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Die Erfindung betrifft eine Abstützung von dünnwandigen Schalenstrukturen, insbesondere mit einer Zylinder- oder Kegelschalenstruktur z. B. für einen Kamin über an der Struktur befestigte Balken, die über beiderseitig gelenkig gelagerte Pendel mit Widerlagern verbunden sind.
Die Abstützung soll weitgehend momentenfrei sein, wobei Schalenstrukturen eine von der Umgebung abweichende Betriebstemperatur aufweisen.
Abstützungen dünnwandiger Schalenstrukturen bzw. Schalen sind an sich bekannt. Diese erfolgen üblicherweise über Pendelstützen, Pendelstangen und Lenkerkonstruktionen, wie z. B. in der Veröffentlichung von Ing. G. Fischer, Vaihingen/Enz in der Zeitschrift "Der Stahlbau", 52. Auflage, Heft 7, beschrieben.
Diese Konstruktionen leiden an dem Nachteil, dass über die Pendel nur vertikale Kräfte mit geringen radialen Komponenten aus der Schrägstellung übertragen werden, die aus der erzwungenen Exzentrizität der Anschlüsse stammenden Momente aber von der dünnwandigen Schale aufgenommen werden müssen. Bei gleitenden Lagerstellen mit oder ohne Führungen sind im allgemeinen ebenfalls Momente von der Schale aufzunehmen, darüber hinaus treten bei Wärmeausdehnungen erhebliche Zusatzkräfte durch Zwängungen auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Pendelsystem mit Momentenausgleich zu schaffen, um das in die Schale einzuleitende Anschlussmoment weitgehend zu eliminieren und dadurch einen möglichst vollständigen Kräfteabbau zu erreichen.
Diese Aufgabe wird bei einer Abstützung der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Pendel zu Gruppen von zumindest je zwei Pendeln zusammengefasst sind, die einerseits an mit der Schale fest verbundenen Balken, Kragträger, Stangen od. dgl. und anderseits an festen Widerlagern gelenkig angeschlossen sind, wobei die Pendel einer Gruppe zueinander parallel sind und in einer Richtung liegen, die von der Tangentialrichtung und der Radialrichtung der Schalenstruktur abweicht, wobei die Pendelachsen mit den Verbindungslinien der Gelenke annähernd ein Parallelogramm bilden und in einer Ebene, die parallel zur Schalenachse liegt bzw. in der Ebene durch die Schalenachse beweglich sind, wobei eine Mehrzahl von Pendelgruppen, zumindest aber drei Gruppen, rund um die Schale verteilt angeordnet sind.
Durch eine derartige Anordnung werden die mit der Schale verbundenen Balken, Kragträger, Stangen od. dgl. parallelgeführt und können bei geeigneter Auswahl von Pendellänge und Pendelrichtung Bewegungen ausführen, um den Wärmedehnungen folgen zu können.
Vorzugsweise sollten die Pendel paarig vorgesehen, parallel zur Schalenachse zentralsymmetrisch angeordnet, an radial angeordneten Balken, Kragträgem, Stangen od. dgl. befestigt und in Ebenen durch die Schalenachse beweglich sein, es sind aber auch davon abweichende Anordnungen bzw. Ausführungen möglich, insbesondere zur Erzielung von gesteuerten Bewegungen bei Wärmedehnung, oder zum Aufbau von gewollten Zusatzkräften bzw. Kraftkomponenten.
Zweckmässig ist auch eine Anordnung, bei der die Pendel bei einer Mitteltemperatur parallel zur Schalenachse liegen, bei höchster und niedrigster Auslegungstemperatur, meist auch bei Umgebungstemperatur, aber von dieser Lage abweichen.
Durch diese Konstruktion werden neben den Kräften parallel zur Schalenachse (üblicherweise Vertikalkräfte) durch Kräftepaare auch die Anschlussmomente bis zur Schale auf die festen Widerlager und am Anschluss der Balken an die Schale praktisch nur Querkräfte übertragen.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass an die Schale mit Gelenken angeschlossene und anderseits an festen Widerlagern angeschlossene Querpendel in einer von der radialen und der axialen abweichenden Richtung, vorzugsweise in tangentialer Richtung vorgesehen sind, welche die Kraftkomponenten senkrecht zur Schalenachse, getrennt von den Kraftkomponenten parallel zur Schalenachse, von der Schale auf die Widerlager übertragen.
. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass die tangential angeordneten oder zur Tangente unter einem Winkel stehenden Querpendel auch gekreuzt als tangential angeordnete oder zur Tangente unter einem Winkel stehende und einerseits an die Schale mit Gelenken angeschlossene und anderseits an festen Widerlagern mit Gelenken angeschlossene Querpendel ausgeführt sein können.
Die festen Widerlager für die Pendelgruppen und die Querpendel werden zweckmässigerweise auf einem die Schale umschliessenden Ringträger angeordnet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt in der Ebene der Schalenachse, Fig. 2 einen Schnitt in einer Normalebene zur Schalenachse und Fig. 3 ebenfalls einen Schnitt in der Ebene der Schalenachse und verdeutlicht das Kräftespiel bei der Ableitung der Vertikalkräfte.
Die aus einem vorzugsweise 6 bis 12 mm dickem Stahlblech bestehende Zylinder- bzw. Kegelschale (1) mit der Schalenachse (2) ist mit einer Mehrzahl in Winkelabständen voneinander gelegenen, vorzugsweise radial oder in einer von der Radialrichtung um einen Winkel (beta) abweichenden Richtung angeordneten Balken (3) um die Schale herum verbunden. Unterhalb der Schale (1) befindet sich ein Kompensator (nicht eingezeichnet), der z. B. in Form eines Faltenbalgs ausgebildet sein kann und zum Ausgleich der Wärmedehnung in Längsrichtung vorgesehen ist.
Der Balken (3) ist durch ein Paar von gelenkig angeordneten, zueinander parallelen Pendeln (4), mit festen Widerlagern bei (8) in einer Weise verbunden, dass die Pendel mit den Verbindungslinien ihrer gelenkigen Anschlüsse Parallelogramme bilden.
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Die Widerlager bei (8) können durch einen oberen Balken (3') mit einem Ringträger, der z. B. aus dem gekrümmten Steg (5) mit ebenfalls gekrümmten Obergurt (5") und Untergurt (5') besteht, verbunden werden. Der Ringträger kann wie dargestellt mit offenem Profil, als Kastenprofil mit zweitem Steg, als mehrzelliges Profil oder in Fachwerke aufgelöst, ausgeführt werden und hat eine dem Schalenverlauf angepasste Kreis- oder Polygonform.
Der Querschnitt des Ringträgers ist nach Erfordernis mit Versteifungsrippen (11) ausgesteift und durch Füsse (11') mit seiner Auflage (7) verbunden.
Die durch die Nachgiebigkeit des Ringträgers (5) und der Verbindungskonstruktion bedingten Zwängungsmomente sind wegen der geringen örtlichen Steifigkeit der Schale sehr klein und somit unbedeutend.
Aufgrund der geringen örtlichen Steifigkeit der Schale (1) kann bei (G) (Fig. 3) ein Gelenk angenommen und damit zur einfachen Behandlung von einer statisch bestimmten Einrichtung ausgegangen werden. Die Differenz der Auflagerkräfte (Fl) + (F2) hält der in der Schale (1) wirkenden Kraft in Axialrichtung (F) (üblicherweise Vertikalkraft) das Gleichgewicht. Die Summe der Momente M = F. a (Ml + M2 = Flal + F2a2) bilden das Anschlussmoment, welches zur Gänze von den Auflagern (AI) und (A2), die in Fig. l und 2 eingelagerten Bolzen (8) entsprechen, aufgenommen wird. Die Auflagerkräfte (Fl) (bei Auflager (AI)) bzw. (F2) (bei Auflager (A2)) wirken auch in den Pendeln (psi) bzw. (P2) und setzen sich aus gleichgerichteten und gegengerichteten Komponenten zusammen.
Die gleichgerichteten Komponenten halten das Gleichgewicht zur Kraft (F), die gegengerichteten bilden ein Kräftepaar, das dem Anschlussmoment M das Gleichgewicht hält. Die Pendel (4) können statt paarweise auch in Gruppen von mehreren parallelen Pendeln angeordnet sein. Bei Anordnung von zusätzlichen Pendeln (4) ( (P3), (P4)... Pn in Fig. 3), die in einer radialen lotrechten Ebene liegen, ist die Einrichtung sinngemäss durch weitere Auflager (A3, A4.... An) mit Auflagerkräften (F3, F4... Fn), die an Hebelarmen (a3, a4,... an) zusätzliche Beiträge zum Anschlussmoment (M3, M4... Mn) liefern, zu ergänzen.
Die Pendelvorrichtung wird damit trotz des Gelenkes (G) statisch unbestimmt.
Neben den Pendeln (4) können, wie dargestellt, an die Schale tangential angeordnete oder zur Tangente unter einem Winkel stehende Querpendel (6), von denen ebenfalls zumindest drei Einheiten ausgebildet sind, und die Kräfte senkrecht zur Schalenachse (2) (üblicherweise Horizontalkräfte) übertragen, vorgesehen sein.
Abgaskamine bzw. Abgaswandungen hinter Gasturbinen bestehen oft aus freistehenden Zylinder- und Kegelschalen bis über 10 m Durchmesser bei einem Wandstärke/Durchmesserverhältnis von 1 : 500 bis 1 : 1000 und erreichen eine Betriebstemperatur von 400 C bis 650 C. Bei infolge dieser rasch einsetzenden hohen Temperaturen auftretenden Wärmedehnungen ist eine zentralsymmetrische Relativbewegung zwischen der Schale (1) und dem Ringträger (5) durch leichtes Schrägstellen der Pendel (4) und der Querpendel (6) bei sehr geringen Verstellkräften möglich, wobei die Schalenachse (2) nur eine vemachlässigbare Lageänderung erfährt.
Vorzugsweise sollten die Pendel (4) paarig ausgeführt, parallel zur Schalenachse (2) zentralsymmetrisch angeordnet, an radial angeordnete Balken (3) befestigt und in Ebenen durch die Schalenachse beweglich sein, es sind aber auch davon abweichende Anordnungen bzw. Ausführungen möglich, insbesondere zur Erzielung von gesteuerten Bewegungen bei Wärmedehnung oder zum Aufbau von gewollten Zusatzkräften bzw.
Kraftkomponenten.
Die Lage der Schalenachse (2) ist durch das Pendelsystem jederzeit festgelegt
Der gelenkige Anschluss der Pendel (4) erfolgt durch eingelagerte Bolzen (8), der gelenkige Anschluss der Querpendel (6) durch an der Schale (1) und einem Trägergerüst (7) angebrachte echte gelenkige oder mehr oder weniger starre Verbindungen. Neben den Querpendeln (6) können auch in Fig. 2 eingezeichnete Querpendel (9), die ebenfalls tangential angeordnet oder zur Tangente unter einem Winkel (alpha') stehen und einerseits an der Schale (1) mit Gelenken (10') und anderseits an festen Widerlagern (10), die am Ringträger (5) angeordnet sein können, gekreuzt ausgeführt sein.
Die gelenkigen Anschlüsse der Pendel (4) und der Querpendel (6) bzw. (9) können als Bolzenverbindungen ausgeführt werden, es sind aber auch Ausführungen durch Einsatz von flexiblen Elementen oder durch entsprechend flexible Ausführung der Pendel bzw. Querpendel möglich.
Im Rahmen der Erfindung könnten anstelle des Ringträgers (5) einzelne unter einem Winkel aufgeteilte Ringsegmente ausgeführt werden.
Des weiteren könnte der Ringträger (5) selbst an der Unterseite des Balkens (3) angeordnet werden.
Das Trägergerüst (7) kann am Boden oder an einer Wand abgestützt sein.
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The invention relates to a support of thin-walled shell structures, in particular with a cylindrical or conical shell structure z. B. for a chimney on beams attached to the structure, which are connected via pendulums articulated on both sides with abutments.
The support should be largely torque-free, with shell structures having an operating temperature that differs from the environment.
Supports of thin-walled shell structures or shells are known per se. These are usually done via pendulum supports, pendulum rods and handlebar constructions, such as. B. in the publication by Ing. G. Fischer, Vaihingen / Enz in the magazine "Der Stahlbau", 52nd edition, issue 7.
These constructions suffer from the disadvantage that only vertical forces with small radial components from the inclined position are transmitted via the pendulums, but the moments resulting from the forced eccentricity of the connections have to be absorbed by the thin-walled shell. In the case of sliding bearing points with or without guides, moments from the shell are generally also to be absorbed; in addition, considerable additional forces occur due to constraints in the case of thermal expansion.
The object of the invention is to provide a pendulum system with torque compensation in order to largely eliminate the connection torque to be introduced into the shell and thereby achieve the most complete possible reduction in force.
This object is achieved according to the invention in a support of the type mentioned at the outset in that the pendulums are combined into groups of at least two pendulums, which are articulated on the one hand on beams, cantilevers, rods or the like firmly connected to the shell and on the other hand on fixed abutments are connected, the pendulums of a group being parallel to one another and lying in a direction which deviates from the tangential direction and the radial direction of the shell structure, the pendulum axes forming approximately a parallelogram with the connecting lines of the joints and in a plane which is parallel to the shell axis or are movable in the plane through the shell axis, a plurality of pendulum groups, but at least three groups, being arranged distributed around the shell.
With such an arrangement, the beams, cantilever beams, rods or the like connected to the shell are guided in parallel and, with a suitable choice of pendulum length and pendulum direction, can execute movements in order to be able to follow the thermal expansions.
The pendulums should preferably be provided in pairs, arranged centrally symmetrically parallel to the shell axis, attached to radially arranged beams, cantilevers, rods or the like, and movable in planes through the shell axis, but different arrangements or designs are also possible, in particular to achieve this of controlled movements in the event of thermal expansion, or to build up desired additional forces or force components.
An arrangement is also expedient in which the pendulums lie parallel to the shell axis at an average temperature, at the highest and lowest design temperature, usually also at ambient temperature, but deviate from this position.
With this construction, in addition to the forces parallel to the shell axis (usually vertical forces), pairs of forces also transmit the connection moments to the shell on the fixed abutments and at the connection of the beams to the shell practically only lateral forces.
Another feature of the invention is that transverse pendulums connected to the shell with joints and on the other hand connected to fixed abutments are provided in a direction deviating from the radial and the axial, preferably in a tangential direction, which separate the force components perpendicular to the shell axis from the Force components parallel to the shell axis, transferred from the shell to the abutment.
. Within the scope of the invention it is also possible that the transverse pendulums arranged tangentially or at an angle to the tangent also crossed as tangentially arranged or at an angle to the tangent and on the one hand connected to the shell with joints and on the other hand connected to fixed abutments with joints can be executed.
The fixed abutments for the pendulum groups and the transverse pendulums are expediently arranged on a ring carrier enclosing the shell.
The invention is explained below with the aid of a schematic drawing. 1 shows a section in the plane of the shell axis, FIG. 2 shows a section in a normal plane to the shell axis and FIG. 3 also shows a section in the plane of the shell axis and illustrates the play of forces when deriving the vertical forces.
The cylindrical or conical shell (1) with the shell axis (2), which preferably consists of 6 to 12 mm thick steel sheet, has a plurality of angles which are at an angular distance from one another, preferably radially or in a direction deviating from the radial direction by an angle (beta) arranged beams (3) connected around the shell. Below the shell (1) is a compensator (not shown), the z. B. can be in the form of a bellows and is provided to compensate for thermal expansion in the longitudinal direction.
The beam (3) is connected by a pair of articulated, mutually parallel pendulums (4) to fixed abutments at (8) in such a way that the pendulums form parallelograms with the connecting lines of their articulated connections.
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The abutment at (8) can by an upper bar (3 ') with a ring carrier, the z. B. consists of the curved web (5) with also curved top flange (5 ") and bottom flange (5 '). The ring carrier can, as shown, with an open profile, as a box profile with a second web, as a multi-cell profile or in trusses , are executed and have a circular or polygonal shape adapted to the shape of the shell.
The cross section of the ring carrier is stiffened as required with stiffening ribs (11) and connected to its support (7) by feet (11 ').
The constraining moments caused by the flexibility of the ring carrier (5) and the connection construction are very small due to the low local rigidity of the shell and are therefore insignificant.
Due to the low local rigidity of the shell (1), a joint can be assumed at (G) (Fig. 3) and a statically determined device can be assumed for easy treatment. The difference between the support forces (Fl) + (F2) keeps the force acting in the shell (1) in the axial direction (F) (usually vertical force) in equilibrium. The sum of the moments M = F. a (Ml + M2 = Flal + F2a2) form the connection torque, which is entirely from the supports (AI) and (A2), which correspond to the bolts (8) stored in FIGS. 1 and 2, is recorded. The support forces (Fl) (for support (AI)) or (F2) (for support (A2)) also act in the pendulum (psi) or (P2) and are made up of components in the same direction and in the opposite direction.
The rectified components keep the equilibrium with the force (F), the opposing components form a pair of forces that keep the connection moment M in equilibrium. The pendulums (4) can also be arranged in groups of several parallel pendulums instead of in pairs. When arranging additional pendulums (4) ((P3), (P4) ... Pn in Fig. 3), which lie in a radial vertical plane, the device is analogous by additional supports (A3, A4 .... An ) with support forces (F3, F4 ... Fn), which provide additional contributions to the connecting torque (M3, M4 ... Mn) on lever arms (a3, a4, ... an).
The pendulum device is thus statically indefinite despite the joint (G).
In addition to the pendulums (4), as shown, transverse pendulums (6) arranged tangentially to the shell or at an angle to the tangent, of which at least three units are also formed, and the forces perpendicular to the shell axis (2) (usually horizontal forces) transferred, be provided.
Exhaust gas chimneys or exhaust gas walls behind gas turbines often consist of free-standing cylinder and cone shells up to more than 10 m in diameter with a wall thickness / diameter ratio of 1: 500 to 1: 1000 and reach an operating temperature of 400 C to 650 C. At these rapidly occurring high temperatures If thermal expansion occurs, a centrally symmetrical relative movement between the shell (1) and the ring carrier (5) is possible by slightly tilting the pendulum (4) and the transverse pendulum (6) with very low adjustment forces, the shell axis (2) experiencing only a negligible change in position.
The pendulums (4) should preferably be in pairs, arranged in a symmetrical manner parallel to the shell axis (2), attached to radially arranged beams (3) and movable in planes through the shell axis, but arrangements or designs deviating therefrom are also possible, in particular for Achievement of controlled movements in the event of thermal expansion or to build up desired additional forces or
Power components.
The position of the shell axis (2) is determined at any time by the pendulum system
The pendulums (4) are articulated by means of embedded bolts (8), the cross pendulums (6) are articulated by genuine articulated or more or less rigid connections attached to the shell (1) and a support frame (7). In addition to the transverse pendulums (6), transverse pendulums (9) shown in FIG. 2 can also be arranged, which are also arranged tangentially or at an angle (alpha ') to the tangent and on the one hand on the shell (1) with joints (10') and on the other hand fixed abutments (10), which can be arranged on the ring carrier (5), are designed to be crossed.
The articulated connections of the pendulums (4) and the cross pendulums (6) and (9) can be designed as bolt connections, but designs using flexible elements or a correspondingly flexible design of the pendulums or cross pendulums are also possible.
Within the scope of the invention, individual ring segments divided at an angle could be implemented instead of the ring carrier (5).
Furthermore, the ring carrier (5) itself could be arranged on the underside of the bar (3).
The support frame (7) can be supported on the floor or on a wall.