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Wickelhohlkörper mit dünnwandigem Kernrohr Es ist bekannt, Behälter
und Rohre als Wickelhohlkörper herzustellen. Diese Herstellungsart hat den Vorteil,
daß mittels einer verhältnismäßig einfachen Vorrichtung Gefäße und Rohre von beliebig
großer Wanddicke erzeugt werden können. Die Wand solcher Wickelhohlkörper kann aus
verschiedenen Werkstoffen bestehen und in ihren Teilen verschiedene Aufgaben erfüllen,
z. B. kann die Innenwandung einen hohen Widerstand gegen Chemikalien, die Außenwandung
hohe Festigkeit besitzen. Hohlkörper mit solchen oder ähnlichen Eigenschaften wurden
zunächst dadurch hergestellt, daß man auf ein Rohr Ringe aufschrumpfte. Man hat
aber auch schon an Stelle solcher Ringe Bänder fortlaufend auf einem Kernrohr aufgewickelt
und sie durch Verschweißen der Bandkanten oder durch ein Ineinandergreifen entsprechend
profilierter Bänder befähigt, Längskräfte, die sich aus dem Innendruck des geschlossenen
Behälters oder der Leitung ergeben, aufzunehmen.
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Im Bestreben, immer höhere Drücke in Leitungen anwenden zu können,
wurden schließlich Rohre vorgeschlagen, bei denen das Kernrohr so stark ist, daß
es die Längsspannung ganz, die Umfangsspannung und die Radialspannung aber nur zu
einem Teil aufnehmen kann, während die restlichen Spannungsanteile von einer in
wechselndem Windungssinn aufgebrachten Bandagierung durch glatte Bänder aufgenommen
werden sollten. Auch diese Konstruktion ergibt bei immer höher werdenden Drücken
und bei großen Nennweiten, wie sie bei Dampfkesseln großer Leistung vorkommen, Wanddicken
für Kernrohre, die nicht mehr walzbar sind und, falls sie z. B. durch Bohren hergestellt
werden, sehr teuer werden und durch den Temperaturabfall innerhalb dieser dicken
Wand zu hohen zusätzlichen Spannungen führen.
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Die Erfindung bezweckt die Herstellung gewickelter Körper, z. B. Wickelrohre,
die diese Nachteile nicht aufweisen. Die Erfindung bruht auf folgenden Überlegungen:
Es ist bekannt, daß bei dickwandigen Rohren, die durch Innendruck beansprucht sind,
das Verhältnis der Spannung in Längsrichtung des Rohres (im folgenden mit au bezeichnet)
zur Spannung in Umfangsrichtung des Rohres (im folgenden mit a, bezeichnet) auf
der Außenseite des Rohres gleich 1: 2 ist und daß das Verhältnis zum Rohrinneren
hin abnimmt. Die durch Innendruck in der Rohrwandung erzeugte Spannung in radialer
Richtung (im folgenden mit 6, bezeichnet), ist an der Innenseite der Rohrwand gleich
dem im Rohr herrschenden Innendruck und nimmt zur Außenseite der Rohrwand bis zu
dem außerhalb des Rohres herrschenden Druck, meist also auf 0 atü, ab. Für die Berechnung
des Rohres mit Rücksicht auf die Zugfestigkeit des Rohrwerkstoffes muß man einen
Spannungswert zugrunde legen, der aus einer Zusammensetzung der Spannungen aQ,
au,
a, gefunden werden muß. Diese sogenannte Vergleichsspannung a, ergibt
sich nach der Schubspannungshypothese aus der größten und der kleinsten Spannung;
demnach ist, da au stets die größte positive und a, eine negative Spannung ist,
die Vergleichsspannung a"=au-u,. Beim vollwandigen Rohr nimmt die Vergleichsspannung
a" von innen nach außen ab. Das Material eines vollwandigen Rohres kann also nur
an seiner Rohrinnenwand bis zu seiner vollen Tragfähigkeit ausgenutzt werden.
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Das Ziel der Erfindung besteht darin, durch Aufwickeln von Bändern
ein Rohr zu schaffen, dessen Material über die ganze Rohrwanddicke gleichmäßig oder
doch im wesentlichen gleichmäßig beansprucht wird. Für die Beanspruchung eines als
Rohrwand gewickelten Bandes ist praktisch lediglich die Spannung in Längsrichtung
des Bandes maßgebend (im folgenden mit ab bezeichnet). Es ist bekannt, Gummischläuche
durch einlagige Drahtwicklungen zu verstärken, wobei der Draht in einem Winkel von
26,5° aufgewickelt ist. Dieser Wickelwinkel entspricht der Richtung der Resultierenden
der Axial- und Umfangsspannung nur auf der Außenseite eines dickwandigen Rohres;
an dieser Stelle ist nämlich
Bei den bekannten Wickelhohlkörpern ist in allen Lagen die Steigung derart, daß
keine Lücken zwischen den Bandwindungen bestehen. Da aber die Vergleichspannung
für ein gewickeltes Band u"=ab-a, von der Innenseite zur Außenseite des Wickelrohres
abnimmt, wird das Band an der Außenseite nicht voll ausgenutzt.
Um
die Spannungen durch das Band in günstigster Weise aufzunehmen, wird gemäß der Erfindung
ein Wickelhohlkörper für hohe Innendrücke mit einem im Verhältnis zu seiner. Wandstärke
dünnen Kernrohr und in aufeinanderfolgenden Lagen den Windungssinn wechselnden,
an den Kanten nicht miteinander verschweißten, glatten Bändern vorgeschlagen, bei
dem die Bänder in verschiedenen Lagen mit solchen Steigungswinkeln aufgewickelt
sind, daß- der Tangens des Steigungswinkels in bei einlagiger Bewicklung an sich
bekannter Weise jeweils gleich oder annähernd gleich dem Verhältnis der Längsspannung
zur Umfangsspannung an der betreffenden Stelle der Wand des Wickelhohlkörpers ist,
wobei die äußere Lage oder die äußeren Lagen der Bänder zur Anpassung an die Abnahme
der Vergleichsspannung unter Belassung von Lücken zwischen den einzelnen Windungen
gewickelt sind undloder aus einem Werkstoff bestehen, der geringere Festigkeit hat
als der Werkstoff der übrigen Bänder.
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In manchen Fällen ist es aus einem oder anderem Grunde zweckmäßig,_dieBänder
in an sich bekannter Weise unter Zugvorspannung aufzubringen. Dadurch kann man die
Vergleichsspannung über die Rohrwanddicke vergleichsmäßigen.
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Wickelt man mehrere Bandlagen mit Zugvorspannung übereinander, so
erhalten bei hinreichend großer Lagenzahl die inneren Lagen und insbesondere das
umwickelte Kernrohr eine Druckvorspannung, die der Betriebsbeanspruchung des Rohres,
nämlich einer von innen nach außen abnehmenden Zugspannung, entgegenwirkt. Durch
die Überlagerung dieser beiden Spannungsfelder kann bei geeigneter Wahl der Vorspannung
eine im wesentlichen konstante resultierende Beanspruchung a,, über die ganze Rohrwand
und damit eine günstigere Werkstoffausnutzung erreicht werden als im nicht vorgespannten
Vollwandrohr. Dieser Zustand wird in guter Näherung erreicht, wenn die Bänder unter
einer Zugvorspannung aufgebracht sind, die etwa so groß ist, wie die Differenz der
Vergleichsspannungen an der Innen- und Außenseite des Wickelhohlkörpers beim Betriebsdruck
sein würde, wenn die Bänder ohne Vorspannung aufgebracht wären.
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Die Rohre, die gemäß der Erfindung hergestellt sind, haben ferner
die Eigenart, daß sie besonders kleine polare und äquatoriale Trägheits- und Widerstandsmomente
besitzen.
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In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung
schematisch dargestellt. Es zeigt Fig. 1 in perspektivischer Ansicht einen Wickelhohlkörper
gemäß der Erfindung, der zum Teil abgewickelt ist, Fig. 2 einen Längsschnitt durch
einen Wickelhohlkörper gemäß der Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen gebogenen
Wickelhohlkörper gemäß Fig. 2, Fig.4 und 5 Längsschnitte durch einen Wickelhohlkörper
etwas anderer Art gemäß der Erfindung, Fig. 6 ein abgeschlossenes Ende eines Wickelhohlkörpers
gemäß der Erfindung, Fig. 7 eine diagrammatische Darstellung der Winkellage der
Wickelbänder.
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Nach Fig. 1 und 2 ist um ein dünnwandiges Kernrohr 1 zunächst
eine Lage von Bändern 2 gewickelt mit einem Steigungswinkel, der so groß
ist, daß die Bänder in einer zweigängigen Schraube verlaufen. Zwischen den Windungen
des Bandes 2 liegen somit Windungen des Bandes 2a. Auf diese Bewicklung durch die
Bänder 2 und 2a ist eine zweite Wicklung von Bändern 3 und 3 a aufgebracht, die
mit gleichem Steigungswinkel im umgekehrten Wicklungssinn aufgebracht sind. Auf
die Lage der Bänder 3 und 3 a ist wiederum eine Lage von Bändern 4 aufgetragen,
wobei diese Bänder jedoch in einem größeren Steigungswinkel aufgebracht sind, so
daß nebeneinander drei Bänder, 4, 4a und 4b Platz haben. Auf die Lage der Bänder
4 ist wiederum eine Lage von entsprechenden Bändern 5, 5 a und
5 b im gleichen Steigungswinkel, aber im umgekehrten Wicklungssinn aufgebracht
wie die Bänder 4, 4 a und 4b. Auf diese Lage folgt dann eine Lage von fünf Bändern
6, 6 a, 6 b, 6 c, 6 d mit entsprechend größerem Steigungswinkel in umgekehrtem
Wicklungsinn aufgebracht. Während in Fig. 1 zwecks Verdeutlichung nur fünf derartige
Lagen von Bändern dargestellt sind, zeigt die Fig. 2 acht Lagen. Die äußere Lage
des Bandes 9 hat dabei einen Steigungswinkel von etwa 26,5°.
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Falls die Dicke der Bänder 2 im Verhältnis zum Durchmesser des Rohres
genügend groß ist, wird schon der Steigungswinkel der darauf aufgewickelten Bänder
3 größer als der Steigungswinkel der Bänder 2 gewählt werden können. Beispielsweise
werden dann die Bänder 2 in einer dreigängigen Schraubenlinie und die Bänder 3 in
einer viergängigen Schraubenlinie aufgebracht.
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Zur Anpassung an die Abnahme der Vergleichsspannung nach außen hin
sind die beiden äußeren Lagen der Bänder 8 und 9 mit Lücken 8' und 9' gewickelt.
Die Anordnung dieser Lücken ermöglicht es außerdem, solche Rohre zu Rohrbögen zu
biegen, und zwar in einem solchen Maße, bis die Kanten der Bänder der äußeren mit
Lücken gewickelten Windungen einander berühren. Einen solchen Rohrbogen zeigt die
Fig. 3. Dort sind auf ein Kernrohr 1 sechs Lagen von Bändern 2, 3, 4, 5, 6, 7 gewickelt,
wobei zwischen den Windungen der Bänder 6 und 7 Lücken 6' bzw. 7' frei gelassen
wurden. Das in Fig. 3 dargestellte Rohr ist so stark gebogen, daß auf der Bogeninnenseite
die Lagen der Bänder 6 und 7 sich berühren, während auf der Außenseite des Bogens
6' und 7' sich noch vergrößert haben.
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Während nach dem obigen Beispiel bei größerem Steigungswinkel außen
mehr Bänder aufgewickelt sind als bei dem kleineren Steigungswinkel innen, zeigt
Fig. 4 den Längsschnitt durch einen Wickelhohlkörper, bei welchem die Breite der
Bänder entsprechend der Vergrößerung des Steigungswinkels a zunimmt. Demnach hat
das äußerste Band 18, welches mit eiern Winkel a18 gleich 26,5° aufgewickelt ist,
eine Breite, die erheblich größer ist als die Breite des Bandes 17, welches mit
dem kleineren Steigungswinkel als aufgewickelt ist. Weiter nach innen verringern
sich die Breiten der Bänder 16, 15, 14, 13, 12, 11 entsprechend den kleineren Steigungswinkeln
als bis a11.
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Das Kernrohr 10 ist auch hier im Verhältnis zur Gesamtdicke des Mantels
dünn. Die äußeren Windungen der Bänder 17 und 18 sind auch hier mit Lücken 17' und
18' aufgebracht.
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Das Aufbringen der Bänder unter Zugspannung kann in an sich bekannter
Weise z. B. dadurch erfolgen, daß die Bänder gebremst werden, während sie auf das
um seine Achse gedrehte Rohr aufgewickelt werden, z. B. dadurch, daß sie eine Art
Walzgerüst durchlaufen. Man kann die Vorspannung auch dadurch erreichen, daß die
Bänder aufgeschrumpft werden.
Bei warmgehenden Behältern und Rohren,
alsc solchen, die im Inneren höheren Temperaturen ausgesetzt sind, kann die Vorspannung
während des Betriebes erzeugt werden.
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Dies kann einmal dadurch erreicht werden, daß für das Kernrohr und/oder
die inneren Lagen der Bändet Werkstoffe benutzt werden, die einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
besitzen als die äußeren Lagen, wie es bei Mehrlagenrohren bereits bekannt ist.
Durch die Behinderung der Wärmeausdehnung im inneren Teil des Wickelrohres entsteht
dann eine Druckspannung in diesem Teil. Dieselbe Wirkung erzielt man auch durch
eine Vergrößerung des Temperaturgefälles von der Rohrinnenwand zur Außenwand. Eine
beträchtliche Wärmeisolierung erfolgt bei Wickelhohlkörpern zwar schon dadurch,
daß der Wärmeübergang von Band zu Band erheblich schlechter ist als der Übergang
im vollwandigen Rohr. Sie kann aber noch durch Einbringen isolierender Schichten
zwischen die einzelnen Lagen vergrößert werden.
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Fig. 5 zeigt ein solches Rohr im Längsschnitt. Unmittelbar auf dem
Kernrohr 20 sowie zwischen den folgenden Bandlagen 21, 22 und 23 sind Isolierschichten
27, 28 und 29 angeordnet. Die übrigen Lagen der aufgewickelten Bänder
23, 24, 25, 26 entsprechen den Lagen 6, 7, 8, 9 der Fig. 2. Die Isolierungsschichten
müssen eine ausreichende Festigkeit haben, um dem Druck zu widerstehen, den die
Bänder auf sie ausüben. Die Vorspannung kann dadurch noch vergrößert werden, daß
ein Isoliermaterial gewählt wird, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient größer ist
als der des Wickelbandes.
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In dem Diagramm gemäß Fig. 7, in welchem als Ordinate der Steigungswinkel
a und als Abszisse der Abstand x des jeweiligen Meßpunktes von der Innenwand des
Wickelhohlkörpers gewählt ist, zeigt die Linie I, daß der Steigungswinkel a, mit
dem die Bänder aufgewickelt sind, auf der Außenseite des Wickelhohlkörpers etwa
26,5° beträgt und zur Innenseite abfällt. Es ist zweckmäßig, für die Innenseite
einen Winkel a zu wählen, der einen endlichen Wert besitzt; grundsätzlich ist es
aber möglich, die Innenlage mit dem Winkel a=o, also in Form paralleler Ringe aufzubringen,
die beispielsweise aufgeschrumpft sind.
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Es hat sich nun gezeigt, daß man den Werkstoff noch besser ausnutzen
kann, wenn man die Steigungswinkel a bei den inneren Lagen geringer wählt, als dies
nach der Theorie (Linie I) erforderlich ist, und sie für die äußeren Lagen entsprechend
größer wählt. Daraus ergibt sich die Kurve Il. Man kann nämlich den Winkel bei den
inneren Lagen kleiner und bei den äußeren Lagen größer machen als es dem Verhältnis
entspricht, weil es vor allem darauf ankommt, die insgesamt auftretenden Längsspannungen
aufzunehmen. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß man den Werkstoff besser ausnutzen
kann, jedoch den Nachteil, daß das Rohr größere Trägheits- und Widerstandsmomente
aufweist. Im Extremfall bestehen die inneren Bandlagen aus dicht nebeneinander gewickelten
Bändern, während die äußeren Lagen aus Bändern oder sonstigen Ankern, z. B. Schlitzrohren,
bestehen, welche nur Längsspannungen aufnehmen.
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Die vorgenannten Angaben über den Spannungsverlauf und damit für den
Steigungswinkel gelten für den Fall, daß die Beanspruchung der ganzen Rohrwand im
Bereich elastischer Verformung bleibt. Wird der Innendruck so hoch gewählt, daß
der Werkstoff zum Fließen kommt - bei warmgehenden Rohrleitungen ist dies der Regelfall
-, so ändern sich die Anstrengungsverhältnisse, wie festigkeitstheoretisch nachgewiesen
wurde (E. S i e b e l , 1942).
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Aus den bekannten Formeln für den Spannungsverlauf im teil- oder vollplastischen
Zustand können auch für diesen Fall die Steigungswinkel nach der Formel
berechnet werden.