasses 4, 5 und unterbricht die
Fluidkommunikation zwischen diesen, wobei der Durchlaß 3 in der
Öffnungsstellung des Ventils gemäß Fig. 2 in Ausrichtung mit
dem Einlaß und dem Auslaß 4, 5 gebracht ist, wodurch ein
unbehinderter Durchlaß durch das Ventil geschaffen wird; dies
stellt das Hauptprinzip der meisten bekannten Kugelventile
dar.
-
In der Schließstellung des Ventils sollte eine optimale
Dichtung zwischen der Kugel und den Ventilgehäuseöffnungen 4, 5
geschaffen werden. Zu diesem Zweck ist das Ventilgehäuse 1
innen mit Ringsitzen 12 und 12' versehen, die um den inneren
Mündungsbereich jeder Öffnung 4, 5 herum verlaufen. Zur
Befestigung der Gehäusesitze 12, 12' ist das Ventilgehäuse 1 an
jeder Öffnung mit einem abgestuften flanschartigen Bereich
versehen, an dem der jeweilige Sitz mittels eines
Befestigungsrandes 13, 13' und Schrauben 14, 14' befestigt ist. Die
spezielle Auslegung der Dichtflächen der Gehäusesitze 12, 12'
wird nachfolgend in der Beschreibung erläutert.
-
Gemäß der Erfindung ist die Ventilkugel 2 an zwei diagonal
gegenüberliegenden Seiten mit Dichtungen 15, 15' versehen,
deren Dichtflächen jeweils mit 16, 16' in Fig. 2 bezeichnet
sind, in der die entsprechenden Dichtflächen der Gehäusesitze
jeweils mit 17 und 17' bezeichnet sind.
-
Gemäß der Erfindung folgen sämtliche Dichtflächen 17, 17',
16, 16' der Sitze 12, 12'/der Sitze 15, 15' einem
kreisringförmigen Verlauf, der in Bezug auf das geometrische Zentrum S
der Kugel 2 in einer Axialebene, Fig. 1 und 2, exzentrisch
ist.
-
Mehr im einzelnen verlaufen zusammenwirkende Dichtflächen 16
und 17 längs eines Kreises M, dessen Radius mit R bezeichnet
ist, wobei das Zentrum N vom geometrischen Zentrum S der
Kugel 2 beabstandet ist. In ähnlicher Weise verlaufen die
zusammenwirkenden Dichtflächen 16' und 17' längs eines Kreises
M', der einen Radius hat, der mit R' bezeichnet ist, und
dessen Zentrum N' entsprechend vom Zentrum S der Kugel 2
beabstandet und diagonal gegenüberliegend zum Zentrum N in Bezug
auf das Zentrum S angeordnet ist. Diese Bedingungen, die für
die vorliegende Erfindung charakteristisch sind, gelten
ausschließlich für die konstruktive Auslegung der Dichtflächen
16, 16', 17, 17', und die Zentren N und N' bilden
selbstverständlich keinen Schwenkpunkt. Der tatsächliche Schwenkpunkt
ist ausschließlich durch das geometrische Zentrum S der Kugel
wiedergegeben.
-
Gemäß der gezeigten Ausführungsform sind dann, wenn die
Ventilkugel ihre in Fig. 2 gezeigte Öffnungsstellung einnimmt,
lediglich zwei diagonal gegenüberliegende Kugelbereiche 18,
18' nahe an den Gehäusesitzen angeordnet, wodurch Schlitze 19
und 19' zwischen dem verbleibenden Mündungsbereich der
Gehäusesitze 12, 12' und den benachbarten Kugelbereichen (um den
Durchlaß 3 herum) freiliegen, so daß das strömende Fluid in
das Innere des Ventilgehäuses hinein und um dieses herum
strömen kann und dadurch die inneren Bestandteile des Ventils
spült und wäscht. Diese freiliegenden Schlitze 19, 19' am
Einlaß und am Auslaß, jeweils 4 und 5, weisen einen relativ
großen Strömungsbereich seitlich zur Strömung auf, und diese
Bedingung untersützt u.a. die Verminderung einer möglichen
Abnutzung der Ventilbestandteile.
-
Wenn die Ventilkugel 2 mittels des Schafts 8 um 90º in die
Schließstellung, Fig. 1 und 3, gedreht wird, verursachen die
Dichtflächen an dem Gehäuse und der Kugel, die paarweise
zusammenwirken und in Bezug auf den Drehpunkt S der Kugel 2
exzentrisch sind, eine Klemmwirkung, die zu einer sehr
wirksamen Dichtung führt, die aufgrund der Exzentrizität mit
zunehmender (mechanischer) Festspannkraft optimiert wird; (je
strenger das Festspannen, desto besser die Dichtung). Die
beiden Konstruktionszentren N, N' ergeben eine vorteilhafte
"Scherenwirkung", wenn sich das Ventil schließt, wobei die
Drehung der Kugel von der Öffnungs- in die Schließstellung
Anlaß für eine dichtende mechanische Ausübung von Kräften
zwischen den Sitzen/Dichtungen gibt, die paarweise
zusammenwirken. Diese Bedingung führt außerdem zu einer Stützung des
Kugelelements, da es von beiden Seiten eingeklemmt wird.
-
Zusätzlich zu den vorstehend genannten Vorteilen kann
angeführt werden, daß das vorliegende Kugelventil derart
ausgelegt ist, daß die Kugel 2 in dem Fall nicht ausgetauscht
werden muß, daß das Ventil aus einem oder einem anderen Grund
beginnen sollte, undicht zu werden. Beide Gehäusesitze 12,
12' und die Kugeldichtungen 15, 15' sind derart ausgelegt,
daß sie leicht demontiert und ausgetauscht werden können.
-
Dies ist besonders bei großen Kugelventilen von Bedeutung,
bei denen der kugelförmige Ventilkörper, die Ventilkugel,
durchaus 500.000,- Norwegische Kronen kosten kann.