DE4104003C2 - - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltarmatur nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Abdichtung der Schaltwellen gegenüber dem Armaturen­ gehäuse ist ein Schwachpunkt von Schaltarmaturen. Undich­ tigkeiten treten insbesondere bei Druckbetätigung der Schaltwellen mittels einseitiger Handhebel auf, wenn ein zwangsläufig auf die Schaltwelle ausgeübtes Kippmoment die Abdichtung einerseits zusammenpreßt und andererseits Spaltbildungen ermöglicht. Die hierfür herkömmlicherweise verwendeten Stopfbuchsen entsprechen vielfach nicht mehr den betrieblichen und gesetzlichen Anforderungen, insbe­ sondere der im Jahre 1986 in Kraft getretenen Emissions­ schutzverordnung "TA-Luft". Für die eingangs genannten Schnellschluß-Schaltarmaturen, bei denen zur Betätigung des Absperrorganes die Schaltwelle um 90° gedreht wird, fordert die Verordnung, daß zusätzlich zur Stopfbuchse ei­ ne Faltenbalgabdichtung oder gleichwertige Abdichtungen vorzusehen sind. Faltenbalgabdichtungen sind jedoch für die drehbaren Schaltwellen ungeeignet, weil sie nur ge­ ringfügig korrosionsbeanspruchbar sind. Wenn hingegen der Faltenbalg im Drehbereich mit Gleitringdichtungen arbei­ tet, ist die Abdichtung gegenüber herkömmlichen Stopfbuch­ sen nur unwesentlich verbessert. Überdies sind Faltenbälge nur geringfügig auf Druck beanspruchbar und unterliegen bei Belastungswechseln erheblichen Materialermüdungen.

Schaltarmaturen, die anstatt einer Stopfbuchse bzw. eines Faltenbalges eine andere Abdichtung aufweisen, gehören be­ reits zum druckschriftlichen Stand der Technik. Aus dem DE-GM 78 15 061 ist bereits eine schaltbare Armatur der eingangs genannten Art bekannt geworden, deren druckbeauf­ schlagte Schaltwelle zur Sicherung im Armaturengehäuse zwei axial voneinander beabstandete radiale Bunde mit sphärischen Dichtflächen hat, die jeweils über Dichtringe mit sphärischen Sitzflächen an Abstufungen einer zweige­ stuften Schaltwellenbohrung abgestützt sind. Die Schalt­ welle wird sowohl unter dem Gehäuseinnendruck, als auch infolge der Vorspannung von Tellerfedern in ihren Dicht­ sitz gepreßt und gezogen, wobei die Tellerfedern einer­ seits an der Außenseite des Armaturengehäuses und anderer­ seits an einem schaltwellenfesten Widerlager abgestützt sind. Diese Konstruktion hat jedoch den Nachteil, daß der Innendruck der Schaltarmatur sowie eine Abnutzung der Ab­ dichtungen der Federvorspannung entgegenwirken, so daß kritische Betriebssituationen nicht von einer entsprechen­ den Erhöhung der Dichtkräfte begleitet sind. Außerdem sind die Dichtpressungen in den beiden Dichtungen aufgrund un­ terschiedlicher Abmessungen verschieden hoch. Ferner ist die Schaltwelle nur unter erheblicher Spaltbildung zwi­ schen Bunden und Dichtflächen kippbar, weil die sphäri­ schen Dichtsitze axial erheblich versetzte Radienmittel­ punkte haben. Überdies können sich im länglichen Ringspalt zwischen Armaturengehäuse und Schaltwelle sowie den beiden Dichtringen Verunreinigungen ansammeln, welche die Dicht­ funktion beeinträchtigen und bevorzugt durch eine Gehäuse- oder Schaltwellenbohrung abgezogen werden müssen. Schließ­ lich ist die Federvorspannung nicht nach­ stellbar und kein Austausch der Schaltwelle ohne vollständige Demontage der Armatur möglich.

Der DE-AS 21 40 975 ist bereits eine Schaltwellenabdich­ tung für eine Schaltarmatur entnehmbar, deren Schaltwelle einen Ringbund mit ebenen Ringflächen für die Anlage zwei­ er Dichtanordnungen aus jeweils zwei ineinandergreifenden, keilförmigen Dichtringen aufweist. Die innere Dichtanord­ nung ist an einer Abstufung der Schaltwellenbohrung abge­ stützt, wogegen die äußere Dichtanordnung am Innenumfang der Schaltwellenbohrung und an der Stirnfläche einer ein­ geschraubten Gewindebuchse gehalten ist. Zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen und von betrieblichen Abnutzungen muß diese Abdichtung jeweils durch Verschrauben der Gewinde­ buchse eingestellt werden. Außerdem ist infolge der keil­ förmig ineinandergreifenden Dichtringe keine Kippbarkeit der Schaltwelle unter Erhaltung der Dichtwirkung gegeben. Schließlich kann die Schaltwelle infolge eines Restdruckes in der Armatur nach einem Lösen der Ge­ windebuchse ausgeblasen werden, wodurch Unfallgefahr besteht.

Schließlich offenbart die DE-AS 26 58 256 eine Abdichtvor­ richtung für die Spindel einer Armatur, bei der ein Dicht­ ring mit einem kugelförmigen Dichtsitz mittels Tellerfe­ der gegen die sphärische Dichtfläche eines Radialbundes der Spindel gedrückt werden. Die Dichtfläche ist auf der innen liegenden Seite des Bundes angeordnet, so daß die Tellerfedern an einer Innenstufe der Spindelbohrung abge­ stützt sind und Kontakt mit einem durchströmenden Medium bekommen können. Um dies und eine Ansammlung des Durch­ strömmediums bzw. von Verunreinigungen in den großen Hohl­ räumen des Abdichtsystems zu vermeiden, sind offenbar die Kugelsitzringe mit O-Ringen gegenüber der Gehäuseinnenwand abgedichtet. Der Bund ist außen über eine ebene Ringfläche an einem gehäusefesten Widerlager abgestützt, so daß eine Kippbeweglichkeit der Spindel nicht gegeben ist. Auch bei dieser Armatur kann die Spindel nach dem Lösen eines Schnappringes für das Widerlager durch den Armatureninnen­ druck ausgeblasen werden.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltarmatur zu schaffen, bei der insbesondere eine verbesserte Abdichtung und Kippbeweglichkeit der Schaltwel­ le auch bei kritischen Betriebszuständen gegeben sein soll, die einfacher montierbar ist und einer geringeren Ver­ schmutzungsgefahr im Abdichtungsbereich unterliegt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei der eingangs genannten Schaltarmatur die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 vorgesehen.

Bei einer erfindungsgemäßen Schaltarmatur wird die Abdich­ tung aus innerem und äußerem Dichtring sowie zwischenlie­ gendem Bund der Schaltwelle von der Druckfeder über den Druckring spielfrei zusammengedrückt, wobei die Anordnung an der inneren Abstufung der Schaltwellenbohrung abge­ stützt ist. Die Druckfedern garantieren einen Ausgleich von Fertigungstoleranzen, Ausdehnungsänderungen und Ver­ schleiß, ohne daß im Normalfall ein Nachstellen der Abdich­ tung erforderlich wäre. Die Federkraft ist in das Innere des Armaturengehäuses und somit der Kraft infolge des Ar­ matureninnendruckes entgegengerichtet. Deshalb geht ein erhöhter Innendruck mit einer gesteigerten Dichtkraft und einer verbesserten Dichtwirkung einher. Selbst bei einem unwahrscheinlichen Versagen der Druckfeder ist die Abdich­ tung noch wirksam, weil sich der Druckring an dem Ring­ flansch anlegen kann und die Dichtanordnung abstützt. Durch die sphärischen Dicht- und Sitzflächen auf beiden Seiten desselben Bundes ist eine spaltfreie Dichtanlage gegeben und werden Ablagerungen durch Medieneinschluß zwi­ schen Schaltwelle und Schaltwellenbohrung verhindert. Hier­ durch sind niedrige Drehmomente und ein geringer Material­ verschleiß bedingt. Außerdem bedingt die beidseitig sphä­ rische Lagerung des Bundes übereinstimmende Dichtpressun­ gen in beiden Dichtungen und eine begrenzte Kippbarkeit der Schaltwelle ohne Spaltbildung im Dichtungsbereich. Hierfür kann zwischen Schaltwelle und Dichtungen ein Spalt vorgesehen sein. Die Dicht- und Sitzflächen bleiben in ge­ genseitiger Anlage, insbesondere wenn die Radienmittel­ punkte der Dicht- bzw. Sitzflächen auf beiden Seiten des Bundes ineinanderfallen. Somit beanspruchten die beim Be­ tätigen infolge von Querkräften auf die Schaltwelle wir­ kenden Kippmomente erfindungsgemäß die Dichtringe kaum und bewirken keine Spaltbildung. Überdies lassen sich Spaltbe­ reiche in Dichtungsnähe aufgrund der randseitig benachbar­ ten Dichtringe praktisch vermeiden. Zur Montage bzw. De­ montage können Schaltwelle, Druckring und Dichtringe ein­ fach durch die Gehäuseöffnung der Schaltwellenbohrung ge­ führt werden. Hierdurch ergibt sich eine erhebliche Mon­ tagezeitersparnis bei Inspektionen oder einem Austausch von Teilen.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Druckfeder von mindestens einer die Schaltwelle umringenden Teller­ feder gebildet, wodurch sich eine raumsparende Konstruk­ tion ergibt. Zum Nachstellen der Federvorspannung durch Schrauben des Ringflansches kann zwischen Armaturengehäuse und Ringflansch ein Nachstellspalt ausgebildet sein.

Gemäß einer anderen Weiterbildung sind zwischen Schaltwel­ lenbohrung, Druckring, Ringflansch und Schaltwelle Ring­ spalte ausgebildet, die ein begrenztes Kippen der Schalt­ welle im Armaturengehäuse ermöglichen. Zum Führen der Schaltwelle können in die Ringspalte Gleitringe eingesetzt sein, die bei geeigneter Materialauswahl eine begrenzte Kippbarkeit zulassen.

Bevorzugt hat der Druckring neben seiner äußeren Stirn­ fläche eine Innenaufnahme für eine Stopfbuchspackung, die von einem - als Innenkragen ausgebildeten - Innen­ rand des Ringflansches zusammenpreßbar ist. Die Stopf­ buchse unterstützt als Sekundärdichtung die Primärdichtung zwischen Bund und den daran anliegenden Dichtringen. Die Sekundärdichtung kann kleinere Leckagen der Primärdichtung auffangen. Dabei wird die Vorspannung der Primärdichtung zugleich über die Druckfeder und die Stopfbuchspackung in den Ringflansch weitergeleitet. Hierdurch wird eine zusätz­ liche Sicherung gegen ein Versagen der Federn erreicht, die eine erhöhte Stopfbuchspressung gerade im Versagens­ falle bewirkt. Diese Ausgestaltung genügt sicher den be­ trieblichen und gesetzlichen Anforderungen.

Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist zwischen Armaturengehäuse und Druckring ein O-Ring in eine Ringnut eingesetzt, der als weitere Sekundärdichtung Leckagen der Primärdichtung insbesondere infolge von Mikroporosität auffangen kann. Aus demselben Grunde kann zwischen Ring­ flansch und Schaltwelle ein O-Ring in einer Ringnut einge­ setzt sein, insbesondere zusätzlich zu einer Stopfbuchs­ dichtung.

Gemäß einer anderen Weiterbildung hat das Armaturengehäuse mindestens eine Stiftaufnahme, in der ein durch eine Ein­ führöffnung eingeschobener Sicherungsstift gesichert ist, ist die Stiftaufnahme senkrecht zur Schaltwellenbohrung ausgerichtet, und ist die Stiftaufnahme in die Schaltwel­ lenbohrung hineingeführt und bereichsweise durch den Druck­ ring geführt, wobei ein Spalt zwischen Stiftaufnahme und Sicherungsstift eine begrenzte Axialverschiebung des Druck­ ringes zuläßt. Durch die eingesetzten Sicherungsstifte wird der Druckring im Armaturengehäuse gesichert, so daß er bei einem unsachgemäßen Lösen des Ringflansches bei Ar­ matureninnendruck nicht ausgedrückt werden kann. Damit wird den Unfall-Verhütungsvorschriften entsprochen. Zu­ gleich wird ein Inspizieren und Auswechseln der Stopfbuchs­ packung, des O-Ringes sowie des Gleitringes zwischen Ring­ flansch und Schaltwelle sowie der Druckfedern und des Ring­ flansches ermöglicht, ohne daß Betriebsunterbrechungen er­ forderlich wären. Zur großflächigen Abstützung des Druck­ ringes an dem Sicherungsstift schneiden die Stiftaufnahme die Schaltwellenbohrung und die Aufnahme den Druckring be­ vorzugt tangential.

Gemäß einer praktischen Weiterbildung bestehen die Dicht­ ringe aus PTFE, Polyamid, Graphit, Keramik oder Metall. Durch den Einsatz von Reingraphit insbesondere für den äußeren Dichtring wird gewährleistet, daß im Brandfall auch bei Temperatureinwirkungen von etwa 800°C keine un­ zulässigen Leckagen auftreten.

Im folgenden wird die Er­ findung anhand einer in den Zeichnungen dargestellten, bevorzugten Ausfüh­ rungsform näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Armatur oberhalb des Durchströmkanales und

Fig. 2 dieselbe Armatur in teilweiser Draufsicht mit einem Ausbruch entlang der Linie II-II der Fig. 1.

Die dargestellte Schaltarmatur ist als Kugelhahn mit schwim­ mend in einem zweiteiligen Armaturengehäuse 1 gelagerter Kugel 2 ausgebildet, obgleich die Erfindung auch für gegen­ gelagerte Kugeln geeignet ist. In die Kugel 2 ist obersei­ tig eine Schaltwelle 3 eingesteckt und drehbar durch eine Schaltwellenbohrung 4 des Armaturengehäuses 1 geführt.

Die Schaltwelle 3 hat in der Schaltwellenbohrung 4 einen radialen Bund 5, der auf der vom freien Betätigungsende der Schaltwelle 3 abgewandten Seite mit einer inneren Dichtfläche 6 und auf der anderen Seite mit einer äußeren Dichtfläche 7 versehen ist. Beide Dichtflächen 6, 7 haben eine sphärische Außenkontur.

Die innere Dichtfläche 6 ist an der sphärischen Sitzfläche eines inneren Dichtringes 8 abgestützt, wogegen die äußere Dichtfläche 7 an der sphärischen Sitzfläche eines äußeren Dichtringes 9 anliegt.

Der innere Dichtring ist an einer inneren Abstufung 10 ab­ gestützt, die in die Schaltwellenbohrung 4 eingearbeitet ist. Dagegen stützt sich der äußere Dichtring 9 an einer äußeren Abstufung 11 ab, die von der Schaltwellenbohrung 4 und der inneren Stirnfläche 12 eines in die Schaltwellen­ bohrung 4 eingeschobenen Druckringes 13 definiert wird.

Der Druckring 13 umgibt die Schaltwelle 4, die außerhalb des Armaturengehäuses 1 noch von einem Ringflansch 14 umgeben ist, aus dem nur das Betätigungsende herausragt. Der Ring­ flansch 14 ist mit vier Schrauben 15 mit dem Armaturenge­ häuse 1 verschraubt, wobei zwischen Ringflansch und Arma­ turengehäuse ein Nachstellspalt 16 verbleibt. In einer ringförmigen Ausnehmung an der Unterseite des Ring­ flansches 14 befinden sich zwei Tellerfedern 17, die auf die äußere Stirnfläche des Druckringes 13 drücken, um die Dichtringe 8, 9 gegen die Dichtflächen 6, 7 zu pressen.

Zwischen Schaltwelle 3, Schaltwellenbohrung 4, Druckring 13 und Ringflansch 14 sind Ringspalte 19 ausgebildet, die eine begrenzte Kippbarkeit der sphärisch gelagerten Schaltwelle 3 im Armaturengehäuse 1 ermöglichen. Im Be­ reich des Druckringes 13 und des Ringflansches 14 enthal­ ten die Ringspalte 19 Gleitringe 20, 21, welche die Schaltwelle 3 umfangsseitig führen, jedoch begrenzt kom­ pressibel sind.

Der Druckring 13 hat neben seiner äußeren Stirnfläche 18 eine Innenaufnahme für eine Stopfbuchspackung 22, die aus zwei plan aneinanderliegenden Packungshälften mit keil­ förmigem Außenprofil besteht. Der Ringflansch 14 fungiert zugleich als Stopfbuchsbrille und weist hierfür an seinem Innenrand einen vorspringenden Innenkragen 23 auf, der ge­ meinsam mit dem Gleitring 21 gegen die Stopfbuchspackung 22 drückt.

In eine Ringnut des Druckringes 13 ist zwischen Armaturen­ gehäuse 1 und Druckring ein O-Ring 24 eingesetzt. Ein ent­ sprechender O-Ring 25 befindet sich zwischen Schaltwelle 3 und Ringflansch 14 in einer Ringnut des Ringflansches. Als Werkstoff für die O-Ringe kommen Kohle oder Graphit in Be­ tracht.

Durch das Armaturengehäuse 1 erstrecken sich beidseitig der Schaltwelle 3 Stiftaufnahmen 26, in die Sicherungs­ stifte 27 eingesetzt und mittels eines Stiftgewindes 28 sowie einer Mutter 29 gesichert sind. Jede Stiftaufnahme ist senkrecht zur Schaltwellenbohrung 4 ausgerichtet und schneidet die Schaltwellenbohrung und den Druckring 13 tangential. Im Bereich des Druckringes 13 ist zwischen Stiftaufnahme 26 und Sicherungsstift 27 ein Spalt ausge­ bildet, der eine gewisse Axialverschiebung des Druckringes zuläßt.

Durch die Vorspannung der Tellerfedern 18 werden die Dichtringe 8, 9 mittels des Druckringes 13 gegen die Dichtflächen 6, 7 des Bundes 5 gepreßt, wodurch gemeinsam mit dem Armatureninnendruck die erforderliche Dichtkraft sichergestellt ist. Die Dichtwirkung dieser Primärdichtung wird durch die zusammengepreßten Stopfbuchspackungen 18 sowie die O-Ringe 14, 25 als Sekundärdichtungen unter­ stützt. Zugleich verhindern die Sicherungsstifte 27 ein unbeabsichtigtes Ausdrücken der Schaltwelle 3 bei einem unsachgemäßen Öffnen des Ringflansches 14 der Armatur.

Die Schaltarmatur kann für alle ISO-Normflanschverbindun­ gen gefertigt werden. Außerdem sind vorhandene Armaturen mit der Schaltwellenabdichtung nachrüstbar. Verlängerte Spindelausführungen für Isolierungen, z. B. im Hochtempera­ turbereich, können eine kraftschlüssige, direkte Verbindung mit der Schaltwelle ohne Adapter haben. Dadurch wird eine spielfreie, direkte Übertragung der Drehbewegung auf die Kugel bewirkt.

Die Schaltarmatur kann insbesondere im Mittel- bis Hoch­ vakuumbereich arbeiten, wobei je nach Dichtwerkstoffen Ab­ dichtwerte von 10^-4-10^-8 Torr/ltr/sec erreicht werden. Cryogen-Einsätze bis etwa minus 252°C sind möglich. Außerdem kommt ein Einsatz bei Hochdruck bis zu 1000 bar in Betracht.

Claims (11)

1. Schaltarmatur, insbesondere Hahn, Kugelhahn, Klappe oder dgl. mit
einer dreh- und kippbar durch eine Schaltwellenbohrung (4) des Armaturengehäuses (1) geführten Schaltwelle (3), die sphärische Dichtflächen (6, 7) hat, von denen jede an einem Bund (5) ausgebildet ist,
Dichtringen (8, 9) mit sphärischen Sitzflächen für einen Dichtsitz der Schaltwellen-Dichtflächen (6, 7), wobei die Dichtringe (8, 9) im Armaturengehäuse (1) an Abstufungen (10, 11) abdichtend abgestützt sind, und
einer am Armaturengehäuse (1) abgestützten, die Dichtflächen (6, 7) gegen die Sitzflächen drückenden Feder (17),
dadurch gekennzeichnet, daß

• a) an ein und demselben Bund (5) sowohl äußere, dem Betätigungsende der Schaltwelle (3) zugewandte Dichtfläche (6) als auch innere, dem Schaltwellen-Betätigungsende abgewandte Dichtfläche (7) ausgebildet ist,
• b) zum kippbeweglichen Lagern der Schaltwelle (4) an ihrem Bund (5) ein innerer Dichtring (8) für die innere Dichtfläche (6) an einer die Schaltwellenbohrung (4) zum Betätigungsende hin erweiternden inneren Abstufung (10) und ein äußerer Dichtring (9) für die äußere Dichtfläche (7) an einer, von der Schaltwellenbohrung (4) und einer inneren Stirnfläche (12) eines die Schaltwelle umgebenden Druckringes (13) gebildeten, äußeren Abstufung (11) abgestützt sind, und
• c) die Druckfeder (17) einenends über einen, mit dem Armaturengehäuse (1) verschraubten, die Schaltwelle (3) umgebenden Ringflansch (14) am Armaturengehäuse abge­ stützt ist und anderenends gegen die äußere Stirnfläche (18) des Druckringes (13) drückt.

2. Schaltarmatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfeder von mindestens einer die Schalt­ welle (3) umringenden Tellerfeder (17) gebildet ist.

3. Schaltarmatur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen Armaturengehäuse (1) und Ring­ flansch (14) ein Nachstellspalt (16) ausgebildet ist.

4. Schaltarmatur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen Schaltwellenbohrung (4), Druckring (13), Ringflansch (14) und Schaltwelle (3) Ringspalte (19) ausgebildet sind.

5. Schaltarmatur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Ringspalte (19) Gleitringe (20, 21) einge­ setzt sind.

6. Schaltarmatur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckring (13) neben seiner äußeren Stirnfläche (18) eine Innenaufnahme für eine Stopfbuchspackung (22) hat, die von einem - als Innenkragen (23) ausgebildeten - Innenrand des Ring­ flansches (14) zusammenpreßbar ist.

7. Schaltarmatur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Armaturengehäuse (1) und Druckring (13) ein O-Ring (24) in eine Ringnut einge­ setzt ist.

8. Schaltarmatur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ringflansch (14) und Schaltwelle (3) ein O-Ring (25) in eine Ringnut einge­ setzt ist.

9. Schaltarmatur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das Armaturengehäuse (1) mindestens eine Stiftaufnahme (26) hat, in der ein durch eine Einführöffnung eingeschobener Sicherungs­ stift (27) gesichert ist, daß die Stiftaufnahme senk­ recht zur Schaltwellenbohrung (4) ausgerichtet ist, und daß die Stiftaufnahme in die Schaltwellenbohrung (9) und bereichsweise durch den Druckring (13) geführt ist, wobei ein Spalt zwischen Stiftaufnahme (26) und Sicherungsstift (27) eine begrenzte Axialver­ schiebung des Druckringes (13) zuläßt.

10. Schaltarmatur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stiftaufnahme (26) die Schaltwellenbohrung (4) und den Druckring (13) tangential schneidet.

11. Schaltarmatur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dichtringe (8, 9) aus PTFE, Polyamid, Graphit, Keramik oder Metall bestehen.