DE2155693A1

DE2155693A1 - Metalldichtung für Steuerschieber od.dergl

Info

Publication number: DE2155693A1
Application number: DE19712155693
Authority: DE
Inventors: Fred Joseph Marshalltown Ia. Luthe (V.StA.)
Original assignee: Fisher Controls International LLC
Current assignee: Fisher Controls International LLC
Priority date: 1970-11-10
Filing date: 1971-11-09
Publication date: 1972-05-18
Also published as: CA989899A; AU3550471A; FR2113717A5; NL7115333A; BE775104A; US3713660A; GB1368773A; IT955063B; AU470020B2

Description

PATENTANWÄLTE 8 MÜNCHEN 8O. MAUERKIRCHERSTR. 48

Ihr Schreiben Unser Zeichen VT/Kr 21 656 Datum 9. NOV. 1971

Anwaltsakte 21 636

Fisher Controls Company, Ine, Marshalltown, Iowa / USA

Metalldichtung für Steuerschieber od. dergl.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Metalldichtung und betrifft insbesondere eine selbstdichtende Metalldichtung zur Verwendung mit einem Steuerschieber od. dergl., dessen Einzelteile aufgrund wechselnder Temperaturen

des Schiebers beträchtlicher thermischer Ausdehnung und Zusammenziehung unterworfen sind.

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Bisher wurden zwischen verschiedenen zusammengehörigen Teilen von Flüssigkeiten (der Ausdruck Flüssigkeiten soll hier tropfbare und gasförmige Flüssigkeiten umfassen) durchströmter Vorrichtungen wie Rohranschlüssen, Steuerschiebern und dergl. allgemein ebene, ringscheibenförmige Dichtungen verwendet. Bei Teilen mit erheblich verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten, welche unter Bedingungen arbeiten , bei denen starke TemperaturSchwankungen auftreten, erwiesen sich manche der bekannten Dichtungen als unbefriedigend. Beispielsweise weisen zur Steuerung der Dampfdurchatrömung einer leitung verwendete Steuerschieber oft einen Schieberkörper mit einem darin eingesetzten, eine Führung für die Hin- und Herbewegung eines Absperrgliedes bildenden Zylinderteil. Der Schieberkörper und das Zylinderteil haben dabei häufig unterschiedliche Qärmeausdehnungskoeffizienten, so daß Temperaturänderungen aufgrund der Durchströmung mit der Flüssigkeit ein unterschiedliches Zusammenziehen oder Ausdehnen der zusammengefügten Teile bewirken. Daraus kann sich eine unzulässige Lockerung der Dichtung zwischen dem Zylinder und dem Schieberkörper oder das Zerquetschen der Dichtung ergeben, je nachdem, ob sich der Schieberkörper und der Zylinder bei ihrer Ausdehnung einander nähern oder voneinander entfernen. In jedem Falle kann dadurch ein Austreten der Flüssigkeit bewirkt werden.

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Bb gibt bekannte ausdehnungsfähige Metall-Ringdichtungen mit C- U- oder V-förmigem Profil. Das Profil solcher Dichtungen weist gewöhnlich durchgehend gleiche oder konstante Dicke auf, oder die oberen und unteren Schenkel der Profile haben eine erheblich geringere Dicke als das sie verbindende Teil. Wenngleich diese Dichtungen beträchtliche Belastungen aufzunehmen vermögen, weisen sie doch nicht die notwendige Feder- oder Rückstellkraft für eine Dichtung auf, welche eine beträchtliche Belastung aufzunehmen hat und gleichzeitig ausreichende Verformungseigenschaften aufweist, um sich zur sicheren Abdichtung unter schwankenden Temperaturen um ein beträchtliches Maß zu verformen und in den vorherigen Zustand zurückzukehren.

Eine selbstdichtende Metalldichtung gemäß der -Erfindung ist ein ringförmiger Körper aus elastisch verformbarem Metall, mit einer oberen und einer unteren Ringscheibe, welche über ein damit einstückiges Biegeteil miteinander verbunden sind. Das Verhältnis der Dicke des Biegeteils zu der der beiden Ringscheiben ist so gewählt, daß das Biegeteil im Gebrauch eine beträchtliche plastische Verformung erfährt, während die Ringseheiben einer elastischen Verformung unterworfen sind. In bestimmten Fällen läßt sich eine sö~lche Wirkung mit einem Verhältnis von weniger als eins erzielen. Bei Anwendung

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dieser Ausbildung ist mit der Dichtung ungeachtet erheblicher Temperaturschwankungen in den Teilen, zwischen denen sie eingesetzt ist, eine Flüssigkeitsdichte Abdichtung erzielbar·.

Somit schafft die Erfindung eine selbstdichtende Metalldichtung, welche zum Einbau auf engem Raum geeignet • ist und hinsichtlich Belastbarkeit und elastischer Ver-

formungsfähigkeit im wesentlichen die Eigenschaften einer Feder aufweist.

Die selbstdichtende Metalldichtung gemäß der Erfindung eignet sich insbesondere zur Verwendung zwischen eng aneinandergepaßten, zusammenwirkenden Teilen eines Steuerventils zur Schaffung einer sicheren Abdichtung beim Ausdehnen und Zusammenziehen solcher Teile.

ψ Die Metalldichtung gemäß der Erfindung weist Teile mit entweder plastischen oder elastischen Verformungseigenschaften auf, wobei die Verbindung solcher Teile eine kompakte Dichtung für die Aufnahme hoher Belastungen bei beträchtlicher Verformbarkeit und Rückstellfähigkeit ergibt.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Aue-

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führungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. la und Ib Quersehnittansichten typischer bekannter Metall-Ringdichtungen,

Pig. 2 eine Schrägansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtung für Verwendungszwecke, bei denen die Abdichtungswirkung durch die Dichtung von innen her belastenden Druck unterstützt wird,

Pig. 3 eine Schnittansicht der Dichtung nach Fig. 2,

Pig. 4 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtung, ebenfalls für Verwendungszwecke, bei denen die Dichtwirkung durch die Dichtung von innen her belastenden Druok unterstützt wird,

Pig. 5 und 6 Schnittansichten von den Ausführungsformen nach Pig. 3 und 4 entsprechenden Ausführungen der Dichtung, bei denen die Dichtwirkung jedoch durch von außen einwirkenden Druck unterstützt wird,

Pig. 7 und 8 Sohnittansichten eines Steuerschiebers ait

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zur Abdichtung zwischen zusammenwirkenden Teilen eingesetzter Metalldichtung gemäß der Erfindung, wobei Fig. 8 einen vergrößerten Ausschnitt von ?ig, 7 darstellt, und

Pig. 9 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen Verformung und Belastung bei einer Metalldichtung gemäß der Erfindung.

In Pig. la und Ib sind zwei typische Ausführungen bekannter Metalldichtungen a bzw. b gezeigt. Die Metalldichtung a ist insgesamt ringförmig und hat ein V-förmiges Profil, während die Dichtung b ein C-förmiges Profil aufweist. Es ist zu bemerken, daß die Schenkel c und d des Profile der Dichtung a eine beträchtlich kleinere Querschnittefläche haben, als das die beiden Schenkel verbindende Teil e. Die Schenkel f und g der Profile der Dichtung b haben jeweils etwa eine gleich große Querschnittaflache wie das sie verbindende Teil h.

Es wurde ermittelt, daß bei einer Belastung der Metalldichtungen a oder b-diese im wesentlichen vollständig unter Verformung.durch die Schenkel c und d bzw. f und g aufgenommen wird und die die oberen und unteren Schenkel verbindenden Teile e bzw. h wenig oder keine Verformung

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erfahren. Demzufolge sind derartige Dichtungen hinsichtlich ihrer Verwendung "begrenzt und für Zwecke, bei denen eine wesentliche Verformung und Rückkehrfähigkeit für die Wirkung der Dichtung ausschlaggebend ist, nicht befriedigend verwendbar. , . . -.

In Fig. 2 und 3 ist eine insgesamt mit 10 bezeichnete Metalldichtung gemäß der Erfindung dargestellt. Sie weist insgesamt eine Ringform mit etwa U-förmigem Profil auf, und enthält eine obere und eine untere elastisch verformbare Ringscheibe 12 bzw. 14, welche in gegenseitigem Abstand durch ein einstückig damit gebildetes, im wesentlichen plastisch verformbares Biegeteil· 16 entlang dem Außenrand verbunden sind. Durch diese Ausbildung erhält die Dichtung 10 eine Innennut oder -kehle 17, welche bei der Beaufschlagung mit Druck' dem Auseinanderspreizen der Ringscheiben 12 und 14 dient und damit die Diehtsirkung unterstützt. Die Dichtung ist vorzugsweise aus einem Metall mit hoher Elastizität gefertigt, beispielsweise der unter der Handelsbezeichnung Inconel 718 bekannten Legierung, welche bei extremen !Temperaturen von beispielsweise 540 bis 650⁰C eine hohe Streckgrenze aufweist. Es ist zu bemerken, daß die obere und untere Ringseheibe 12 bzw. 14 der Metalldichtung 10 im Vergleich zum Biegeteil 16 sehr dick ist, so daß das Biegeteil im Gebrauch im wesentlichen eine plastische Verformung

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(über die Streckgrenze hinaus) erfährt, während die Verformung der Ringscheiben 12 und 14 elastisch ist (also unterhalb der Streckgrenze bleibt). Zur Erzielung der gewünschten Ergebnisse .wurde bei Verwendung verschiedener Metalle und Legierungen für die Dichtung 10 ein erforderliches Dickenverhältnis von mehr als eines zwischen der oberen und der unteren Ringscheibe 12 bzw. 14 und'dem ^ Biegeteil 16 ermittelt. Hinsichtlich der Verwendung von Inconel 718 für die Herstellung der Dichtung wurde festgestellt, da.? die Dicke der oberen und unteren Ringscheiben 12 bzw. 14 zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses etwa achtmal größer sein soll als die des Biegeteils 16. Dabei erhält die Metalldichtung 10 federartige Eigenschaften, welche eine beträchtliche Verformung und Rückkehr in den vorherigen Zustand gestatten und eine zur Erzielung einer v/irksamen Abdichtung ausreichende Belastung zulassen. So zeigte beispielsweise eine erfindungsgemäße Metalldichtung mit einer Gesamthöhe von etwa 19 nun und einen; Auüendurchmesser von etwa 127 mm bei einem Innendurchmesser von etwa 88,9 mm, einer Dicke der beiden Ringscheiben von et v/a 6,35 mm und des Biegeteils von etwa 0,79 mm die in Fig. 9 dargestellte Last-Verforrcungscharakteristik, wobei sich die Dichtung nach einer anfänglichen AusgangsbelPstun;¹· über einen Belsstungsbereich vor, 0 bis 6 350 kp über einen Bereich von et-7/a 2.54 mir. elastisch verfori.-.te.

2 U H h ζ ι / 0 9 T 6

BAD

Es wurde ermittelt, daß bei einem Verhältnis der Dicke der Ringscheiben 12 und 14 zu der des Biegeteils 16 von etwa 8 zu 1 die gewünsc&te Verformungs- und Belastungscharakteristik der Dichtung erzielbar ist, da das Biegeteil 16 in diesem Falle zu einem dynamischen, plastisch verformbaren Teil wird und nicht, wie das Verbindungsteil der bekannten Metalldichtungen, ein statisches Teil darstellt. Das heißt also, daß sich das Biegeteil 16 bei einer Belastung der Dichtung 1Ö im plastischen Bereich verformt und zusammen mit den Ringscheiben 12 und 14 einen Teil der Belastung aufnimmt. Dadurch erhält die Dichtung 10 die Fähigkeit, in den Ringscheiben 12 und 14 beträchtliche Belastungen aufzunehmen, wobei sie gleichzeitig einer Kombination von beträchtlicher plastischer Verformung im Biegeteil 16 und elastischer Verformung in den Ringscheiben 12 und 14 unterworfen ist. Diese Fähigkeit sowie die sich daraus ergebenden Vorteile werden aus der nachfolgenden Beschreibung der Verwendung der Metalldichtung 10 zum Abdichten der zusammenwirkenden Teile eines Steuerschiebers ersichtliche

Die Metalldichtung 10 weist über die Flächen der oberen und unteren Ringscheiben 12 bzw. 14 hervorstehende, ringförmige Randstege 19 bzw. 21 auf. Die Randstege 19 und 21 dienen dazu, den zum Abdichten auf die Flächen der abzudichtenden Teile ausgeübten Druck zu konzentrieren.

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Mg. 4 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtung 10'. Diese weist anstelle des U-förmigen Profils ein 7-Profil auf. Dabei ist zu bemerken, daß das Biegeteil 16' der Dichtung 10* gemäß der Erfindung eine beträchtliche kleinere Querschnittsfläche hat als jede der beiden Ringscheiben 12· und 14'.

^ In ' Pig. 5 und 6 sind den in Pig. 3 und 4 dargestellten entsprechende Metalldichtungen gezeigt. Im Unterschied zu diesen sind die Biegeteile 16" und 16'" der Dichtugen 10" und 10'" in Fig. 5 und 6 jedoch entlang dem inneren Umfang der Dichtungen angeordnet, während die Randstege 19", 19'" und 21", 21'" entlang dem äußeren Umfang verlaufen. Durch diese Anordnung sind die Nuten oder Kehlen 17" bzw. 17'" auswärts geöffnet, so daß ein von außen auf die Dichtung 10" bzw. 10·" einwirkender Druck das Auseinanderspreizen der Ringscheiben 12" und 14" bzw. 12'" trad 14'" und damit eine verbesserte Abdichtung zwischen den Randstegen 19" und 21" bzw. 19^f" und 21'" und den abzudichtenden !Teilen unterstützt.

In Fig. 7 und 8 ist in einer Teil-^chnittansicht ein Steuerschieber gezeigt. Br weist einen mittels Schrauben 22 an einem Schieberkörper 20 befestigten Deckel 18 auf. Zwischen dem Deckel 18 und dem Schieberkörper 20 ist eine Zylinderbuchse 24 eingesetzt, an deren unterem

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Rand 26 ein ringförmiger Diclitungssitz 28 gebildet ist, welcher zwischen dem Einlaß 30 und dem Auslaß 32 des Steuerschiebers liegt. Die Zylinderbuchse 24 weist Durchlässe 40, 41 auf. In der Zylinderbuchse 24 ist ein zylindrisches Absperrglied 34 den Durchlässen 40,41 gegenüber hin und her beweglich angeordnet. Mit seinem oberen Ende ist es mittels eines Befestigungsstifts 38 mit einem Betätigungsstab 36 verbunden. Der Betätigungsstab 36 ist seinerseits in bekannter Weise mit einer (nicht dargestellten) Betätigungseinrichtung verbunden, Zum Schließen des Schiebers ist das Absperrglied 34 auf einem Ventilsitz 28 aufsetzbar- Bei seiner Bewegung aus der Schließstellung gibt das Absperrglied 34 einem Strömungsmittel den gesteuerten Durchfluß über den Ventilsitz 28, die Durchlässe 40. 41 der Zylinderbuchse 24 und den Auslaß 32 frei.

In einer zvfischen dem unteren i'eil 26 der Zylinderbuchse 24 und einer Ausnehmung 25 im Schieberkörper 20 gebildeten Kammer 42 ist eine Metalldichtung 10 gemäß der Erfindung eingesetzt. Wie man erkennt, ist die Dichtung 10 in ihrer Ivormallase derart verformt, daß sich die Randsteee 19 und 21 am unteren Ende 26 der Zylinderbuchse "A bzw. am Schieberkörper 20 in Anlage befinden und sour't eine wirksame Abdichtung ergeben. Zu bemerken

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ist ferner, daß die Metalldichtung 10 derart in die Kammer 42 eingesetzt ist, daß der am Einlaß 30 vorhandene hohe Druck das Auseinanderspreizen der Dichtung und damit das druckdichte Anlegen der Randstege an die abzudichtenden Flächen unterstützt.

Sind der Schieberkörper 20 und die Zylinderbuchse 24 im Betrieb Temperaturschwankungen ausgesetzt, so dehnen sich die Teile bei einem Temperaturanstieg zunächst aus und üben damit Druckkräfte auf die Dichtung 10 aus, so daß deren obere und untere Ringscheiben 12 bzw. 14 und das Biegeteil 16 verformt werden. Bei der Metalldichtung 10 gemäß der Erfindung ist eine solche Verformung ohne Schwierigkeit möglich, da das Bißgeteil 16 im Vergleich zu den viel dickeren Ringscheiben dünn genug ist, um sich plastisch zu verformen. Nimmt im weiteren Betrieb die Temperatur wieder ab, so ziehen sich die Zylinderbuchse 24 und der Schieberkörper 20, zumeist in verschiedenem Ausmaß, zusammen, wodurch sich die Kammer 42 erweitert. Die Metalldichtung federt zurück und vermag daher dem Zusammenziehen der Teile unter Aufrechterhaltung eines zum Abdichten derselben ausreichenden Anlagedruckes zu folgen. Dies ergibt sich daraus, daß die relativ dicken bzw. breiten Ringscheiben 12 und 14 einen zum Abdichten ausreichenden Anlagedruck an den Teilen und gleichzeitig eine zum Zurückführen des Biege-

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teils 16 in die ursprüngliche Form ausreichende Kraft aufbringen. Die Dichtung vermag sich somit ohne Schwierigkeit zu verformen und die erforderliche Folgebewegung zu vollziehen. Bs ergibt sich somit, daß die Dichtung in erheblichem Maße verformbar ist, während sie gleichzeitig einen ausreichenden Anlagedruck an den abzudichtenden Flächen aufrechtzuerhalten vermag.

Patentansprüche: -14-

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Claims

Patentansprüche :

1. I Metalldichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Körper (lO) aus einem federelastischen Metall eine obere und eine untere, untereinander über ein damit einstückiges Biegeteil (16) verbundene Ringscheibe (12 bzw. 14) aufweist, wobei das Verhältnis der Dicke des Biegeteils zu der der einzelnen Ringscheiben so gewählt ist, daß das Biegeteil in beträchtlichem Maße plastisch verformbar und die Ringscheiben elastisch verformbar sind.

2i Metalldichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß. das Verhältnis weniger als eins zu eins beträgt.

3. Metalldichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Dicke des Biegeteils (16) zu
der der einzelnen Ringscheiben (12,14) etwa 1 zu 8 beträgt „

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