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Überall dort, wo heiße Gasströme, wie z.B. Abgase von Brennern, gesteuert, geregelt und/oder gelenkt werden müssen, sind Steuer-, Regel- oder Dichtklappen erforderlich. Aus Gründen der sprachlichen Vereinfachung wird nachfolgend der Begriff „Dichtklappe“ verwandt, der auch Steuer- und Regelklappen umfasst. Solche Dichtklappen sind seit vielen Jahren bekannt. Sie umfassen einen in der Regel kreisförmigen Durchlass und eine drehbar gelagerte Dichtklappe. Diese Dichtklappe kann innerhalb des Durchlasses um 90° gedreht werden. In der Schließstellung verschließt die Dichtklappe den Durchlass und in der Offenstellung liegt die Dichtklappe parallel zur Strömungsrichtung des heißen Gases, so dass das Gas an der Dichtklappe vorbei durch den Durchlass strömen kann. Dieses Prinzip ist seit langem bekannt und hat sich bewährt.
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Problematisch sind die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer solcher Dichtklappen, wenn die Temperatur der Gase mehrere hundert Grad Celsius beträgt. In vielen Anwendungen treten Gastemperaturen größer 400°C, teilweise auch größer 500°C, auf. Diese hohen Betriebstemperaturen stellen hohe Anforderungen an die Dichtklappe und die dort verbauten Dichtleisten. Im Laufe der Zeit lässt die Dichtheit der Dichtleisten und in Folge dessen auch der Dichtklappe nach. Dann schließt die Dichtklappe nicht mehr richtig und das Absperren eines heißen Gasstroms ist nicht mehr in dem gewünschten Umfang möglich.
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Bei manchen Bauformen wird die die Dichtklappe in der Schließstellung gegen einen Anschlag gedreht. Dort bilden sich aufgrund der hohen Temperaturen und den Partikeln in den Gasen Ablagerungen, so dass die Dichtklappe nicht mehr vollständig in die vorgesehene Endlage (Schließstellung) gedreht werden kann. Da das Ausgangssignal eines zugehörigen Drehwinkelsensors das Nicht-Erreichen der Schließstellung anzeigt, wird der Motor eines elektrischen Antriebs der Dichtklappe dauernd bestromt, was zu Schäden führen kann.
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Bei einer anderen Bauform gibt es keinen Anschlag gegen den die Dichtklappe in der Schließstellung gedreht wird. Bei diesen Ausführungen wird der schmale Spalt zwischen Durchlass und Dichtklappe durch eine Dichteinlage abgedichtet. Manche der aus dem Stand der Technik bekannten Dichteinlagen sind nicht ausreichend temperaturbeständig und/oder ihre Lebensdauer lässt zu wünschen übrig.
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Aus der
US 3 534 652 A ist eine Dichtleiste oder Dichtschnur aus Glasfasern oder Fasern aus Silikon-Dioxid bekannt.
Aus der
US 5 225 262 A ist eine Dichtschnur bekannt deren Kern aus Graphit besteht und die von einem Geflecht aus Silikon-Dioxid-Fasern besteht.
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Aus der
US 4 441 726 A eine Dichtschnur bekannt deren Kern aus einem zähen und flexiblen Material besteht. Der Kern ist aus umgeben von insgesamt drei Lagen verschiedener Geflechte. Das innerste Geflecht besteht aus Keramik-Fasern, während die beide äußeren Geflechte aus einem Metallgewebe bestehen. Das innere Geflecht hat die Dichtfunktion; die äußeren Geflechte übernehmen Dämpfung von Druckpulsationen und schützen auf diese Weise das innere Geflecht. Eingesetzt wird diese Dichtschnur im Abgasstrom von Dieselelmotoren, der eine relative geringe Temperatur hat.
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Aus der
EP 2 133 608 A1 ist eine Dichtklappe mit einer eingegossenen Dichtleiste aus einem nicht näher spezifizierten Material bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichteinlage für eine Dichtklappe bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und eine hohe Lebensdauer aufweist, ohne dass die Dichtwirkung nachlässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Dichteinlage für Absperrklappen gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Es hat sich bei vielen Versuchen herauskristallisiert, dass Drähte aus Wolfram besonders geeignet sind, um einen Schlauch für eine Dichteinlage zu bilden. Dabei ist es nicht erforderlich, dass alle Drähte aus Wolfram bestehen; sondern es können auch Gewebe eingesetzt werden, die aus verschiedenen Drähte hergestellt werden. So können beispielsweise ein Teil der Drähte (z. B. die Schussdrähte) aus Wolfram bestehen und ein anderer Teil der Drähte (z. B. die Kettdrähte) aus Edelstahl oder einem anderen metallischen Werkstoff bestehen.
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In der Regel ist es ausreichend, wenn etwa die Hälfte der Drähte aus Wolfram besteht. Dann entwickelt der gewebte Schlauch die erfindungsgemäßen und angestrebten Eigenschaften, nämlich eine hohe Temperaturfestigkeit, geringe Änderungen der Abmessungen bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen (geringe Wärmedehnungen) und eine Beständigkeit auch gegenüber aggressiven Bestandteilen der Gase, die durch die Dichtklappe strömen.
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Es ist auch möglich, zwei ineinander geschobene Schläuche vorzusehen. Dann wird der durch das Gewebe der Schläuche gebildete Strömungswiderstand für die Gase weiter vergrößert und die Dichtwirkung verbessert.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn in einem Schlauch zwei Schnüre angeordnet sind. Dadurch ergibt sich ein „rechteckiger Querschnitt“ und die Flexibilität bzw. die federnden Eigenschaften der beiden übereinander liegenden Schnüre führen dazu, dass die Dichtwirkung der Dichteinlage auch bei einer großen Zahl von Schließ- und Öffnungsvorgängen unverändert hoch bleibt. Alternativ ist es auch möglich, die Schnur so zu flechten, dass sie einen zumindest annähernd rechteckigen Querschnitt mit einem Verhältnis der Kantenlängen von etwa 2:1 aufweist. Die Ecken der Schnur können auch abgerundet sein.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn alle Drähte des Schlauchs aus Wolfram bestehen. Dann kommen die Eigenschaften des Materials voll zum Tragen, nämlich eine sehr gute Temperaturbeständigkeit, eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit gegenüber aggressiven Gasen und Säuren, eine sehr hohe Warmfestigkeit und einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizient.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung haben die Metalldrähte einen Durchmesser kleiner 50 µm, und besonders bevorzugt kleiner 30 µm. Mit diesen Durchmessern ergibt sich ein sehr feines Gewebe, das ausreichend flexibel ist eine sehr gute Dichtwirkung aufweist. Zur Verbesserung der Dichtwirkung kann auf das Gewebe des Schlauchs Graphit oder ein anderer hochtemperaturfestes und weitgehend inertes Pulver aufgetragen und optional eingerieben werden.
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Besonders bevorzugt sind die Metalldrähte zu einem Rundgeflecht gewebt.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Dichteinlage hat die Schnur bzw. haben die Schnüre einen quadratischen Querschnitt. Wenn also zwei dieser Schnüre zu konzentrischen Kreisen angeordnet werden, dann ergibt sich ein insgesamt rechteckiger Querschnitt der Schnüre innerhalb des Schlauchs. Es können auch Schnüre, die einen annähernd kreisrunden Querschnitt haben, verwandt werden.
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Die Schnüre sind derart geflochten, dass sie quer zu ihrer Längsrichtung nachgiebig sind. Dadurch werden die Nachgiebigkeit der erfindungsgemäßen Dichteinlage und deren federnden Eigenschaften in radialer Richtung unterstützt und die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Dichteinlage erhöht.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ebenfalls bei einer Dichtklappe für heiße Gase, umfassend ein Gehäuse mit einem Durchlass, eine drehbare Welle und eine Klappenscheibe, wobei die Klappenscheibe an der Welle befestigt ist und eine Nut aufweist, dadurch gelöst, dass in der Nut eine Dichteinlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingelegt ist.
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Das Gehäuse, die drehbare Welle und die Klappenscheibe sind in der Regel aus Edelstahl gefertigt, da dieses Material sehr beständig gegenüber aggressiven Gasen ist. Die Temperaturbeständigkeit ist ausreichend hoch und es lässt sich gut verarbeiten.
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Die Klappenscheibe weist eine Nut auf, deren Nutgrund als Radius ausgebildet sein kann. In diese Nut wird die erfindungsgemäße Dichteinlage eingelegt. Dadurch wird die Dichteinlage in der Klappe gehalten und sie steht radial etwas über die Klappenscheibe hinaus, so dass beim Schließen der Klappenscheibe die Klappenscheibe nicht in direkten Kontakt zu dem Gehäuse der Dichtklappe gelangt. Vielmehr gelangt lediglich die Dichteinlage in direkten Kontakt mit dem Durchlass des Gehäuses und dichtet auf diese Weise den Durchlass ab.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Nut nicht symmetrisch, sondern weist an einer Flanke einen Stützring für die Dichteinlage auf. Dieser Stützring ist gewissermaßen eine Erweiterung der Klappenscheibe im Durchmesser, so dass immer dann, wenn die Klappenscheibe in die Schließstellung bewegt wird, der Stützring das Ausweichen der Dichteinlage nach hinten in Schließrichtung gesehen, verhindert. Außerdem ist dann der abzudichtende Spalt zwischen der Klappenscheibe und dem Durchlass des Gehäuses kleiner und bei sonst gleichen Randbedingungen wird die Dichtwirkung weiter verbessert.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen genannten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1a) und 1b) verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dichteinlage im Schnitt;
- 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klappenscheibe ohne Dichteinlage;
- 3 eine erfindungsgemäße Klappenscheibe mit eingelegter Dichteinlage;
- 4 eine Dichtklappe in verschiedenen Ansichten;
- 5 die gleiche Dichtklappe gemäß 4 in einem Längsschnitt; und
- 6 eine Dichtklappe mit einem Antrieb in einer Ansicht von vorne und einer Seitenansicht; und
- 7 einen stark vergrößerten Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Klappenscheibe.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In der 1a ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dichteinlage im Schnitt dargestellt. Die Dichteinlage 1 hat einen Kern, der aus einer geflochtenen Schnur 3 besteht. Die geflochtene Schnur 3 ist aus SilikatFasern geflochten. Die Flechtart ist so, dass eine gewisse Elastizität quer zur Längsachse der Schnur 3 gegeben ist. Diese Elastizität ist in den 1a und 1b jeweils durch zwei Pfeile angedeutet. Wenn Kräfte in Richtung der Pfeile die Schnur 3 wirken, dann gibt die Schnur 3 etwas nach und stellt eine den von außen wirkenden Kräften entgegenwirkende Federkraft auf den bereit. Diese Federkraft führt dazu, dass ein Schlauch 5, der die Schnur 3 umgibt, nach außen gegen einen nicht dargestellten Durchlass in einem Gehäuse einer Dichtklappe gepresst wird. Dieser Effekt trägt zum guten Dichtverhalten der erfindungsgemäßen Dichtleiste bei.
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Der Schlauch 5 ist den 1a und 1bebenfalls geschnitten dargestellt. Er besteht aus einem Gewebe aus Metalldrähten, wobei mindestens ein Teil der Metalldrähte aus Wolfram besteht. Wegen der Schnittdarstellung sind von den Metalldrähten nur die kreisrunden Querschnitte zu sehen. Es ist möglich, dass die Schlussfäden aus Wolframdrähten bestehen und die quer dazu verlaufenden Kettdrähte ebenfalls aus Wolfram oder einem anderen Metall oder einer Metalllegierung, wie z.B. Edelstahl, bestehen.
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Wolfram hat einen sehr hohen Schmelzpunkt, eine hohe Flexibilität und Weichheit, sowie einen sehr geringen Temperaturausdehnungskoeffizient. Außerdem ist Wolfram sehr beständig auch gegenüber korrosiven Gasen oder Flüssigkeiten, so dass der Schlauch 5 auch nach vielen hundert Betriebsstunden, in denen er korrosiven Gasen bei hohen Temperaturen ausgesetzt ist, seine Eigenschaften nicht oder nur unwesentlich verändert. Diese für die erfindungsgemäße Dichteinlage sehr günstigen Eigenschaften kommen schon zum Tragen, wenn das Gewebe bzw. der Schlauch 5 nur zum Teil aus Wolframdrähten besteht. Die Dichtwirkung der erfindungsgemäßen Dichteinlage über eine sehr lange Betriebsdauer unverändert gut.
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In der 1b ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dichteinlage 1 ebenfalls stark schematisch und vereinfacht dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind zwei Schnüre 3 übereinander angeordnet und werden von mindestens einem gemeinsamen Schlauch 5 umgeben.
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Dadurch wird die erfindungsgemäße Dichteinlage in der durch die zwei Pfeile angedeuteten Richtung noch nachgiebiger und elastischer und die Federwirkung der erfindungsgemäßen Dichteinlage wird weiter verbessert.
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Die elastische Eigenschaft quer zur Längsrichtung der Schnüre 3 ist wichtig, weil die mindestens eine Schnur 3 den Schlauch 5, der zusammen mit einer Dichtklappe die Abdichtung des Durchlasses bewirkt, ersteren dichtend gegen einen Durchlass eines Gehäuses pressen.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Dichteinlage von außen und/oder die Silikatschnüre mit Graphit eingerieben werden. Dadurch werden die Zwischenräume zwischen den Drähten des Gewebes aufgefüllt und die Dichtwirkung der erfindungsgemäßen Dichteinlage 1 weiter erhöht. Dieser optionale Auftrag von Graphit ist in den 1a und 1b nicht dargestellt.
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In der 2 ist eine erfindungsgemäße Klappenscheibe 7 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Diese Klappenscheibe 7 ist kreisrund Scheibe. An ihrem Außenumfang ist eine Nut 9 vorgesehen. In die Nut 9 wird eine erfindungsgemäße Dichteinlage 1 eingelegt. Die Klappenscheibe 7 weist eine Nut 11 und zwei Durchgangsbohrungen 13 auf. Mit Hilfe der Vertiefung 11 wird die Klappenscheibe 7 auf einer Welle (siehe die 4) positioniert. Die Nut 11 ist etwa halb so tief wie die Dicke der Klappenscheibe 7. Durch die Bohrungen 13 werden Schrauben gesteckt, um die Klappenscheibe 7 mit der Welle zu verschrauben. Bei großen Klappen kommen mehr als zwei Schrauben zum Einsatz.
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In der 3 ist die Klappenscheibe 7 mit eingelegter Dichteinlage 1 dargestellt. Aus dieser Darstellung wird deutlich, dass die Dichteinlage 1 in radialer Richtung über die Klappenscheibe 7 hinausragt. Anders ausgedrückt: Wenn eine auf der Welle in der Dichtklappe montierte Klappenscheibe 7 in die Schließstellung bewegt wird, haben der Durchlass im Gehäuse der Dichtklappe und die Klappenscheibe 7 keinen direkten Kontakt. Lediglich die Dichteinlage 1 liegt an dem Durchlass an und dichtet den Dichtspalt zwischen Klappenscheibe 7 und Durchlass ab. In geöffnetem Zustand ist der Außendurchmesser der Klappenscheibe 7 und der Dichteinlage 1 etwas größer als der abzudichtende Durchlass 19 (siehe 4). Wenn die Klappenscheibe 7 in die Schließstellung gedreht wird, dann presst der abzudichtende Durchlass 19 die Dichteinlage 1 in die Nut 9 und erhöht dadurch die Dichtwirkung.
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Weil die Dichteinlage 1 in radialer Richtung nur relativ wenig über den Außendurchmesser der Klappenscheibe hinausragt, wird die Dichteinlage 1 in der Nut 9 der Klappenscheibe gut gehalten und gegenüber Kräften, die seitlich auf die normale Richtung der Klappenscheibe auf die Dichteinlage 1 wirken, abgestützt. Dadurch können auch große Druckunterschiede zwischen den beiden Seiten der Dichtklappe problemlos abgedichtet werden.
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In der 4 ist eine Dichtklappe in einer Ansicht von vorne sowie Schnitten entlang der Linie B-B und entlang der Linie A-A dargestellt. In allen Darstellungen ist die Dichtklappe geschlossen. Das heißt, die Klappenscheibe 7 verschließt einen Durchlass 15 in einem Gehäuse 17 der Dichtklappe 19. In der 4 ist eine drehbar gelagerte Welle 21 zu erkennen. Die Klappenscheibe 7 mit der drehbar gelagerten Welle 21 verschraubt. In den Schnittdarstellungen ist gut zu erkennen, dass die Dichteinlage 1 an dem Durchlass 15 des Gehäuses 7 anliegt und dadurch den Spalt zwischen der Klappenscheibe 7 und dem Durchlass 15 abdichtet.
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In der 5 ist die gleiche Dichtklappe wie in der 4, jedoch in anderen Ansichten dargestellt. Aus dieser Ansicht wird deutlich, dass an dem einen Ende der Welle 21 ein Vierkant 22 ausgebildet ist. Dieser Vierkant 22 wirkt mit einem entsprechenden Gegenstück eines elektrischen Antriebs, beispielsweise einem Getriebemotor, zusammen, so dass die Klappenscheibe 7 mit Hilfe dieses Antriebs aus der dargestellten Schließstellung in eine Offenstellung gebracht werden kann. Dies erfolgt dadurch, dass die Welle 21 und mit ihr die Klappenscheibe 7 gegenüber der dargestellten Schließstellung um 90° gedreht wird.
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Das Funktionsprinzip einer Dichtklappe ist dem Fachmann bekannt; daher wird die Offenstellung der Dichtklappe nicht gesondert dargestellt.
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In dem Längsschnitt der 5 ist ein Lager 24 in dem Gehäuse 17 für die Welle 21 sichtbar. In der Regel wird das Lager aus Metall, wie zum Beispiel Messing oder Rotguss, hergestellt.
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In der 6 ist eine erfindungsgemäße Dichtklappe mit einem Antrieb in zwei Ansichten dargestellt. Zwischen dem Antrieb 23 und der eigentlichen Dichtklappe 19 ist ein Abstandshalter 25 angeordnet. Dieser Abstandshalter 25 dient dazu, den Abstand zwischen Antrieb 23 und der hohen Temperaturen ausgesetzten Dichtklappe 19 zu vergrößern. Er wird daher auch als „Temperatursperre“ bezeichnet. Dadurch werden die Wärmeübertragung von der Dichtklappe 19 auf den Antrieb 23 und dessen Temperaturbelastung reduziert. Der Antrieb 23 umfasst in der Regel einen Elektromotor, eine Getriebeeinheit sowie einen Drehwinkelgeber, so dass eine Steuerung bzw. die Stellung der Klappenscheibe 9 (Schließstellung oder Offenstellung oder eine Zwischenstellung) erfasst werden kann. Dadurch ist eine hochgenaue und reproduzierbare Regelung der Klappenstellung möglich. Gleichzeitig kann auch eine Funktionskontrolle des Antriebs durchgeführt werden.
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In der 7 ist stark vergrößert ein Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Klappenscheibe 7 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Flanken der Nut 9 verschieden hoch. Eine erste Flanke 29.1 hat einen Durchmesser D1, während die zweite Flanke 29.2 einen Durchmesser D2 aufweist. Der Durchmesser D2 ist größer als der Durchmesser D1.
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Die Bezugszeichen 29.1, 29.2 sowie die Durchmesserangaben D1 und D2 sind nur auf einer Seite der Klappenscheibe 7 eingetragen. Auf der in 7 rechten Seite der Klappenscheibe ist die Geometrie ähnlich. Allerdings ist die erste Flanke 29.1 auf der anderen Seite wie auf der linken Seite. Entsprechendes gilt auch für die Flanke 29.2. Dies rührt daher, dass die zweite Flanke 29.2 in Schließrichtung der Klappenscheibe 7 gesehen hinten angeordnet sein soll, so dass sie die nicht dargestellte Dichteinlage 9 bestmöglich abstützt. Die Schließrichtung ist in der 7 durch zwei gekrümmte Pfeile angedeutet.
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Die Flanken 29.2 mit ihrem etwas größeren Durchmesser D2 verkleinern gleichzeitig auch den Dichtspalt zwischen dem Durchlass 15 im Gehäuse 17 und der Klappenscheibe 7. Außerdem stützen die Flanken 29.2 die Dichteinlage 1 bestmöglich und verstärken die Dichtwirkung der erfindungsgemäßen Dichteinlage 1.
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Es hat sich bei Versuchen und bei Dauerversuchen herausgestellt, dass die erfindungsgemäße Dichtklappe 1.000.000 Öffnungsbewegungen und Schließbewegungen durchführen kann, ohne dass nennenswerte Verringerungen der Dichtwirkung eintreten.
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Nach diesen 1.000.000 Öffnungs- und Schließbewegungen war die Dichtheit der erfindungsgemäßen Dichtklappe besser als die einer konventionellen Dichtklappe im Neuzustand.
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Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Dichteinlage ist, dass sie an bestehenden Dichtklappen nachgerüstet werden kann. In der Regel wird man dazu die Klappenscheibe 7 auswechseln und/oder in die Nut 9 der Klappenscheibe 7 eine erfindungsgemäße Dichteinlage 1 einsetzen.