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Die Erfindung betrifft eine Kompensationsvorrichtung zur Kompensation von Bewegungen in einer Axialrichtung mit einer Vorspannfunktion und einer Abdichtfunktion, beispielsweise bei Rohrleitungen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Rohranordnung mit Kompensationsvorrichtung.
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Kompensationsvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise als Kompensatoren in Rohrleitungssystemen, in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Kompensationsvorrichtungen stellen dabei eine flexible Verbindung zweier Rohrenden bereit, um beispielsweise thermische Längenänderungen der Rohre im Rohrsystem auszugleichen. Auch können Schüttel- oder Rüttelbewegungen oder dgl. auf das Rohrsystem ausgeübt werden, welche zu Bewegungen des Rohrsystems führen können. Je nach Abmessungen der Anlage können derartige Kompensationsvorrichtungen Querschnitte von über einem Meter aufweisen. Auch bei anderen Anwendungen müssen kombinierte Abdicht- und Vorspannfunktionen bereitgestellt werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kompensationsvorrichtung und eine Rohranordnung bereitzustellen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit eine sichere Kompensation von Axialbewegungen ermöglicht, wobei gleichzeitig eine Abdichtfunktion und eine Vorspannfunktion realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kompensationsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Rohranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Kompensationsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 kombiniert einen umfänglich geschlossenen Faltenbalg und eine Federvorrichtung miteinander zu einem Federsystem. Dadurch kann ein Faltenbalg hinsichtlich seiner Eigenschaften, insbesondere betreffend eine Materialauswahl und hinsichtlich seiner Abdichtungseigenschaften, einen großen Freiraum aufweisen. Eine Vorspannung der Kompensationsvorrichtung wird dabei neben einer Vorspannung des Faltenbalgs zusätzlich mittels einer Federvorrichtung realisiert. Die Federvorrichtung ist mit dem Faltenbalg verbunden. Der Faltenbalg stellt eine Abdichtfunktion zwischen einem Innenbereich des Faltenbalgs und einem Außenbereich des Faltenbalgs bereit. Der Faltenbalg weist dabei eine erste Vorspannkraft F1 in einer ersten Axialrichtung auf und die Federvorrichtung weist eine zweite Vorspannkraft F2 in einer zweiten Axialrichtung, entgegengesetzt zur ersten Axialrichtung auf. Absolutbeträge der ersten und zweiten Vorspannkraft sind dabei unterschiedlich, so dass die Kompensationsvorrichtung in eine der Axialrichtungen eine Vorspannung aufweist. Somit kann nach einem Einbau der Kompensationsvorrichtung in eine Anlage gleichzeitig eine Abdichtfunktion und eine Vorspannfunktion realisiert werden. Die in unterschiedliche Richtungen weisenden unterschiedlich großen Vorspannkräfte des Faltenbalgs und der Federvorrichtung ermöglichen dabei auf relativ einfache Weise eine exakte Einstellung einer gewünschten Vorspannkraft. Die Kompensationsvorrichtung kann hierbei relativ kostengünstig bereitgestellt werden, wobei insbesondere der Faltenbalg hinsichtlich der Abdichtungsfunktion und hinsichtlich einer axialen Bewegbarkeit optimiert werden kann, ohne dass bei der Faltenbalgs Randbedingungen betreffend eine Vorspannkraft, die Auslegung des Faltenbalgs zu stark beeinflussen. Die resultierende Vorspannkraft der Kompensationsvorrichtung kann durch entsprechende Optimierung der Federvorrichtung bereitgestellt werden, so dass insbesondere die Herstellung des Faltenbalgs weniger möglicherweise einschränkenden Randbedingungen unterliegt. Somit ist auch eine Abdichtung von Medien unter hohem Druck, insbesondere größer als 200 × 105 Pa und hohen Temperaturen, insbesondere größer als 550°C, möglich. Somit weist die erfindungsgemäße Kompensationsvorrichtung einen großen Einsatzbereich auf und kann beispielsweise in Kraftwerken in Rohrleitungen oder bei Gaspipelines verwendet werden.
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Vorzugsweise ist der Betrag der ersten Vorspannkraft F1 des Faltenbalgs kleiner als der Betrag der zweiten Vorspannkraft F2 der Federvorrichtung. Dadurch kann der Faltenbalg hinsichtlich seiner Abdichtfunktion optimiert werden. Die gewünschte resultierende Vorspannkraft kann dann durch Auslegung der Federvorrichtung bereitgestellt werden.
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Die Federvorrichtung ist vorzugsweise ein Federelement mit negativer Steifigkeit im Arbeitspunkt A (negative Feder) und umfasst besonders bevorzugt wenigstens eine Tellerfeder oder wenigstens eine Zylinderfeder. Die Federvorrichtung kann jedoch auch aus mehreren Tellerfedern aufgebaut sein, welche vorzugsweise jeweils mit einer Falte des Faltenbalgs verbunden sind. Alternativ können eine Vielzahl von Zylinderfedern entlang des Außenumfangs des Faltenbalgs angeordnet sein.
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Weiter bevorzugt ist eine Federkennlinie FK0 der Kompensationsvorrichtung derart vorgesehen, dass in einem maximalen Verschiebebereich B der Kompensationsvorrichtung, welche einen maximalen axialen Verschiebeweg der Kompensationsvorrichtung definiert, eine maximale Kraftvariation der resultierenden Kraft in einem Bereich von ± 10% einer Kraft Fx im Arbeitspunkt Ader Federkennlinie FK0 liegt. Dadurch verläuft die Federkennlinie insbesondere im Bereich des Arbeitspunktes A sehr flach.
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Besonders bevorzugt ist die Kompensationsvorrichtung eine vormontierte Einheit, welche den Faltenbalg und die Federvorrichtung umfasst.
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Vorzugsweise ist die Federvorrichtung dabei direkt am Faltenbalg fixiert. Der Faltenbalg ist vorzugsweise ein metallischer Faltenbalg, so dass die Federvorrichtung bevorzugt mittels eines Schweißvorgangs oder Lötvorgangs am metallischen Faltenbalg befestigt werden kann. Die Federvorrichtung ist weiter bevorzugt an Faltenendbereichen von Falten des Faltenbalgs fixiert.
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Gemäß einer bevorzugten alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die Federvorrichtung und der Faltenbalg mittels eines Verbindungsbauteils miteinander verbunden. Das Verbindungsbauteil ist beispielsweise eine Ringscheibe oder ein Ringflansch oder dgl., an welchem einerseits die Federvorrichtung und andererseits der Faltenbalg befestigt ist.
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Vorzugsweise ist die Federvorrichtung außerhalb des Faltenbalgs angeordnet. Besonders bevorzugt ist die Federvorrichtung dabei vollständig radial außerhalb des Faltenbalgs angeordnet. Dadurch ergibt sich ein besonders kompakter Aufbau, insbesondere in Axialrichtung der Kompensationsvorrichtung.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Rohranordnung umfassend ein erstes und ein zweites Rohr sowie eine erfindungsgemäße Kompensationsvorrichtung, welche das erste und zweite Rohr in abdichtender Weise miteinander verbindet. Dadurch kann die Rohranordnung insbesondere thermisch bedingte Längenänderungen oder durch externe Einflüsse verursachte Axialbewegungen der Rohre, beispielsweise durch Schüttel- oder Rüttelvorgänge, ausgleichen.
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer Kompensationsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische, perspektivische Ansicht der Kompensationsvorrichtung von 1,
- 3 eine schematische Darstellung eines Diagramms einer Federkraft F über einem Weg X für die Federkennlinien der Kompensationsvorrichtung, und
- 4 eine schematische Schnittansicht einer Kompensationsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Kompensationsvorrichtung 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Kompensationsvorrichtung 1 einen umfänglich geschlossenen Faltenbalg 2 und eine Federvorrichtung 3, welche mit dem Faltenbalg 2 verbunden ist. Die Kompensationsvorrichtung ist zur Kompensation von Bewegungen in einer Axialrichtung X-X eingerichtet.
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Die Kompensationsvorrichtung 1 verbindet ein erstes Rohr 11 mit einem zweiten Rohr 12. Hierbei ist der Faltenbalg 2 mittels Schweißverbindungen 6 an einem Ende mit dem ersten Rohr 11 und am anderen Ende mit dem zweiten Rohr 12 verbunden.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, stellt der Faltenbalg 2 eine Abdichtfunktion zwischen einem Innenbereich 4 des Faltenbalgs und einem Außenbereich 5 des Faltenbalgs bereit.
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Der Faltenbalg weist eine erste Vorspannkraft F1 in einer ersten Axialrichtung X1 auf. Die Federvorrichtung 3 weist eine zweite Vorspannkraft F2 in einer zweiten Axialrichtung X2 auf. Die zweite Axialrichtung X2 ist dabei entgegengesetzt zur ersten Axialrichtung X1.
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Ein Absolutbetrag der ersten und zweiten Vorspannkraft F2, F1 ist dabei unterschiedlich. Hierbei ist die erste Vorspannkraft F1 des Faltenbalgs kleiner als die zweite Vorspannkraft F2 der Federvorrichtung 3. Dadurch ergibt sich in der zweiten Axialrichtung X2 eine resultierende Vorspannkraft F0.
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Die Federvorrichtung 3 umfasst mehrere Federringe 30, welche eine Art Tellerfeder sind (vgl. 2), sowie mehrere Verbindungsstege 31, welche die Federringe 30 miteinander verbinden.
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Die Federvorrichtung 3 stützt sich an einem Gehäuse 9 ab und ist direkt mit dem Faltenbalg 2 verbunden. Hierbei ist jeder Federring mit einem radial nach außen gerichteten Ende 20a einer Falte verbunden.
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Der Faltenbalg 2 und die Federvorrichtung 3 können dabei an den Enden 20a, beispielsweise mittels einer Schweißverbindung, verbunden sein.
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Die Federringe 30 sind gleichartig aufgebaut und weisen zwei tellerfederförmige Elemente auf, welche durch Verbindungsstege 31 miteinander verbunden sind. Die Federringe 30 verlaufen dabei entlang des gesamten äußeren Umfangs des Faltenbalgs 2. Wie insbesondere aus 1 ersichtlich ist, ist die Federvorrichtung 3 dabei vollständig radial außerhalb des Faltenbalgs 2 angeordnet.
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In 3 ist ein Diagramm dargestellt, welches die Zusammensetzung der Vorspannkraft F0 der Kompensationsvorrichtung nochmals schematisch verdeutlicht. 3 zeigt hierbei die Federkraft F über dem Weg X. Eine Linie FK1 ist dabei die Federkennlinie des Faltenbalgs 2. Eine Linie FK2 ist die Federkennlinie der Federvorrichtung 3. Die Federkennlinie FK1 des Faltenbalgs 2 ist dabei eine Gerade und die Federkennlinie FK2 der Federvorrichtung 3 ist sinusartig. Eine Summe der beiden Federkennlinien FK1 und FK2 ergibt die resultierende Federkennlinie FK0, welche die Vorspannung F0 in Axialrichtung der Kompensationsvorrichtung 1 definiert. In einem Arbeitspunkt A ist die Vorspannkraft der Kompensationsvorrichtung 1 in der zweiten Axialrichtung X2 positiv, so dass eine resultierende Vorspannkraft auf das erste Rohr 11 ausgeübt wird. Die Federvorrichtung 9 ist dabei ein Federelement mit negativer Steigung im Arbeitspunkt A (negative Feder).
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Wie weiter aus 3 ersichtlich ist, ist die kombinierte Federkennlinie FK0 der Kompensationsvorrichtung 1 um den Arbeitspunkt A sehr flach. In 3 ist ein maximaler Verschiebebereich B der Kompensationsvorrichtung 1 dargestellt. Der Verschiebebereich B definiert einen maximalen axialen Verschiebeweg der Kompensationsvorrichtung. Eine maximale Kraftvariation der resultierenden Kraft liegt dabei in einem Bereich von ± 10% einer Kraft Fx im Arbeitspunkt A der Federkennlinie FK0. Somit ist die Federkennlinie FK0 in einem breiten Bereich um den Arbeitspunkt A sehr flach und im Wesentlichen waagerecht.
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Hierdurch wird eine exzellente axiale Bewegbarkeit des Faltenbalgs 2 sichergestellt, so dass neben temperaturbedingten Längenänderungen des Rohrsystems auch insbesondere Stöße oder dgl., welche auf das Rohrsystem ausgeübt werden können, sicher aufgefangen und abgefedert werden können. Durch die flache Federkennlinie FK0 im Bereich des Arbeitspunktes A kann dann nach einer erfolgten Auslenkung auch wieder eine schnelle Rückkehr in die in 1 gezeigte Ausgangsposition erfolgen, in welcher die resultierende Vorspannkraft F0 vorhanden ist.
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Der Faltenbalg 2 ist vorzugsweise aus Metall. Dadurch kann die Kompensationsvorrichtung insbesondere bei extremen Einsatzbedingungen verwendet werden, beispielsweise bei sehr hohen Temperaturen > 550°C und sehr hohen Drücken > 200 × 105 Pa.
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Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße Kompensationsvorrichtung einen Einsatz eines Faltenbalgs in einer Kompensationsvorrichtung, was bisher im Stand der Technik aufgrund von Druck, Materialfestigkeit, chemischer Verträglichkeit und/oder Temperaturen bisher so nicht möglich war. Insbesondere kann die bei Verwendung von metallischen Faltenbälgen üblicherweise vorhandene Steifigkeit, welche die axiale Bewegbarkeit des Faltenbalgs beeinträchtigt, durch die zusätzliche integrierte Federvorrichtung 3 kompensiert werden. Somit kann die Kompensationsvorrichtung 1 im Wesentlichen verschleißfrei arbeiten. Bei Verwendung eines metallischen Faltenbalgs kann auch eine besonders einfache Verbindung zwischen der Kompensationsvorrichtung und den Rohren 11, 12 durch die Schweißverbindung bereitgestellt werden.
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Die Kompensationsvorrichtung 1 kann dabei weiterhin als vormontierte Einheit bereitgestellt werden, so dass ein Einbau der Kompensationsvorrichtung 1 relativ schnell und problemlos möglich ist.
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4 zeigt eine Kompensationsvorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, entspricht das zweite Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel ein Verbindungsbauteil 7 zwischen dem Faltenbalg 2 und der Federvorrichtung 3 angeordnet. Wie aus 4 ersichtlich ist, ist das Verbindungsbauteil 7 ringförmig und umfasst einen ersten, radial nach außen gerichteten Schenkel 71 und einen zweiten, parallel zur Axialrichtung X-X gerichteten Schenkel 72. Die beiden Schenkel 71, 72 sind dabei in einem rechten Winkel zueinander angeordnet. Die Federvorrichtung 3 ist mit dem ersten Schenkel 71 verbunden und der Faltenbalg 2 ist mit dem zweiten Schenkel 72 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel ist der zweite Schenkel 72 nur mit einem Ende 20a einer Falte 20 des Faltenbalgs 2 verbunden. Es ist jedoch auch möglich, dass der zweite Schenkel 72 in Axialrichtung X-X verlängert ist und mit allen Enden 20a des Faltenbalgs verbunden ist. Somit sind der Faltenbalg 2 und die Federvorrichtung 3 nicht mehr direkt miteinander verbunden, sondern über das Verbindungsbauteil 7. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kompensationsvorrichtung
- 2
- Faltenbalg
- 3
- Federvorrichtung
- 4
- Innenbereich
- 5
- Außenbereich
- 7
- Verbindungsbauteil
- 9
- Gehäuse
- 11
- erstes Rohr
- 12
- zweites Rohr
- 20
- Falten
- 20a
- Ende einer Falte des Faltenbalgs
- 30
- Federring
- 31
- Verbindungssteg
- A
- Arbeitspunkt der Kompensationsvorrichtung
- B
- maximaler axialer Verschiebebereich
- F0
- kombinierte Vorspannkraft
- F1
- erste Vorspannkraft des Faltenbalgs
- F2
- zweite Vorspannkraft der Federvorrichtung
- FK0
- kombinierte Federkennlinie
- FK1
- Federkennlinie des Faltenbalgs
- FK2
- Federkennlinie der Federvorrichtung
- Fx
- Kraft im Arbeitspunkt
- X-X
- Axialrichtung
- X1
- erste Axialrichtung
- X2
- zweite Axialrichtung
