DE2115647C3

DE2115647C3 - Schraubverschluß für Hochdruckbehälter

Info

Publication number: DE2115647C3
Application number: DE2115647A
Authority: DE
Inventors: Donald Eli Warren Pa. Witkin (V.St.A.)
Original assignee: National Forge Co Irvine Pa (vsta)
Current assignee: National Forge Co Irvine Pa (vsta)
Priority date: 1970-06-11
Filing date: 1971-03-31
Publication date: 1980-11-13
Also published as: US3664540A; DE2115647A1; BE764788A; FR2095504A5; DE2115647B2; SE367682B; GB1337794A

Description

Die Erfindung betrifft einen Schraubverschluß für Hochdruckbehälter mit einer.i Verschlußstopfen mit Außengewinde, der in ein Innengewinde in der Behälterwand eingreift, wobei die einzelnen Gewindegänge bei Druckbeaufschlagung eine möglichst gleichmäßige Belastung erfahren.

Gemäß der DE-OS 18 13 779 ist ein Schraubverschluß für Hochdruckbehälter der eingangs genannten Art bekannt, bei dem Lücken zwischen Innen- und Außengewinde vorgesehen sind, deren Abmessungen sich radial von dem äußersten zu dem innersten Gewindegang ändern. Hierbei sind jedoch beide Flanken jedes Gewindegangs des Innengewindes im Behälter ständig im Eingriff mit den komplementären Flanken des Außengewindes am Verschlußstopfen. Da bei diesem Schraubverschluß für Hochdruckbehälter beide Flanken jedes Gewindeganges von Innen- und Außengewinde immer ineinander eingreifen, ist ein Einschrauben des Verschlußstopfens nur unter erschwerten Bedingungen möglich. Ein Nachteil, mit dem dieser Schraubverschluß insbesondere behaftet ist, ist darin zu sehen, daß bei der Einschraubbewegung zwischen dem Außengewinde und dem Innengewinde aufgrund der Flankenpressung eine hohe Reibungskraft zwischen den entsprechenden Flanken überwunden werden muß.

Zum Vergleichmäßigen der Gewindebelastung bei Schraubverbindungen ist es aus dem DE-GM 19 92 295 bekannt, unterschiedliche Steigungen bei Innen- und Außengewinde vorzusehen. Hierbei handelt es sich jedoch um keine Gewindeverbindung für Hochdruckbehälter, sondern die dort beschriebene Gewindeverbindung bezieht sich beispielsweise auf eine Rohrverbindung, bei der mit Hilfe der unterschiedlichen Steigung von Innen- und Außengewinde die Dauerfestigkeit der Gewindeverbindung verbessert werden soll, um die bei Dauerbelastung häufig auftretenden Ermudungsbrüche bei Gewindeverbindungen zu vermeiden.

In der CH-PS 3 40 099 ist eine Schraubverbindung beschrieben, bei der der Kraftiluß beim Anziehen möglichst gleichmäßig über alle Gewindegänge verteilt werden soll. Es handelt sich hierbei ebenfalls um keine Schraubverbindung im Hochdruckbehälter, die bei Beaufschlagung mit Druck hohe, axial wirkende Reaktionskräfte aufnehmen muß. Das hier beschriebene

ίο Gewinde weist an dem beim Anziehen gestreckten Teil eine kleinere Steigung als das Gewinde an dem beim Anziehen gestauchten Teil auf. Somit kommt beim Anziehen dieser Schraubverbindung dann zuerst der von der Auflagefläche am weitesten entfernte Gewindegang jedes Teils in Anlage und zum Tragen.

Bei der gemäß der US-PS 28 70 668 bekannten Schraubverbindung sind ebenfalls unterschiedliche Steigungen von Innen- und Außengewinde zur Verbesserung der Lasiverteilung beim Anziehen einer Schraubverbindung bekannt.

Aus der US-PS 33 46 278 ist eine Rohrverschraubung mit Kegelgewinde bekannt, bei der die lastaufnehmenden Flanken und die beim Einschrauben das Gewicht tragenden Flanken in Einschraubrichtung veränderliche Abstände zueinander aufweisen. Diese Schraubverbindung ist jedoch nur für Rohrverbindungen und nicht für Hochdruckbehälter geeignet.

Der F^rfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schraubverschluß für Hochdruckbehälter derart auszubilden, daß beim Beaufschlagen des Behälters mit Druck unter Beibehaltung einer möglichst gleichmäßigen Belastung aller Gewindegänge des Schraubverschlusses die Belastung der dem Behälterinnern am nächsten liegenden Gewindegänge bzw. der bei Druckbeaufschlagung lastaufnehmenden Flanken von Außengewinde des Verschlußstopfens und Innengewinde des Behälters verringert sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in drucklosem Zustand des Behälters die beim Einschrauben des Stopfens dessen Gewicht tragenden Flanken von Innen- und Außengewinde übereinstimmend ausgebildet sind, während die bei Druckbeaufschlagung lastaufnehmenden Flanken des Innen- und Außengewindes einen zum Behälterinnern hin zunehmenden Abstand voneinander haben.

Der Schraubverschluß gemäß der Erfindung ermög licht neben der bei Schraubverschlüssen an sich bekannten vorteilhaften Vergleichmäßigung der Gewindebelastung, daß der am stärksten belastete Gewindegang am weitesten entfernt vom Behälterinnern liegt, was im Hinblick auf die Spannungsverhältnisse, insbesondere die Spannungsverteilung im Verschlußbereich günstig ist, und daß das Einschrauben des Verschlußstopfens erleichtert wird, weil die bei Druckbeaufschlagung laslaufnehmenden Flanken beim Einschrauben keine Berührung miteinander haben. Die unterschiedlichen Abstände der lastaufnehmenden Flanken von Innen- und Außengewinde in Richtung zum Behälterinnern sind derart ausgebildet, daß bei Beaufschlagung des Behälters mit Druck die äußersten Gewindegänge zuerst belastet werden und sich unter der Belastung um einen vorbestimmten Betrag biegen. In dem Zustand, wenn im Behällerinnern der erforderliche Betriebsdruck aufgebaut ist, ist die Belastung über die lastaufnehmenden Flanken von Innen- und Außengewinde ungefähr gleichmäßig verteilt. Da beim Einschrauben des Gewindestopfens nur die das Stopfengewicht tragenden Flanken von Innen- und

Außengewinde eingreifen, während die anderen Flanken nicht in Berührung sind, ist zum Einschrauben eine wesentlich geringere Reibungskraft zu überwinden, so daß der Verschlußstopfen einfach in den Hochdruckbehälter eingeschraubt werden kann.

Der erfindungsgemäße Schraubverschluß ist insbesondere für Hochdruckbehälter beim isostatischen Pressen bestimmt, ist jedoch auch für Schraubverschlüsse bei entsprechenden anderen unter Druck stehenden Behältern geeignet Die Gewindegänge von Außen- und Innengewinde können parallel ausgebildet sein, kontinuierlich verlaufen oder Unterbrechungen besitzen, wie dies beispielsweise bei Gewehrverschlüssen von Artilleriegeschützen der Fall ist

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nimmt die Länge der bei Druckbeaufschlagung lastaufnehmenden Flanken des Innen- und/oder Außengewindes zum Behälterinnern hin ab. Ein solcher Schraubverschluß kann so gefertigt werden, daß die bei Druckbeaufschlagung lastaufnehhienden Gewindefianken des Schraubverschlusses des Außengewindes zum Behälterinnern hin zunehmend unter Beibehaltung des Gewindekerndurchmessers abgetragen werden.

Insbesondere ist der Schraubverschluß gemäß der Erfindung vorzugsweise so ausgebildet daß sich der Kerndurchmesser von Innen- und/oder Außendurchmesser ändert, wobei der Kerndurchmesser des Innengewindes zum Behälterinnern hin abnimmt und/ oder der Kerndurchmesser des Außengewindes zum Behälterinnern hin zunimmt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung an bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erörtert.

F i g. 1 ist eine .Schnittansicht, die schenialisch den Schraubverschluß für Hochdruckbehälter gemäß einer -^ bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im drucklosen Zustand des Behälters zeigt;

Fig. 2 in einer Schnittansicht Ausschnitte des in F i g. 1 gezeigten Schraubverschlusses in vergrößerter Darstellung, wobei in gestrichelten Linien die Biegung der Gewindegänge bei Beaufschlagung des Behälters mit Druck gezeigt ist; und

F i g. 3 zeigt eine Schnittansicht eines Schraubverschlusses gemäß der Erfindung anhand einer zweiten, bevorzugten Ausführungsform.

In Fig. 1 ist mit 10 ein Hochdruckbehälter bezeichnet, der eine Bohrung 12 besitzt, in die ein Innengewinde 16 eingeschnitten ist. Ein Verschlußstopfen 14 zum Verschließen des Behälters ist mit einem Außengewinde 18 versehen, der in das Innengewinde 16 des Hochdruckbehälters 10 eingeschraubt wird.

Das Außengewinde 18 am Verschlußstopfen 14 ist als Sägezahngewinde ausgebildet jedoch sind auch andere Gewindeformen als Außengewinde möglich.

Bei dem in F i g. 1 gezeigten Schraubverschluß, der im drucklosen Zustand des Behälters dargestellt ist, sind die beim Einschrauben des Verschlußstopfens 14 dessen Gewicht tragenden Flanken von Innen- und Außengewinde übereinstimmend ausgebildet. Die bei Druckbeaufschlagung lastaufnehmenden Flanken von Innen- und Außengewinde haben einen in Richtung zum Behälterinneren zuner»· .■-.:.■'..; Abstand 22. Die bei Druckbeaufschlagung lastaufnehmende Flanke des Innengewindes des Behälters 10 ist mit 24 bezeichnet. Demzufolge liegen unterschiedliche Steigungen lediglieh zwischen den lasttragenden Flanken von Innen- und Außengewinde vor, und zwar derart, daß sich der Abstand zwischen diesen Flanken zum Behälterinnern hin vergrößert Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wird dies beispieisweise dadurch erzielt daß die obere Flanke des Außengewindes zum Behälterinnern hin unter Beibehaltung des Kerndurchmessers zunehmend abgetragen wird.

Der Abstand zwischen den lastaufnehmenden Flaiiken ändert sich somit von einem Größtwert, der in der Nähe des Gewindeauslaufs in Richtung des Behälterinnern auftritt, bis zu einem Kleinstwert von etwa Null, der zwischen den äußeren Enden 28 und 30 der Gewindegänge auftritt

Bei dem in F i g. 1 im drucklosen Zustand des Behälters gezeigten Schraubverschluß ist somit die Lastverteilung auf die einzelnen Gewindegänge bei Beaufschlagung des Behälters mit Druck gleichmäßig, so daß sich die unterschiedliche elastische Verformung der Gewindegänge ausgleicht. Der in F i g. 1 gezeigte Abstand zwischen der Spitze der Gewindeflanken ist der Nominalabstand zwischen den Innen- und Außengewinden, der zum Einschrauben des Verschlußstopfens in den Hochdruckbehälter benötigt wird. Der Verschlußstopfen wird hierbei beispielsweise mit einem Hebezeug aufgesetzt. Hängt der Verschlußteil beispielsweise, nachdem dieser in den Hochdruckbehälter vollständig eingeschraubt ist, nicht mehr an dem Hebezeug, stehen die beim Einschrauben des Verschlußstopfens dessen Gewicht tragenden Flanken von Innen- und Außengewinde übereinstimmend in Eingriff.

Das Ausmaß unterschiedlicher elastischer Verformung kann für einen speziellen Typ eines Schraubverschlusses während des allmählichen Aufbaus des Druckes im Hochdruckbehälter berechnet werden, wobei die physikalischen Eigenschaften des bei der Konstruktion verwendeten Materials berücksichtigt und die Gewindegänge in einem mathematischen Modell als Kragarme behandelt werden.

In F i g. 2 ist in gestrichelten Linien das Verhalten des Schraubverschlusses bei der allmählichen Beaufschlagung des Behälters mit Druck gezeigt. Zu Beginn wirkt auf den Boden des Verschlußstopfens 14 im Behälter 10 eine Kraft entgegen der Einschraubrichtung des Verschlußstopfens 14. Somit tragen zunächst das äußere Ende 28 des Außengewindes 18 des Verschlußstopfens 14 und das äußere Ende 30 des Innengewindes 16 des Behälters 10 die Belastung, da diese zu Beginn der Druckbeaufschlagung nahezu aneinander anliegen.

Wie in gestrichelten Linien gezeigt ist, verformt sich zu Beginn des Druckaufbaus im Behälter 10 sowohl der äußerste Gewindegang 30 des Innengewindes 16 als auch der äußerste Gewindegang 28 des Außengewindes 18 des Verschlußstopfens 14 elastisch, so daß sich der Verschlußstopfen 14 infolge dieser anfänglichen Verformung etwas nach außen bewegt. Auf diese Art und Weise nimmt der Abstand 22, 26 zwischen den bei Druckbeaufschlagung lastaufnehmenden Flanken ab, bis die inneren Gewindeteile 20 und 24 des Innen- und Außengewindes miteinander in Berührung kommen und Last aufnehmen können.

Durch geeignete Berechnung der verschiedenen Gewindeformen kann die Belastung auf die einzelnen Gewindegänge im wesentlichen gleichmäßig verteilt werden, und die Höchstbelastung an den dem Behälterinnern am nächsten liegenden lastaufnehmenden Gewindeflanken wird erheblich reduziert. Zur Verdeutlichung sind die Abstände 22 und 26 zwischen den lastaufnehmenden Gewindeflanken stark vergrößert dargestellt. Der Maximalabstand 22 beträgt bei einem Druckbehälter mit Schraubverschluß entspre-

chend einer Ausführungsform der Erfindung etwa 0,25 mm. Die Belastung auf dem in F i g. 2 gezeigten äußersten Gewindegang steigt nicht mehr an, wenn die darauffolgenden, lastaufnehmenden Flanken allmählich aneinander anliegen und durch Biegung ebenfalls Last aufnehmen.

Es ist auch möglich, das Innengewinde 16 des Behälters 10 oder auch das Innengewinde 16 und das Außengewinde 18 des Verschlußstopfens 14 bei weiteren Ausführungsformen mit sich änderndem Profilverlauf auszubilden.

Anhand Fig.3 ist eine zweite, bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Ein Hochdruckbehälter 10 mit einer Bohrung 12, in die ein Innengewinde 16 eingeschnitten ist, ist dargestellt. Ein Verschlußstopfen 34 ist in das Innengewinde 16 des Behälters 10 eingeschraubt. Der Verschlußstopfen 34 weist eine derartige Gewindeform 36 auf, bei der der Gewindekerndurchmesser D\ am Außenrand des Schraubverschlusses größer als der Gewindekerndurchmesser Di in Richtung des Behälterinnern des Schraubverschlusses ist. Der Gewindekerndurchmesser nimmt hierbei von außen in Richtung des Behälterinnern allmählich von D\ bis Ch ab. Auf diese Art und Weise wird erzielt, daß die bei Druckbeaufschlagung des Behälters lastaufnehmenden Flanken in Richtung des Behälterinnern einen zunehmenden Abstand aufweisen. Bei dieser Ausführungsform ändert sich jedoch im Gegensatz zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Gewindekerndurchmesser des Außengewindes 36 von D\ zu D?. Die beim Einschrauben des Verschlußstopfens 34 dessen Gewicht tragenden Flanken sind hierbei verlängert, jedoch unter demselben Winkel, wie die Flanken des Innengewindes 16 des Behälters 10 geneigt. Diese gemäß Fi g. 2 gezeigte bevorzugte Ausführungsform weist somit ebenfalls einen Abstand zwischen den bei Beaufschlagung mit Druck lastaufnehmenden Flanken zum Behälterinnern hin auf, der sich vergrößert, wobei jedoch der Gewindekerndurchmesser des Außengewindes 36 des Verschlußstopfens 34 sich ändert. Der Abstand ist hierbei in der Nähe des Behälterinnern am größten und nimmt nach außen hin auf ein Minimum ab, so daß beim äußersten Gewindegang die beim Einschrauben des Verschlußslopfens 34 lastaufnehmenden Flanken von Innen- und Außengewinde nahezu aneinander anliegen.

Bei einer anderen Ausführungsform, die in den Figuren nicht dargestellt ist, werden diese Abstände dadurch erhalten, daß das Innengewinde 16 des Behälters 10 derart geändert wird, daß der Gewindekerndurchmesser des Innengewindes 16 in Richtung des Behälterinnern zunimmt. Der in Richtung des Behälterinnern zunehmende Abstand kann auch dadurch erhalten werden, daß die Steigungen der bei Druckbeaufschlagung lastaufnehmenden Flanken von Innengewinde und Außengewinde entsprechend aufeinander abgestimmt werden.

Bei den anhand der Figuren erörterten bevorzugten Ausführungsformen des Schraubverschlusses gemäß der Erfindung ist infolge der sich ändernden Abstände 42 der bei Druckbeaufschlagung lastaufnehmenden Flanken gewährleistet, daß, wenn der Behälter unter seinem vorgegebenen Innendruck steht, die Gewindegänge nahezu gleichmäßig belastet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schraubverschluß für Hochdruckbehälter mit einem Verschlußstopfen mit Außengewinde, der in ein Innengewinde in der Behälterwand eingreift, wobei die einzelnen Gewindegänge bei Druckbeaufschlagung eine möglichst gleiche Belastung erfahren, dadurch gekennzeichnet, daß im drucklosen Zustand des Behälters (10) die beim Einschrauben des Stopfens (14,34) dessen Gewicht tragenden Flanken von Innen- und Außengewinde (16 bzw. 14, 34) übereinstimmend ausgebildet sind, während die bei Druckbeaufschlagung lastaufnehmenden Flanken des Innen- und Außengewindes einen zum Behälterinnern hin zunehmenden Abstand (42,22) voneinander haben.

2. Schraubverschluß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der lastaufnehmenden Flanken des Innen- und/oder Außengewindes zum Behälterinnern hin abnimmt

3. Schraubverschluß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kerndurchmesser des Innen- und Außengewindes sich ändert, wobei der Kerndurchmesser des Innengewindes zum Behälterinnern hin abnimmt, während der Kerndurchmesser des Außengewindes zum Behälterinnern hin zunimmt.