DE69725234T2

DE69725234T2 - Metalldichtung, insbesondere für Armaturvorrichtung

Info

Publication number: DE69725234T2
Application number: DE69725234T
Authority: DE
Inventors: Jacques Peterschmitt; Rene Laulhe; Claude Wattignier
Original assignee: KSB SAS
Current assignee: KSB SAS
Priority date: 1996-07-25
Filing date: 1997-07-03
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2017-07-04
Also published as: JP4132142B2; DE69725234D1; US6027126A; EP0821190B1; FR2751716B1; EP0821190A1; FR2751716A1; ES2203767T3; JPH1078139A

Description

Technischer Bereich
Die Erfindung betrifft einen Dichtring, um einerseits die statische Dichtheit und andererseits die dynamische Dichtheit sicherzustellen. Der Dichtring ist insbesondere zur Sicherstellung der Dichtheit stromaufwärts und stromabwärts eines Drosselklappenventils mit einer Absperrvorrichtung für Betriebsbedingungen unter hohem Druck und/oder hohen Temperaturen geeignet. Für diesen Verwendungszweck benützt man Dichtringe aus Metall, womit man auf der Seite des Körpers eine statische und auf der Seite der Absperrvorrichtung eine dynamische Dichtheit herstellt oder umgekehrt.
Stand der Technik
Das Dokument FR-B1-2 566 870 enthält mehrere Typen von Dichtringen zur Herstellung der Dichtheit zwischen einer Absperrvorrichtung und einem Körper. Man schlägt in 6 einstückig hergestellte Dichtringe vor, wo die statische Dichtheit durch das Aufdrücken eines abgeschrägten Teils gegen die Absperrvorrichtung erreicht wird. Die 2 und 4 zeigen Dichtringe aus Blech mit festen und relativ steifen Reaktionsringen. Der Dichtring aus Blech stellt die dynamische Dichtheit durch einen geformten Metallring sicher, um ausreichend starke Kontaktspannungen für den Widerstand gegen hohen Druck aufzubauen. Die statische Dichtheit wird durch Kompression eines auf eine der flachen Partien des Dichtrings gedrückten elastischen Ringkörpers realisiert.
Die Dichtringe nutzen das Konzept der Selbstzentrierung auf der Absperrvorrichtung in der Weise, dass die Dichtspannung während des Unterdrucksetzens und während des Verschließens der Absperrvorrichtung erhalten bleibt. Die radiale Flexibilität des gefertigten Dichtrings wir durch mehrere rundherum angebrachte Rillen erreicht. Der Dichtring aus Blech enthält einen konischen Verbindungsbereich zwischen dem als Ring geformten Teil und dem Steg.
Dabei sind die Dichtringe relativ kompliziert und daher teuer in der Herstellung
Im Dokument DE-C2-26 44 518 wird ein metallener Dichtring aus einem Stück beschrieben. Der Dichtring besitzt einen Querschnitt in Form eines Hakens, d. h. eines Wulstes zur Sicherzustellung der statischen Dichtheit, ein Zwischenstück und ein kreisbogenförmiges Teil. Das Zwischenstück kann in konischer oder gerader Form realisiert werden und ist dazu bestimmt, eine axiale Flexibilität des Dichtrings sicherzustellen und dem Dichtring damit zu erlauben, einer axialen Verschiebung der Absperrvorrichtung zu folgen, d. h. entlang der Achse des Flüssigkeitsstroms.
Aus der DE-AS-24 54 452 kennt man Dichtringe in Hakenform aus Elastomer oder Metall. Die Dichtringe verfügen in ihrem Ringbereich über eine Lippe, die auf dem Bund einer Aufnahme ruht, um eine radiale Verschiebung des Dichtrings zu begrenzen.
Diese Dichtringe weisen den Nachteil auf, nicht gleichmäßig komprimiert zu werden, wenn die Absperrvorrichtung sich nicht genau zentriert auf der dynamischen Dichtfläche des Dichtrings befindet, d. h. wo es eine radiale Verschiebung entlang der Steuerungsachse gibt. Daher hat der Dichtring nicht die Fähigkeit der Selbstzentrierung und die Dichtheit um die ganze Absperrvorrichtung herum ist nicht mehr homogen.
Das Ziel der Erfindung ist es, eine einfache Lösung zu finden, um einen Dichtring mit der Fähigkeit der Selbstzentrierung zu realisieren.
In der FR-A-242946 beschreibt man einen Dichtring aus Metall gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.
Beschreibung der Erfindung
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
Dank der Erfindung ist man in der Lage, eine Selbstzentrierung des Dichtrings zu beherrschen, zum Beispiel auf einer sphärischen Fläche der Absperrvorrichtung, durch eine radiale Anpassungsfähigkeit, die auf der einen Seite durch einen Bogen mit geeigneten Eigenschaften (Winkel und Radius) und auf der anderen Seite durch den Kontaktdruck der dynamischen Dichtheit erlangt wird, welcher durch die Wahl eines geeigneten Bogenwinkels und eines geeigneten variablen Radius erreicht wird.
Ausgehend von einer Parametrisierung mit Winkel und Radius kann eine große Vielfalt von möglichen Formen realisiert werden, die es erlaubt, den Dichtring in der Spannung für kleine wie für große Durchmesser zu optimieren.
Im Verhältnis zu bekannten selbstzentrierfähigen Dichtringen mit Reaktionsringen, ist die Zahl der Teile reduziert, wobei ganz alleine durch den gekrümmten Teil eine immer gleiche Funktionsweise sichergestellt wird. Versuche haben gezeigt, dass diese technische Lösung sogar bei 50·10⁵ Pa anwendbar ist.
In einer anderen Ausführungsform legt sich der gekrümmte Teil des am Platz montierten Dichtrings gegen einen festen Bereich einer Lagerstelle des Dichtrings.
Eine andere Ausführungsform sieht ein gerades Segment vor, das den gekrümmten Teil mit dem Steg verbindet, wodurch die Adaption dieser Lösung an vorhandene Abmessungen ermöglicht wird. Das gerade Segment bildet einen Winkel von mindestens 135° mit dem Wulst. Zugleich kann die radiale Beweglichkeit und damit die Kapazität der Selbstzentrierung noch stärker variieren.
Eine Armaturenvorrichtung, die einen Körper, eine Absperrvorrichtung und einen Dichtring zur Sicherstellung der Dichtheit stromauf- und stromabwärts zwischen dem Körper und der Absperrvorrichtung, zum Beispiel einem Drosselklappenventil, enthält und die mit einem solchen Dichtring aus Metall ausgestattet ist, hat den Vorteil einen verlässlichen Dichtheit auch unter extremen Bedingungen mit hohem Druck und/oder hohen Temperaturen.
Darstellung der verschiedenen Figuren
Die beigefügten Zeichnungen illustrieren die Erfindung in einem Drosselklappenventil.
1 ist ein schematischer Axialschnitt eines Drosselklappenventils, das mit einer Dichtungsvorrichtung gemäß der Erfindung ausgestattet sein kann.
2 zeigt im Schnitt einen Teil des Drosselklappenventils, das mit einem Dichtring gemäß der Erfindung bestückt ist.
3 zeigt im Schnitt eine Vergrößerung der Region der dynamischen Dichtheit und den in normaler Richtung montierten Dichtring.
4 zeigt im Schnitt eine Vergrößerung wie in 3, wobei der Dichtring gegenläufig montiert ist.
5 zeigt Montage- und Belastungsarten des Dichtrings.
Ausführungsbeispiel
In Bezug auf 1 enthält das Drosselklappenventil in herkömmlicher An einerseits einen Körper 1 mit einem axialen Flüssigkeitsdurchlass 2, versehen mit einem Bohrungsbund 3, der eine in einer senkrechten Ebene zur Achse 5 des Flüssigkeitsdurchlasses 2 gelegene Abstützung 4 bietet, und andererseits eine im Körper 1 mittels zweier Achsen 7,8 drehbar montierte Drosselklappe 6, die durch zwei im Körper vorgesehenen Querbohrungen 9, 10 verlaufen und von denen die eine (Achse 7) dazu dient, die Mitnahme der Drosselklappe 6 sicher zu stellen.
In diesem Beispiel weist die Dichtfläche 12 der Drosselklappe 6 (die aus ihrem Rand besteht) eine auf der Hauptsymmetrieachse der Drosselklappe 6 zentrierte sphärische Form auf. Diese Form könnte gleichermaßen sphärisch oder, in einer allgemeineren Form, drehkonisch sein, d. h. aus einer Drehkurve bestehen, deren Mantellinie eine geeignete Krümmung hat.
Es sei anzumerken, dass in geschlossener Position des Ventils der Bereich 12 der Drosselklappe 6 sich im wesentlichen rechtwinklig zur Abstützung 4 des Bohrungsbunds 3 des Körpers 1 ausrichten wird.
In dieser Figur ist der Dichtring zur Realisierung der Dichtheit stromauf- und stromabwärts des Ventils nicht dargestellt. Es wird einfach ein Kreis 13 dargestellt, der mit verschiedenen Details der Ausführungsformen in den 2 bis 6 übereinstimmt.
Wie vorher erwähnt und in der 2 dargestellt, wird die Dichtheit stromauf- und stromabwärts durch einen Dichtring 14 sichergestellt, dessen einer Abschnitt ein gekrümmtes Teil 15 für die dynamische Dichtheit und einen kranzförmigen Steg 16 enthält, wobei dieser einen planen radialen Bereich vorweist, der dazu bestimmt ist, auf die Abstützung 4 des Bohrungsbunds 3 des Körpers 1 gespannt zu werden, um die statische Dichtheit herzustellen. Der Querschnitt des Dichtringes 14 weist in seiner Gesamtheit die Form eines Hakens auf. Der Kontaktpunkt 19 zwischen dem Dichtring 14 und der Dichtfläche 12 der Drosselklappe 6 ist bei geschlossenem Ventil auf dem gekrümmten Teil 15 angeordnet und weist in Bezug auf die Steuerungsachse 8 einen Winkel φ auf, wobei er eine Seite des Winkels α bildet. Die zweite Seite des Winkels α schneidet die Steuerungsachse 8 an der Stelle, wo die Achsen 5 und 8 sich schneiden und entspricht der Normalen der Dichtfläche unter dem Kontakt 19. Der Schnittpunkt der zwei Achsen 5,8 ist somit der Ursprung des Winkels φ.
Es sei zu diesem Thema anzumerken, dass in den folgend dargestellten Ausführungsformen die Einspannung des Stegs 16 mittels eines Ringflansches 17 sichergestellt wird, der durch die Schraube 18 auf den Körper 1 gespannt wird.
Die von der Drosselklappe 6 auf den Dichtring 14 ausgeübte Kontaktkraft ruft eine Verformung des Dichtrings 14 hervor. Unter dem Einfluss dieser Verformung kann sich der gekrümmte Teil 15 gegen den Flansch 17 drücken oder allgemeiner gegen einen Abstützpunkt seiner Lagerstelle. Der Punkt 23 ist der mögliche Kontaktpunkt des gekrümmten Teils 15 des Dichtrings 14 mit dem Flansch 17.
Ebenso kann der gekrümmte Teil 15 des Dichtrings 14 gegen die Abstützung 4 des Körpers 1 gepresst werden, falls die Steuerungs- und Druckbedingungen eine Verschiebung in dieser Richtung hervorrufen, was auch bei der Montage des Dichtrings in entgegengesetzter Richtung der Fall ist.
In 3 ist der Dichtring 14 in Bezug auf die Dichtfläche 12 der Drosselklappe 6 in normaler Richtung montiert, während in 4 der Dichtring in der entgegengesetzten Richtung montiert ist. Die Dichtfläche 12 kommt mit dem Dichtring 14 auf der geöffneten Seite (in normaler Richtung) oder auf der geschlossenen Seite (in entgegengesetzter Richtung) in Kontakt.
In der 5 erkennt man in schematischer Form die drei Anordnungen der Beanspruchung des Sitzes des Dichtrings und zwei mögliche Richtungen der Montage.
Prinzipiell kann der Dichtring bis zu vier Dichtflächen haben, die im Schema durch Abstützpunkte dargestellt werden. Zwei Abstützpunkte zeigen die Einspannung des Stegs zwischen dem Flansch und dem Körper als feste Lagerstelle, ein dritter Abstützpunkt zeigt, als freie Lagerstelle, den Abstützpunkt des gekrümmten Teils an der Lagerstelle des Dichtrings. Die Position dieses Abstützpunktes variiert mit dem Montageprinzip. Der Kontaktpunkt des Dichtrings mit der Dichtfläche der Absperrvorrichtung ist durch den letzten Abstützpunkt gekennzeichnet.
Die 6 bis 8 zeigen den Unterschied der Belastung auf dem Niveau des Kontakts Dichtring-Absperrvorrichtung je nach Art der Belastung für einen in normaler Richtung montierten Dichtring.
Die reine Einspannbelastung (Absperrvorrichtung geschlossen ohne Druck), dargestellt in 6, entspricht der Schließung des Ventils ohne irgendeinen zusätzlichen Druck. Der Dichtring unterliegt wegen des Eindringens der Absperrvorrichtung einer Verspannung der Größe X, was eine Verformungsspannung hervorruft. Die Verformung des Dichtrings findet auf seinem freien Bereich statt, d. h. auf seinem gekrümmten Teil, da der Steg als Festlager fungiert.
Die in 7 gezeigte autoklave Belastung entspricht dem Anlegen eines Drucks P an das Ventil von 50·10⁵ Pa auf der geöffneten Seite des gekrümmten Teils des Dichtrings. Auf Grund des an der einen Seite angelegten Drucks und des Fertigungsspiel, verschiebt sich die Absperrvorrichtung um eine Strecke y, wobei sie noch mehr in den Dichtring eindringt. Diese Verschiebung der Absperrvorrichtung bewirkt, dass der gekrümmte Teil noch stärker um eine Strecke X+ komprimiert wird, was die Verformungsspannung erhöht. Der Kontaktdruck erhöht sich und der Dichtungsdruck wächst gleichermaßen.
Die in 8 dargestellte nicht-autoklave Belastung entspricht dem Anlegen eines Drucks an das Ventil auf der geschlossenen Seite des gekrümmten Teils 15 des Dichtrings. Wie durch die Darstellung mit der gestrichelten Linie angedeutet, verschiebt sich die Absperrvorrichtung um eine Strecke Y und komprimiert den Ring um einen Wert X–. Diese Verschiebung übersetzt sich in eine Verringerung der Spannkraft.
Die Bemessung des Rings muss diesen Effekten Rechnung tragen, um eine verlässliche Dichtheit sicher zu stellen unabhängig von der Montagerichtung, wobei man gleichzeitig eine plastische, nicht reversible Verformung des Dichtrings vermeidet.
Die 9 zeigt den Dichtring im Detail.
Dieser Dichtring verfügt über ein gekrümmtes Teil mit drei Kreisbögen α + β, γ, δ mit mindestens zwei verschiedenen Radien darunter R₁, R₂, R₃, Die Verbindung zwischen dem gekrümmten Teil und dem Steg 16 wird von einem Kreisbogen ε mit dem Radius R₄ gebildet. Das gekrümmte Teil verfügt über ein gerades Segment 20 mit einer für die Bedingungen des verfügbaren Platzangebots in der Lagerstelle des Dichtrings geeigneten Länge. Diese Länge kann bei der Wahl bestimmter Radien R₁, R₂, R₃ zu Null werden.
Der Auflagepunkt an der Lagerstelle im Fall der Montage in normaler Richtung 23 befindet sich auf dem Bogen γ mit dem Radius R₂, angezeigt durch die Abstützung.
Der Kontaktpunkt Drosselklappe-Sitz 19 befindet sich auf dem Kreisbogen α + β mit dem Radius R₁. Bei der Montage in normaler Richtung befindet er sich in einem Winkelabstand α vom Ende des Dichtrings und in einem Winkelabstand φ von einer Achse, die zu der durch das Zentrum des Kreisbogens α + β verlaufenden Zentralachse senkrecht steht. Dieser Winkel φ entspricht dem Winkel φ in 2. Der Bogen α + β mit dem Radius R₁ besteht aus zwei Winkel α und β, die durch die Beziehung zum Winkel φ definiert sind.
Der Kontaktpunkt im Fall einer entgegengesetzten Montage 19' befindet sich auf dem Bogen β bei 2φ des Bogens α. In diesem Fall befindet sich der Auflagepunkt 23' auf der Lagerstelle auf dem Bogen α nahe dem Ende des Dichtrings.
Die Ausführung des Dichtrings aus Blech ist Dank der konstanten Dicke und der offenen Form des Abschnitts durch Tiefziehen, Fließformen oder Fließdrücken ohne Wanddickenabnahme möglich.
Industrieller Einsatz
Der Dichtring gemäß der Erfindung kann für eine statische und dynamische Dichtheit in Armaturen und dergleichen eingesetzt werden, zum Beispiel um eine Absperrvorrichtung einer Armaturenvorrichtung, die eine vierteldrehende Absperrvorrichtung enthält, abzudichten.

Claims

Armaturenvorrichtung, welche einen Körper (1), eine am Köper (1) befestigte Abstützung (4), ein Dichtelement (17) und einen Dichtring (14) aus Metall für die Sicherstellung der Dichtheit stromauf- und stromabwärts zwischen dem Körper (1) und dem Dichtelement (17) enthält, wobei der Dichtring (14) aus Metall einen Steg (16) besitzt, der zwischen dem Körper (1) und der Abstützung (4) eingespannt ist, um eine statische Dichtheit sicherzustellen und der obendrein ein gekrümmtes Teil (15) enthält, das sich zwischen dem Körper (1) und der Abstützung (4) verlagern kann, um eine dynamische Dichtheit sicherzustellen, wobei das gekrümmte Teil eine Änderung seines Krümmungsradius aufweist, wobei die gleiche Krümmungsrichtung beibehalten wird, wobei das gekrümmte Teil einen ersten Bogen (R1) mit konstantem Radius hat, dadurch gekennzeichnet, dass das gekrümmte Teil einen zweiten Bogen (R2) mit konstantem Radius und einen dritten Bogen (R3) mit konstantem Radius hat, und dass auf dem ersten Bogen (R1) ein erster Kontaktpunkt der dynamischen Dichtheit angeordnet ist und dass es auf dem ersten Bogen auch einen zweiten Kontaktpunkt der dynamischen Dichtheit gibt, der die Dichtheit sicherstellt, wenn der Dichtring (14) in entgegengesetzter Richtung montiert ist.
Armaturenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gekrümmte Teil (15) und der Steg (16) des Dichtrings (14) aus Metall durch ein gerades Segment (20) verbunden sind, das mit dem Steg (16) einen Winkel von mindestens 135° bildet.