Hochdruckzylinder
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zylinder, der bei einem verhältnismässig grossen Durchmesser einen innern Überdruck von z. B. mehreren tausend Atmosphären aushalten kann. Ein derartiger Zylinder kann beispielsweise als Mantel in einem Kessel dienen, der für die Durchführung eines chemischen Prozesses unter hohem Druck verwendet wird.
Es ist nicht möglich, einen Hochdruckzylinder für einen sehr hohen Druck wie ein Rohr aus massivem Material herzustellen, weil bei grosser Wanddicke eine sehr ungünstige Spannungsverteilung erhalten wird. Die Spannung fällt nämlich sehr schnell mit dem Abstand von der innern Fläche des Zylinders, weshalb eine vergrösserte Wandstärke die Festigkeit des Zylinders nur unbedeutend erhöht. Kann man aber in irgendeiner Weise der äussern Schicht der Zylinderwand eine Vorspannung geben, wird das Vermögen des Zylinders, einem innern Überdruck zu widerstehen, bedeutend erhöht. Ein Hochdruckzylinder wird deshalb gewöhnlich aus einem verhältnismässig dünnwandigen Rohr mit einem oder mehreren auf demselben aufgeschrumpften Mänteln hergestellt.
Die Vorspannung kann auch durch das Umwickeln mit einer oder mehreren Schichten von Draht oder Band mit hoher Festigkeit erhalten werden, wobei der Draht oder das Band mit einer gewissen Vorspannung auf das Rohr aufgewickelt wird. Diese Vorspannung soll von der einen Schicht zur nächstfolgenden in der Weise verändert werden, dass wenn der Druck in dem Zylinder der höchst beabsichtigte wird, die Spannung in dem Bandmantel praktisch von der innersten bis zur äussersten Schicht dieselbe ist. Bei Zylindern dieser Art wird aber die Festigkeit des Drahts oder Bandes an den Verbindungs- und Umkehrstellen geschwächt, das heisst an den Stellen, wo das Band aus einer Schicht in die nachfolgende übergeht. Die Festigkeit des Drahtoder Bandmaterials wird deshalb nicht vollständig ausgenützt.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochdruckzylinder mit einem innern Rohr und einem um dieses Rohr gewickelten Band- oder Drahtmantel und zwei Flanschen, die an den Enden des Rohres angeordnet sind. Erfindungsgemäss ist der Mantel in zwei oder mehr Gruppen von Wicklungsschichten aufgeteilt, wobei sämtliche Schichten jeder Gruppe dieselbe Gangrichtung haben, während beim Übergang von einer Gruppe zur andern die Gangrichtung wechselt.
Dabei ist es zweckmässig, beim Ubergang von einer Wicklungsschicht zur nächsten innerhalb einer Gruppe mit derselben Gangrichtung ihrer Schichten das Band oder den Draht um einen von mehreren, in den Flanschen befestigten Stiften um 1800 zu biegen und zu dem Mantel zurückzuführen, dagegen beim Übergang von der letzten Schicht einer Gruppe zu der ersten Schicht in der nachfolgenden Gruppe das Band oder den Draht nur um 90o um einen der in den Flanschen angeordneten Stifte zu biegen.
Wenn das Band oder der Draht verlängert werden muss, geschieht dies mit Vorteil ausserhalb des Mantels, und zwar zwischen dem Mantel und den in den Flanschen angeordneten Stiften. Das innere Rohr des Zylinders ist zweckmässigerweise mit den Flanschen so verbunden, dass es unabhängig von denselben seinen Durchmesser vergrössern oder verkleinern kann, aber es soll dabei im Verhältnis zu denselben zentriert sein. Das Rohr ist deshalb z. B. mit wenigstens drei Ansätzen versehen, wobei in den Flanschen oder in in diesen angebrachten, beweglichen Ringen radiale Nuten vorgesehen sind, in denen die Ansätze sich radial verschieben können.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung an einem Beispiel und einer Detailvariante näher erläutert. Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch einen Zylinder nach der Erfindung. Die Fig. 3 und 5 stellen eine praktische Ausführungsform dar. Fig. 1 ist ein Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 2, und Fig. 2 ein Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1. Fig. 3 ist eine Endansicht des Zylinders, wobei der eine Flansch teilweise weggebrochen ist. Fig. 4 ist eine Perspektivansicht des Zylinders, wenn nur eine geringe Zahl von Schichten auf das Rohr aufgewickelt sind. Fig. 5 zeigt eine Art der Verbindung des innern Rohres mit einem Flansch.
In Fig. 1 bezeichnet 1 ein zylindrisches Rohr, das an beiden Enden mit einer Anzahl von Ansätzen 2 versehen ist. An jedem Ende des Rohres ist ein Flansch 3 vorhanden. Diese Flansche sind mit radial gerichteten Nuten 4 mit parallelen Seiten versehen, in denen die Ansätze 2 sich in radialer Richtung frei bewegen können. Hierdurch werden die geometrischen Achsen der Flansche und des Rohres im Verhältnis zueinander fixiert, aber das Rohr kann sich frei erweitern oder zusammenziehen, je nach Veränderung des Druckes im Zylinder. 5 bezeichnet in die Flansche 3 eingesetzte zylindrische Stifte.
6 sind Bolzen, welche die Flansche zusammenhalten.
7 ist eine Wand, die mit beiden Flanschen verbunden ist und das Moment von dem einen Flansch auf den andern überführt. Hierdurch werden die Ansätze 2 entlastet, so dass sie sich leicht in den Nuten 4 bewegen können. 8 bezeichnet das Stahlband, aus dem der Mantel aufgebaut ist.
Das Band 8 wird in folgender Weise auf das Rohr 1 aufgewickelt: Das eine Ende des Bandes ist z. B. an dem linken Flansch 3 befestigt und mit einer gewissen Spannung um das Rohr von links nach rechts zu einer dichten Bandschraube gewickelt.
Die Bandschraube bedeckt also das Rohr vollständig; die Steigung ist gleich der Breite des Bandes. Am rechten Flansch verlässt das Band das Rohr 1 in tangentialer Richtung. Es wird beim rechten Flansch um 180 um einen Stift 5 gebogen und nun auf die schon angebrachte Schicht nach links aufgewickelt, aber mit derselben Steigung. Die Gangrichtung der beiden Bandschichten ist also dieselbe. In dieser Weise werden x-Schichten, die x-Gruppe genannt sei, aufgewickelt. In dieser Gruppe wird das Band also zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichten über einen Stift 5 um 1800 gebogen und läuft von dort mit derselben Gangsteigung, aber mit entgegengesetzter Rotationsrichtung auf der unterliegenden Schicht im Mantel zurück.
Nach der letzten x-Schicht wird das Band nur um 90o um einen Stift 5a gebogen, und in der nächsten Schicht, die y-Schicht genannt werde, ist das Band in derselben Rotationsrichtung, aber in entgegengesetzter Axialrichtung auf der darunterliegenden Schicht aufgewickelt. Die Gangrichtung der Bandschraube wird deshalb beim Übergang des Bandes von der einen zur andern Gruppe wechseln. Danach wird noch eine Schicht in derselben Weise wie die vorhergehende aufgewickelt. In dieser letzten Gruppe von Schichten wird also das Band zwischen jeder Schicht auch um 1800 um einen Stift 5 gebogen, und es hat in jeder dieser Schichten gleiche Gangrichtung mit abwechselnder Windungsrichtung.
Da das Band beim Übergang von der einen Schicht zur andern um 180 um einen Stift 5 gebogen wird, wird die Spannung in dem Band ein Drehmoment zwischen dem Rohr und den Flanschen hervorrufen. Das Band in der x-Gruppe und das Band in der y-Gruppe verursachen aber entgegengesetzte Momente Mx und My, die durch eine zweckmässige Wahl von x-Schichten bzw. y-Schichten bei einem gewissen Druck im Zylinder gleich gross gemacht werden können. Bei jedem andern Druck wird aber der Unterschied der Momente (Mx-My) ungleich 0 werden, weil die Bandspannung eine Funktion des Druckes ist. Das resultierende Moment (Mx-My) ist in beiden Flanschen gleich und wird von dem einen Flansch zu dem andern durch die Ansätze 2 und das Rohr 1 übergeführt.
Dies würde aber grosse Kräfte auf den Ansätzen 2 verursachen, so dass zwischen diesen und den Nuten grosse Reibungskräfte entstehen würden. Es ist deshalb zweckmässig, das Moment (Mx-My) des einen Flansches zum andern mittels einer Blechwand 7 zu überführen.
Erforderliche Verbindungen bei der Verlängerung des Bandes werden auf der geraden Strecke zwischen der äussern Schicht des Bandmantels und den Stiften vorgenommen. Die Verbindung wird dabei so ausgeführt, dass sie ebenso stark ist wie das Band selbst.
In Fig. 3 wird eine Endansicht des Zylinders in fertigem Zustand gezeigt. In dieser Ansicht ist der grösste Teil des einen Flansches 3 als weggeschnitten gedacht. Der fertige Bandmantel wird mit 9 bezeichnet. In dieser Figur wird auch gezeigt, wie die Enden des Bandes an einem Flansch 3 befestigt werden. Das Band 8 wird in einen Schlitz in einem Stift 5b eingelegt, und eine Hülse 10, die auf dem Band festgeklemmt wird, überführt die Kraft von dem Band zu dem Stift.
Fig. 4 zeigt den Zylinder, wenn erst eine oder zwei Bandschichten auf das innere Rohr aufgewickelt sind. Diese Figur zeigt deutlich, wie das Band 8 beim Übergang von einer Schicht zur nächsten um 1800 um einen Stift 5 gebogen wird. Die strichpunktierte Linie 11 zeigt den Durchmesser des Bandmantels in fertigem Zustand.
In Fig. 5 wird gezeigt, wie das Rohr 1 und die Flansche 3 im Verhältnis zueinander so fixiert werden können, dass kein Moment von dem Flansch zum Rohr übergeführt werden kann. Im Flansch 3 ist ein Ring 12 drehbar angeordnet. In dem Ring 12 sind radiale Nuten, in denen die Absätze 2 sich frei radial bewegen können. Da bei dieser Anordnung der Ring frei in Verhältnis zu dem Flansch rotieren kann, muss das ganze Moment (Mx-My) von dem einen Flansch auf den andern durch die vorher erwähnte Blechwand 7 überführt werden.
High pressure cylinder
The present invention relates to a cylinder which, with a relatively large diameter, has an internal overpressure of z. B. can withstand several thousand atmospheres. Such a cylinder can serve, for example, as a jacket in a vessel which is used to carry out a chemical process under high pressure.
It is not possible to manufacture a high pressure cylinder for a very high pressure such as a pipe from solid material, because a very unfavorable stress distribution is obtained with a large wall thickness. The tension drops very quickly with the distance from the inner surface of the cylinder, which is why an increased wall thickness increases the strength of the cylinder only insignificantly. If, however, the outer layer of the cylinder wall can be pretensioned in any way, the cylinder's ability to withstand an internal overpressure is significantly increased. A high pressure cylinder is therefore usually made from a relatively thin-walled tube with one or more jackets shrunk onto it.
The pretension can also be obtained by wrapping one or more layers of wire or tape with high strength, the wire or tape being wound onto the pipe with a certain pre-tension. This pre-tension should be changed from one layer to the next in such a way that when the pressure in the cylinder becomes the highest intended, the tension in the belt jacket is practically the same from the innermost to the outermost layer. With cylinders of this type, however, the strength of the wire or tape is weakened at the connection and reversal points, that is, at the points where the tape merges from one layer into the next. The strength of the wire or band material is therefore not fully utilized.
The present invention relates to a high pressure cylinder with an inner tube and a band or wire jacket wound around this tube and two flanges which are arranged at the ends of the tube. According to the invention, the jacket is divided into two or more groups of winding layers, with all the layers in each group having the same direction of flight, while the direction of movement changes during the transition from one group to the other.
It is useful to bend the tape or wire around one of several pins fastened in the flanges by 1800 and return it to the jacket when passing from one winding layer to the next within a group with the same thread direction of their layers, but when moving from the last layer of a group to the first layer in the following group to bend the tape or wire only 90o around one of the pins arranged in the flanges.
If the band or the wire has to be extended, this is advantageously done outside the jacket, namely between the jacket and the pins arranged in the flanges. The inner tube of the cylinder is expediently connected to the flanges in such a way that it can enlarge or reduce its diameter independently of them, but it should be centered in relation to them. The pipe is therefore z. B. provided with at least three approaches, radial grooves are provided in the flanges or in these attached, movable rings, in which the approaches can move radially.
The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawing using an example and a detailed variant. 1 and 2 show schematically a cylinder according to the invention. Figures 3 and 5 illustrate a practical embodiment. Figure 1 is a section along line BB in Figure 2, and Figure 2 is a section along line AA in Figure 1. Figure 3 is an end view of the cylinder with one flange partially broken away. Figure 4 is a perspective view of the cylinder when only a small number of layers are wound on the tube. Fig. 5 shows one way of connecting the inner tube to a flange.
In Fig. 1, 1 denotes a cylindrical tube which is provided with a number of lugs 2 at both ends. A flange 3 is provided at each end of the tube. These flanges are provided with radially directed grooves 4 with parallel sides, in which the lugs 2 can move freely in the radial direction. This fixes the geometrical axes of the flanges and the pipe in relation to one another, but the pipe can expand or contract freely, depending on the change in pressure in the cylinder. 5 denotes cylindrical pins inserted into the flanges 3.
6 are bolts that hold the flanges together.
7 is a wall that is connected to both flanges and transfers the moment from one flange to the other. This relieves the load on the projections 2 so that they can easily move in the grooves 4. 8 denotes the steel strip from which the jacket is constructed.
The tape 8 is wound onto the tube 1 in the following way: One end of the tape is z. B. attached to the left flange 3 and wrapped with a certain tension around the pipe from left to right to form a tight band screw.
The band screw thus completely covers the pipe; the slope is equal to the width of the belt. At the right flange, the band leaves the pipe 1 in a tangential direction. On the right flange, it is bent around a pin 5 by 180 and now wound onto the layer that has already been applied to the left, but with the same slope. The direction of travel of the two tape layers is therefore the same. In this way, x layers, called the x group, are wound up. In this group, the tape is bent by 1800 between two successive layers over a pin 5 and runs back from there with the same pitch but with the opposite direction of rotation on the layer below in the jacket.
After the last x-layer, the tape is only bent 90o around a pin 5a, and in the next layer, called the y-layer, the tape is wound in the same direction of rotation but in the opposite axial direction on the layer below. The direction of rotation of the strap screw will therefore change when the strap changes from one group to the other. Then another layer is wound up in the same way as the previous one. In this last group of layers, the tape is also bent around a pin 5 by 1800 between each layer, and in each of these layers it has the same thread direction with alternating winding directions.
Since the band is bent 180 about a pin 5 when passing from one layer to the other, the tension in the band will cause a torque between the pipe and the flanges. The band in the x group and the band in the y group, however, cause opposing moments Mx and My, which can be made the same size by a suitable choice of x layers or y layers at a certain pressure in the cylinder. With every other pressure, however, the difference in the moments (Mx-My) will not be equal to 0, because the belt tension is a function of the pressure. The resulting moment (Mx-My) is the same in both flanges and is transferred from one flange to the other through the lugs 2 and the tube 1.
However, this would cause great forces on the projections 2, so that great frictional forces would arise between these and the grooves. It is therefore advisable to transfer the moment (Mx-My) of one flange to the other by means of a sheet metal wall 7.
Any connections required when extending the tape are made on the straight line between the outer layer of the tape jacket and the pins. The connection is made in such a way that it is just as strong as the tape itself.
In Fig. 3 there is shown an end view of the cylinder in its finished condition. In this view, most of the one flange 3 is intended to be cut away. The finished belt jacket is denoted by 9. In this figure it is also shown how the ends of the tape are attached to a flange 3. The band 8 is inserted into a slot in a pin 5b, and a sleeve 10, which is clamped onto the band, transfers the force from the band to the pin.
4 shows the cylinder after one or two layers of tape have been wound onto the inner tube. This figure clearly shows how the band 8 is bent around a pin 5 by 1800 when passing from one layer to the next. The dash-dotted line 11 shows the diameter of the belt jacket in the finished state.
In Fig. 5 it is shown how the pipe 1 and the flanges 3 can be fixed in relation to one another in such a way that no moment can be transferred from the flange to the pipe. A ring 12 is rotatably arranged in the flange 3. In the ring 12 are radial grooves in which the paragraphs 2 can move freely radially. Since the ring can rotate freely in relation to the flange with this arrangement, the entire moment (Mx-My) must be transferred from one flange to the other through the previously mentioned sheet metal wall 7.