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Dokumentenidentifikation DE69914301T2 25.11.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0001034391
Titel KUGELVENTIL
Anmelder Nuovo Pignone Holding S.p.A., Florence, IT
Erfinder FLORIO, Andrea, I-70027 Palo del Colle, IT;
BUCCI, Fabio, I-71100 Foggia, IT
Vertreter HOEGER, STELLRECHT & PARTNER Patentanwälte, 70182 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 69914301
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 30.08.1999
EP-Aktenzeichen 999395627
WO-Anmeldetag 30.08.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/IB99/01490
WO-Veröffentlichungsnummer 0020783
WO-Veröffentlichungsdatum 13.04.2000
EP-Offenlegungsdatum 13.09.2000
EP date of grant 21.01.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.11.2004
IPC-Hauptklasse F16K 5/06

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kugelventil.

Kugelventile sind Fluidabsperrvorrichtungen, die in weitem Maße bei allen Typen von Prozessen und allen Ingenieurszweigen verwendet werden. Diese Kugelventile werden beispielsweise in Wasser-, Öl-, Gastransportsystemen, in Kohlenwasserstoffproduktionsanlagen, in chemischen, petrochemischen Anlagen und in Ausrüstungen zur elektrischen Energieerzeugung verwendet.

Es ist auch anzumerken, daß Kugelventile zur Verfügung stehen und einsetzbar sind in einem weiten Größenbereich, von den kleinsten zu denjenigen, welche 60 für Drücke bis zu Hunderten von Bar überschreiten.

In solchen Absperrvorrichtungen, d. h. Kugelventilen, wird die Fluiddichtung zwischen der Kugel und den zwei Sitzen bewirkt, von denen jeder mit einem kreisförmigen Insert eines verformbaren Materials versehen ist, welches zwischen die zwei Metalloberflächen geklemmt ist.

Die Funktion der Inserts ist es, durch ihre eigenen Verformungen, elastische Verformungen, die kleinen geometrischen Fehlern und die Rauhigkeiten, die immer auf der Oberfläche der Kugel vorhanden sind, zu kompensieren.

Im allgemeinen wird die Kraft, welche erforderlich ist, um das Insert flacher zu machen und dadurch die Dichtung zu bilden, wie in 1 im Zusammenhang mit einem Kugelventil aus dem Stand der Technik gezeigt, in einem gewissen Maße durch ein System von Federn (Fm) und im größten Maße durch den Druck, welcher durch das Fluid auf den Sitz (Fs) ausgeübt wird, bereitgestellt.

Die Inserts sind normalerweise aus elastomerem (Nitrit, Viton, usw.) oder thermoplastischem (PTFE, Nylon, usw.) Material, welches eine optimierte Leistung (d. h. einen hohen Abdichtgrad) gewährleistet, solange die Betriebsbedingungen nicht besonders beschwerlich werden.

Beispiele von solchen beschwerlichen Bedingungen und Grenzbedingungen sind solche, die durch die Anwesenheit von besonders "schmutzigen" Fluiden verursacht werden, die abrasive Partikel enthalten. Ein weiteres Beispiel an beschwerlichen Bedingungen ist eines, bei welchem das Ventil für eine verlängerte Zeitdauer in der teilweise offenen Stellung arbeiten muß, wobei das Fluid, welches mit einer hohen Geschwindigkeit strömend kräftig das Insert einhüllt, oder Bedingungen, bei denen hohe Temperaturen vorliegen.

In diesen Fällen, bei denen die Verwendung von Elastomer-Inserts oder thermoplastischen Inserts kritisch wird und eine adäquate Verschleißfestigkeit des Systems über die Zeit nicht gewährleistet werden kann, werden vollständige metallische Dichtelemente verwendet.

Die metallischen Oberflächen der Sitze und der Kugel, welche zur Bereitstellung der Dichtung dienen und auf denen das reziproke Gleiten stattfindet, sind für diesen Zweck gehärtet, indem die Ausgangsmaterialien wärmebehandelt werden. Alternativ können diese Oberflächen mit harten oberflächlichen Deckschichten versehen werden, welche durch Schweißtechnik oder durch andere fortgeschrittenere Technologien (Plasma, HVOF, usw.) erhalten werden.

Bei diesen Ventiltypen, bei welchen der Beitrag zum Erhalt einer guten Dichtung, die durch die elastische Verformung des Inserts gemacht wird, fehlt, ist es notwendig, auf eine extrem genaue Bearbeitung der Oberflächen der Sitze und der Kugel, die in Kontakt miteinander kommen, zurückzugreifen, um die geometrischen Fehler und die Oberflächenrauhigkeiten, die vorhanden sind, zu minimieren.

Wiederum bezugnehmend auf die 1 ist es möglich zu sehen, daß, wenn das Kugelventil geschlossen ist und einem Druck (p) ausgesetzt ist, die Kugel sich in einer nicht-gleichmäßigen Weise verformt, weil ihre Geometrie nicht axialsymmetrisch ist. Tatsächlich laufen die Kraftlinien aufgrund ihres Spannungszustands durch die Kugel von der Kappe (a), auf welche der Druck wirkt, korrespondierend mit den Trägern der zwei Naben (b), und die Punkte der Kugel, welche zu dem Kontaktumfang mit dem Sitz (d) gehören, verschieben sich in nicht gleichförmiger Weise von (d) zu der Kurve (e), während die äußere Oberfläche der Kugel die Form (g) annimmt und die Durchgangsöffnung des Fluids die Form (f), welche beide mit gepunkteten Linien in 1 bezeichnet sind.

Die Beobachtung des Verhaltens des Ventils unter dieser Bedingung mit Druckbeaufschlagung erlaubt es zu bemerken, daß die Kugel in den zwei Zonen, oben und unten, nächstliegend zu den Naben (b) viel steifer ist als bezogen auf die zentrale Zone, welche durch die Durchgangsöffnung des Fluids des Durchmessers .0. elastischer gemacht wird.

Die Verformung der Kugel ist offensichtlich größer je höher der Arbeitsdruck (p) ist.

Aber je mehr die Verformung des Kontaktumfangs von (d) zu (e) von Punkt zu Punkt abweicht, desto problematischer ist die Möglichkeit, den metallischen Kontakt zwischen Ringsitz und Kugel oder vielmehr einen Sitz/Kugel-Kontaktdruck so gleichförmig wie möglich zu halten, um gute Dichtbedingungen über die 360° zu gewährleisten.

Bemühungen, um diesem Phänomen zu begegnen, schließen üblicherweise das Versteifen der Kugel ein, d. h. mit der gleichen Durchgangsabmessung (Durchmesser &PHgr;0) Erhöhung des äußeren Durchmesser (Durchmesser &PHgr;1). Dies jedoch involviert größere Abmessungen, Gewicht und Kosten für das Ventil mit sehr bescheidenen Vorteilen bezüglich Struktur und Betrieb.

Weitere Bemühungen wurden angestellt, um den Betrieb der Kugelventile auf verschiedene Weise zu verbessern. Eine Anstrengung wurde gemacht, um den Nachteil zu begrenzen, beispielsweise die Sitze stärker verformbar auszubilden, in einer Weise, die kompatibel ist mit ihrem Spannungszustand, d. h. in der Lage ist, den Verformungen der Kugel auf verbesserte Weise unter dem Schub der Federn (Fm) und des Drucks (Fs) zu folgen, wie in 2 gezeigt, einer Ausführungsform aus dem Stand der Technik.

In diesem Fall zeigen jedoch Berechnungen und parallele Experimente, daß diese Eingriffe bescheidene Beiträge zu einer wirklichen Lösung des Problems darstellen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Kugelventil bereitzustellen, bei dem es möglich ist, eine sehr dichte Abdichtung zu erreichen, selbst wenn das Kugelventil einem besonders hohen Druck ausgesetzt wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kugelventil bereitzustellen, welches, während es sehr einfach in der Struktur bleibt und zu moderaten Kosten, vollständig die Betriebs- und Dichtleistungen aufweist, die notwendig und erforderlich sind.

Diese und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Ausbildung eines Kugelventils gemäß Anspruch 1 gelöst.

Weiterhin ist es bei dem Ventil vorgesehen, daß die Nachgebezonen durch Kerben bereitgestellt sind, welche auf Oberflächenzonen des Verschlußelements in Korrespondenz mit den sphärischen Bereichen hergestellt sind.

Vorzugsweise sind die Kerben im wesentlichen gemäß einer Richtung parallel zu einer Rotationsachse des Verschlußelements gebildet.

Die Charakteristiken und Vorteile eines erfindungsgemäßen Kugelventils werden aus der untenstehenden Beschreibung klar, welche mittels eines nicht abschließenden Beispiels vorgelegt wird, mit Bezug auf die begleitenden schematischen Zeichnungen, in denen:

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Teilansicht eines Ventils mit Kugel gemäß dem Stand der Technik, teilweise eine Ansicht, teilweise eine Schnittansicht, in welcher die Spannungen gezeigt sind und die Verformung der Teile in gepunkteten Linien;

2 ist eine Ansicht eines vergrößerten Details der 1;

3 zeigt eine Seitenansicht auf einer kleineren Skala eines erfindungsgemäßen Verschlußelements in einer ersten Ausführungsform;

4 ist eine Ansicht, welche halb eine Schnittansicht gemäß IV-IV von 3 und halb eine Seitenansicht ist;

5 ist eine Ansicht eines Teils eines Verschlußelements eines erfindungsgemäßen Ventils mit Kugel der 3, wobei Spannungen und Verformungen der Teile gezeigt sind;

6 ist eine weitere Teilansicht des Verschlußelements der 3 bei partieller Montage;

7 ist eine Seitenansicht auf einer kleineren Skala eines erfindungsgemäßen Verschlußelements in einer zweiten Ausführungsform;

8 ist eine Schnittansicht gemäß VIII-VIII der 7;

9 ist eine Seitenansicht auf einer kleineren Skala eines erfindungsgemäßen Verschlußelements in einer dritten Ausführungsform;

10 ist eine Schnittansicht gemäß X-X von 9;

11 ist eine Seitenansicht auf einer kleineren Skala eines erfindungsgemäßen Verschlußelements in einer vierten Ausführungsform;

12 ist eine Schnittansicht gemäß XI-XI von 11;

13 ist eine Seitenansicht auf einer kleineren Skala eines erfindungsgemäßen Verschlußelements in einer fünften Ausführungsform;

14 ist eine Schnittansicht gemäß XIV-XIV von 13.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bezugnehmend auf die 3 bis 14 ist ein Ventil mit Kugel mit kontrollierter Verformung in einer Reihe von beispielhaften Ausführungsformen gezeigt, bei welchen das Verschlußelement variiert.

Wie angegeben, zeigen die 3 bis 6 eine erste Ausführungsform eines Ventils mit Kugel mit erfindungsgemäßer kontrollierter Verformung, welches primär einen äußeren Einschließungskörper, gezeigt mit 11, umfaßt, auf welchem ein Paar von Ringsitzen 12, angeordnet auf entgegengesetzten Seiten, positioniert ist. Diese Ringsitze 12 sind tatsächlich auf gegenüberliegenden Seiten einem Einlaßrohr und jeweils einem Auslaßrohr für das Fluid, welches in das Ventil strömt und/oder durch dieses abgesperrt wird, positioniert.

Das Ventil nimmt ferner ein Verschlußelement auf, welches als Ganzes mit 13 bezeichnet ist, welches rotierbar ist mittels einer Kontrollwelle (nicht gezeigt), die mit Ansätzen 14 verbunden sein kann, welche senkrecht zu den oben genannten Rohren angeordnet sind.

Wie ersichtlich ist, ist das Verschlußelement 13 vom Kugeltyp und ist beweglich zwischen einer Schließposition und einer Öffnungsposition des Kugelventils. Gesehen bezüglich der Ansätze 14 kann die seitliche Oberfläche der Kugel auf entgegengesetzten Seiten sphärische Bereiche 15 bereitstellen, welche geeignet sind zum Eingriff auf Flächen 16 der zwei Ringsitze 12. Die weiteren zwei entgegengesetzten Teile sind flach und Öffnungen 17, die eine zentrale Öffnung 18 für den Durchgang des Fluids verbinden, sind an ihnen gebildet.

Die Ringsitze 12 können natürlich in verschiedener Weise geformt sein, um eine Anpassung an die besondere Positionierung durchzuführen, und sie können für die Positionierung von geeigneten Abdichtelementen, die nicht gezeigt sind, sorgen.

Im Einklang mit der Erfindung wird angemerkt, daß die Kerben 19 und 20 auf entgegengesetzten Seiten gebildet sind, oben und unten, zwischen den sphärischen Bereichen 15 und der zentralen Zone des Körpers des Verschlußelements, um eine Art von gekappten Bereichen 15a und 15b bereitzustellen. Diese Kerben 19 und 20 durchdringen für eine bestimmte variable Länge L innerhalb der sphärischen Bereiche in eine Richtung parallel zu einer Rotationsachse R des Verschlußelements. Diese Kerben 19 und 20 sind in Zonen in Nähe zu den Ansätzen 14 hergestellt.

Die Anwesenheit der Kerben 19 und 20, welche die zwei Kappen 15a und 15b bilden, stellt eine gewisse Gleichförmigkeit der Verformung des Verschlußelements bereit, insbesondere in der gesamten Kontaktzone mit den Ringsitzen 12. Diese Situation ist deutlich ersichtlich in 6.

Es ist natürlich möglich, die Profile der Kerbe 19 und 20 zu optimieren, um so die Verformungsdifferenzen des Kugelverschlußelements längs der vollständigen 360° zu minimieren.

5, welche hälftig das Verschlußelement 13, welches erfindungsgemäß in einer ersten Ausführungsform hergestellt ist, zeigt, zeigt weiterhin, wie die Spannungen wirken und wie die Teile sich verformen, und zwar in einer theoretischen Linie.

Tatsächlich zeigt 5 die Kurve (e0), die qualitativ zeigt, wie der Umfang des theoretischen Kontakts sich axial zwischen dem sphärischen Bereich eines bekannten Verschlußelements und dem Ringsitz 12 verformt, hier durch (d) gezeigt. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß die Maximumsdifferenz der axialen Bewegungen aufgrund Spannungen mit &Dgr;h0 bezeichnet ist.

Im Gegensatz dazu zeigt die Kurve (e1) die axiale Verformung von (d), wenn die Geometrie des Verschlußelements in seinem gekappten Bereich erfindungsgemäß durch Ausbildung der Kerben 19 und 20 modifiziert wird.

Es ist so möglich zu bemerken, wie die Maximumsdifferenz der axialen Bewegungen auf dem theoretischen Kontaktumfang (d) &Dgr;h1 ist, welches viel kleiner ist als &Dgr;h0.

Es ist so ersichtlich, wie es möglich ist, eine bessere Anpassung eines Verschlußelements, welches erfindungsgemäß gebildet ist, zu erhalten.

Tatsächlich ist erfindungsgemäß der sphärische Teil des Verschlußelements durch Vergrößerung der Verformbarkeit in den zwei Zonen, obere und untere, benachbart zu den Ansätzen oder Naben 14 modifiziert. Diese Lösung ist vollständig entgegengesetzt zu der der traditionellen Struktur, bei welcher es die Anwesenheit der Naben ist, welche eine größere Steifigkeit diesen Zonen in Bezug auf die zentralen Zonen verleiht.

In dem Beispiel, welches in den 3 bis 6 gezeigt ist, hat die Kerbe 19 und 20 eine Basis 21 von kurvenliniger Form.

Es ist jedoch möglich, eine Reihe von verschiedenen Formen für die Basis der Kerbe zu verwenden oder die Kerbe auf den gesamten sphärischen Bereich 15 zu erstrecken.

Es ist so ersichtlich, wie die 7 und 8 Kerben 19 und 20 zeigen, die eine Basis 22 mit geradliniger Form zeigen.

9 und 10 zeigen eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verschlußelements, bei welcher die entgegengesetzten Kerben miteinander verbunden sind, um eine kreisförmige Kerbe 23 herzustellen. Die sphärischen Kappen, die daraus abgeleitet sind, sind so auf einem kreisförmigen zentralen Bereich eines kleineren Durchmessers 24 gestützt, in der Art eines Pilzes.

11 und 12 zeigen eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verschlußelements, bei dem, wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, eine Kerbe 25 längs des gesamten sphärischen Bereichs 15 gebildet ist.

Diese Kerbe 25 ist variabel in der Tiefe, so daß die sphärischen Kappen, die damit gebildet sind, auf einem zentralen Bereich einer kleineren Abmessung 26 gestützt sind, wie eine Ellipse geformt sind und mit der größeren Achse senkrecht zu der Rotationsachse R des Verschlußelements 13 gerichtet.

Schließlich können die gleichen Überlegungen der 11 und 12 wiederholt werden für die 13 und 14, bei denen ein fünftes Ausführungsbeispiel sich dadurch unterscheidet, daß der zentrale Bereich 26' auch elliptisch ist, jedoch durch 90° mit Bezug auf den vorhergehenden rotiert wird.

Eine periphere Kerbe kann auch gemäß einem unterschiedlichen Profil gebildet sein, um einen zentralen Bereich kleinerer Abmessung bereitzustellen, welcher unterschiedlich geformt ist.

Ein erfindungsgemäßes Kugelventil bietet deshalb eine wirksame Lösung zu den technischen Problemen, welche durch Verschlußelemente des Stands der Technik entstanden sind. Tatsächlich bewirkt die Anwesenheit von Kerben in den sphärischen Bereichen, daß diese Zonen die elastischen Verformungen ausgleichen, unter Druck, wenn sie in Kontakt mit den jeweiligen Sitzen gebracht werden.

Es sollte angemerkt werden, daß die Kerben, wie in 6 gezeigt, stromabwärts des Sitzes 12 oder stromabwärts der Druckzone, in einer Zone, welche mit X bezeichnet ist, gebildet werden sollten.

Es ist ferner zu sehen, daß die Kerbe oder Aussparung verschiedene Arten von Geometrien haben kann, als eine Funktion der Abmessungen der sphärischen Bereiche und als eine Funktion der Arbeitsdruckpegel oder anderer spezifischer Parameter.

Die Möglichkeit des Ausgleichs der Verformungen des Verschlußelements in den sphärischen Bereichen ermöglicht so die Verbesserung des Betriebs von Kugelventilen. Und dies ist sowohl möglich, wenn elastomere als auch thermoplastische Inserts auf den Sitzen verwendet werden und wenn Metalldichtungen verwendet werden, sowohl bei niedrigem als auch bei hohem Druck.

Eine technische Lösung wie die der Erfindung kann deshalb bei allen Typen von Kugelventilen eingesetzt werden.

Die technische Lösung der Erfindung ermöglicht so eine größere Gleichförmigkeit der Verformung der Kugel zu erhalten mittels der oben gemachten Erläuterungen.

Es kann dadurch das gleiche Dichtungsniveau erhalten werden wie bei konventionellen Kugelventilen, jedoch in der Anwesenheit von viel größeren Drücken

Es folgt deshalb daraus, daß mit dem gleichen erzielbaren Dichtungsniveau es möglich ist, eine kleinere Kraft auf den Sitz auszuüben. Tatsächlich muß der Sitz sich weniger verformen, um den Verformungen der Kugel zu folgen, die sehr viel mehr eingegrenzt sind. Diese Situation macht es folglich möglich, die Ventile oder die Verschlußelemente mit kleineren Arbeitsmomenten zu betreiben.

Es ist anzumerken, daß die spezielle Geometrie des Verschlußelements in seinen sphärischen Bereichen mittels metallischer Materialien auf der Basis eines Körpers, der gegossen, geschmiedet, gerollt oder durch Schweißen zusammengesetzt ist, oder direkt aus geeignet ausgewählten Kunststoff- oder Kompositmaterialien hergestellt werden kann.


Anspruch[de]
  1. Kugelventil umfassend einen äußeren Einschließungskörper (11), innerhalb welchem eine Kugel angeordnet ist, die als Verschlußelement (13) für Fluidabsperrung dient, wobei die Kugel ein Durchgangsloch (18) aufweist und zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung des Ventils beweglich ist und mit einem oder mehreren Sitzen (12) kooperiert, wobei Dichtelemente bezüglich des Einschließungskörpers (11) und der Kugel (13) bereitgestellt sind,

    dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel (13) Nachgebezonen (15a, 15b) in ihren sphärischen Bereichen (50) bereitstellt, wobei die Nachgebezonen stromabwärts der Sitze bezüglich einer Druckzone angeordnet sind.
  2. Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachgebezonen (15a, 15b) bereitgestellt sind durch Kerben (19, 20), welche auf Oberflächenzonen des Verschlußelements (13) in Korrespondenz mit den sphärischen Bereichen (15) hergestellt sind.
  3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben (19, 20) im wesentlichen gemäß einer Richtung parallel zu der Rotationsachse (R) des Verschlußelements (13) hergestellt sind.
  4. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben (19, 20) sich im wesentlichen längs eines Umfangbereichs von gegenüberliegenden sphärischen Bereichen (15) des Verschlußelements (13) erstrecken.
  5. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben (19, 20), welche in dem Verschlußelement (13) hergestellt sind, eine Basis krummliniger Gestalt (21) haben.
  6. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben, welche in dem Verschlußelement (13) hergestellt sind, eine Basis geradliniger Gestalt (22) haben.
  7. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben, welche in dem Verschlußelement (13) hergestellt sind, eine Basis einer peripheren kreisförmigen Gestalt (23) haben.
  8. Ventil gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerbe, welche in dem Verschlußelement (13) hergestellt ist, sich peripher längs des gesamten sphärischen Bereichs erstreckt, um einen zentralen Bereich einer kleineren Abmessung bereitzustellen, welcher unterschiedlich geformt ist.
  9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Bereich kleinerer Abmessung wie eine Ellipse geformt ist.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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