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Vorrichtung zum Aufheizen der Verbindungsbolzen
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von Kupplungsflanschen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zuni
Auflleizen von die Kupplungsflansche von zwei Wellen miteinander verbindenden Verbindungsbolhen,
welche eine Längs bohrung aufweisen und mit Spannelementen gegen die Kupplungsflansche
verspannt sind. Derartige Kupplungsflansche finden zwischen den Wellen von dynamoelektrischen
Maschinen und insbesondere zwischen den Wellen von Ilvdraulikturbinen und Hydrogeneratoren
Verwendung.
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In der konventionellen Kraftwerkstechnik wird der Rotor eines Hydrogenerators
mit Hilfe einer Hydraulikturbine angetrieben. Die Wellen dies er Maschine sind ülier
Kupplungselemente, insbesondere Kupplungsflansche miteinander fest verbunden, so
daß eine volle Drehnioni entsühertragung gewährleistet ist. Die Verbindungsbolzen,
welche benutzt werden, um derartige aufeinanderpassende Kupplungsflansche
flansche
miteinander zu verbinden, sind ungewöhnlich groß und können Durchmesser erreichen,
die in der Größenordnung von etwa 21 bis 22 cm liegen Es ist allgemein üblich, derartig
große Verbindungsbolzen vor dem Anziehen der Spannmuttern thermisch zu dehnen, uni
eine hestiiiiioite Pressung zwischen den Flanschen t>zw. eine bestimnite Spannkraft
in den Bolzen zu erhalteii. Um derartige Bolzen richtig aufheizeii zu können, damit
sie sich in der gewünschten \Veise thermisch ausdehenen, können sie niit einer zentralen
Bohrung versehen sein, die entweder nur über einen Teil der Länge des Bolzens oder
auch über seine Gesamtlänge verläuft und in welche ein geeignetes Tleizgerät einsetzbar
ist.
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heizgeräte, die bisher erfolgreich eingesetzt wurden, insbesondere
bei Verbindungsbolzen kleineren Durchmessers, bestehen aus Widers tan<ls he i
zelementerl, bei welchen die Aufheizung bzw. Erwärmung des Verbindungsbolzens von
der direkten Wärmeübertragung vom Heizelement auf die Innenoberfläche der Bohrung
abhängt. Ein solches Gerät ist <lurch die GB-PS 541 584 I)ekannt.
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Da die Wärmeübertragung von der Oberfläche des Heizelement auf die
sie umgebellde Bohrung begrenzt ist, eignet sich <lieses l)ekannte Gerät nicht
für Verbindungsbolzen besonders großen Ausmaßes.
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In dem US-PS 2 359 046 ist eine doppelte Verbindungsanordnung beschrieben,
hei <ler eiii größeres Verhältnis <les Bolzenbereiches verwendet wird, um
die beim Erwärmen auftretenden Schwierigkeiten zu vernieiden, die infolge der begrenzten
Wärmeübertragung an Ot,erflächen auftreten. Es wird jedoch keine Vorrichtung beschrieben,
Illit der ein solches Aufheizen möglich ist.
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Auch
Auch in der US-PS 3 ggr 338 ist ein Beispiel
eines Widerstandshelzelementes beschieben, um eine thermische Ausdehnung bei Verbindungsbolzen
zu veranlassen. Dass thermische Helzelement wird axial innerhalb des Verbindungsbolzens
angeordnet, um diesen in axialer Richtung zu dehnen und in diesen gedehnten Zustand
Spannmuttern aufzusetzen und anzuziehen. Auch hier wird kein Gerät beschrieben,
mit dem die Aufheizung in der gewünschten Weise möglich ist.
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Mit zunehmender Größe der Verbindungsbolzen werden die Probleme, die
beilll Aufheizen des Bolzens entstehen, um eine genügende thermische Dehnung zu
erhalten, weseiitlicli schwieriger, insbesondere, wenn herkömmliche Widerstandsheizelemente
Verwendung finden, die in Bohrungen verhältnismäßig großen Durchniessers eingesetzt
werten niüssen, daiiiit die erforderliche Wärme in verhältnismäßig kurzer Zeit eingeleitet
werden kann. Wenn jedoch der Hohrungsdurchmesser für die Aufnahme der Widerstandsheizelemente
großer wird, nimm entsprechend <ler tragende Bolzenquerschnitt und darn it die
mit ihm aufzubringende Spannkraft ah.
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Es ist daher wünschenswert, Serie Vorrichtung zuni Aufheizen von Verbindungsbolzen
zu schaffen, die auch bei sehr großen Verbindungsbolzen in der Lage ist, diese derart
thermisch aufzuheizen, daß sie eine genügend große thermische Dehnung erhalten,
um die gewünschte feste Verbindung der Kupplungslelemente zu gewährleisten. Die
Vorrichtung zum Aufheizen soll insbesondere dort verteilhaft einsetzbar sein, wo
es unpraktisch oder unmöglich ist, die gewünschte Wärnieübertragung wegen schlechter
Wärmeübergänge oder ungeeigneten konstruktiven Formen zu erhalten, so <laß die
angrenzen<len Konstruktionsteile der Kupplungselemente sich ebenfalls aufheizen
und ausdehnen,
ausdehnen, bevor das gewünschte Maß der Ausdehnung
des Verbindungsbolzens erreicht ist. Wenn die dem Innern eines Verbindungsbolzens
zugeführte Wärme das den Verbindungsbolzen umgebende Material erreicht, wird dadurch
entweder die erreichbare Temperatur des Verbindungsbolzens begrenzt oder die Umgebungskonstruktion
ebenfalls erwärmt, so daß die Verspannung der Kupplungselemente mit der gewünschten
Spannkraft nicht mehr gewährleistet ist.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zu schaffen, mit der langgestreckte Verbindungselemente, insbesondere Verbindungsbolzen
in einen thermischen Dehnungszustand versetzt werden können, insbesondere wenn die
Wärnie übertragung infolge von Oberflächengrenzschichten oder der Wärmeübertragung
ino Material begrenzt ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Längsbohrung
ein elektrischer Leiter angeordnet ist, der mit seinem einen Endabschnitt an eine
Wechselstromquelle angeschlossen ist und mit seinem anderen Endabschnitt an einer
vorgegebenen Stelle in der Längsbohrung mit deren Innenfläche in Kontaktverbindung
steht, derart, daß infolge des vom Leiter geführten Wechselstromes ein elektromagnetisches
Wechselfeld innerhalb des Verbindungsbolzens entsteht und der Verlindungsbolzen
im wesentlichen innerhalb eines zylindrischen Innenbereiches um die Ol>erfläche
der Längsbohrung erhitzt wird.
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Aufgrund des über den Verbindungsbolzen und den dazu in Serie geschalteten
elektrischen I,eiter geführten Wechselstromes entsteht ein elektromagnetisches Feld
innerllall) eines begrenzten zylindrischen Innenbereichs des Verlindungsliolzens.
Aufgrund der Widerstnndsverluste in diesel zyliiodrisclien Innenhereicli des Verbindungs-
Verbindungsbolzens
wärmt sich dieser auf, wobei dieser Innenbereich im wesentlichen durch die innere
Oberfläche der Längsbohrung und die Eindringtiefe des fließenden Stromes bestimmt
wird.
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Der elektrische Leiter wird gegen den Verbindungsbolzen in geeigneter
Weise entweder durch einen dünnen Luftspalt oder durch eine Isolierschicht isoliert,
ausgenommen in dem jenigen Bereich, in dem die elektrische Verbindung von Endabschnitt
des Innenleiters zum Verbindungsbolzen hergestellt wird. Die Stelle, an der diese
Verbindung erfolgt, wird entsprechend dem gewünschten Ausmaß der Erwärmung ausgewählt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Erwärmung unterhalb eines inneren
Teils der Spannmutter begrenzt, damit in diesem Bereich die Frwärmung des Bolzens
begrenzt ist und das Anspannen der Spannmutter nicht behindert wird. Im Gesamtbereich
des Verbindungsbolzens oberhalb, dieser Stelle findet die Erwärmung statt. Damit
läßt sich eine radiale thermische Ausdehnung des Verbindungsbolzens im Bereich der
Spannmutter vermeiden, so daß diese ohne große Schwierigkeit und ohne Verklemmen
im Gewinde angezogen werden können.
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Der Wechselstrom wird von einer einphasigen Wechselstromquelle aus
zugeführt, die mit zwei Anschlußelektroden versehen ist, wovon die eine mit dem
Endabschnitt des elektrischen Leiters in Verbindung steht und die andere zum freien
Ende des Verbindungsbolzens einen elektrischen Kontaktanschluß herstellt. Auf diese
Weise ist der elektrische Leiter und der Verbindungsbolzen in Serie zwischen die
Anschlußklemmen der Wechselstromquelle geschaltet.
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In vorteilhafter Weise ist das mit dem Verbindungsbolzen elektrisch
verbundene Ende des elektrischen Leiters als Gewinde ausgestaltet, das in
das
in ein entsprechendes Innengewinde in der Längsbohrung des elektrischen Leiters
einschraubbar ist. Mit Hilfe von Spannelementen, z.B. eines ebenfalls mit einem
Gewinde versehenen Spannbolzens.
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können die beiden miteinander verschraublen Teile gegeneinander verspannt
werden, so daß ein guter Übergang für den elektrischen Strom gewährleistet ist.
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Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der
nachfolgenden Beschriebung eines Ausführungsbeipieles in Verbindung mit den Ansprüchen
und der Zeichnung. Es zeigen: Fig. 1 eine vereinfache Darstellung der Kupplungvorrichtung
zwischen den vertikal verlaufenden Wellen einer Hydraulikturbine und eiens Hydrogenerators
unter Verwendung von Verbindungsbolzen die in thermischen Dehnungszustand gespannt
werden: Fig. 2 eine Seitenansicht der Vorrichtung zum Aufbeizen der Verbindungsbolzen:
Fig. 3 eine graphische Darstellung über den Temperaturverlauf als Funktion der Zeit
und des radialen Abstands von der Längsmit clachse des Bolzens: Fig. 4 eine geschnittene
vergroßerte Teilansicht der Heizvorrichtung gemäß Fig. 2 in unteren Teil des Bolzens:
Fig. 5 eine der Fig. 4 entsprechende Ansicht nut einer bevorzugten Anordnung des
elektrischen Leiters in der Längsbohrung des Bolzens.
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In Fig. 1 ist die Kupplungsvorrichtung Zwischen der Welle 10 eines
nicht
nicht dargestellen Hydrogenerators und der Welle 12 einer
Hydraulikturbine gezeigt, die scih durch die Kupplungsvorichtung im Gleichlauf drehen.
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An der Welle 10 ist ein Flansch 14 angebracht, der mit einem Flansch
16 an der Welle 12 mechanisch verbunden ist.
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Die Kupplungsvorrichtung 18 besteht also aus zwei aufeinanderpassenden
Flanschen 14 und 16, die flächig aneinander anliegen und mit Hilfe von Verbindungsbolzen
20 gegeneinander gepreßt werden. Und eine möglichst < ffi i c itt c 1)1''' lt
itt <(111<' 1 titL' t' t t';t gitt ig z ii ge tt tilL t' le ist cti, lii tis
seit <1 i c Vt, 11 cii 10 und 12 über die Flansche 14 und 16 fest miteinander
verbunden sein und eine fest verspannte Einheit bilden. Diese verspannte Finheit
ereeicht man durch das Anziehen der auf die Verbindungsbolzen 20 aufgeschrauben
Muttern 22. Das Anziehen der Muttern erfolgt im erwärmten und damit gedehten Zustand
der Verbindungsbolzen, was zu einer Art Schraumpfsitz führt, wenn die Verbindungsbolzen
wieder ihre normale Temperatur angenommen haben.
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In Fig. 2 ist die Vorrichtung zum Aufheizen der Verbindungsbolzen
20 dargestellt, wennsich diese innerhalb der Bohrungen 24 befinden, welche über
den Umfang der Flansche 14 und 16 verteilt angeordnet sind.
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Diese Bohrungne 24 sind aufeinander ausgerichtet. Die Muttern 22 sind
auf die Gewindeabschnitte 26 und 26 der Verbindungsbolzen 20 aufgeschraubt.
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Innerhalb der Längsbohrung 32 des Verbindungsbolzens 20 ist ein elektrisch
Leiter 30 angeordnet. Dieser Leiter besteht vorzugsweise aus einem Kupferstab mit
sehr niedrigen Widerstand und hat für den fließenden Wechselstrom eine elektrische
Impedanz die wesentlich geringer als die elektrische Impedanz herkömmlicher Widerstandleiter
vergleich.
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vergleichbarer Größe ist. Eine sehr niedere elektrische Impedand ist
notwendig, um zu verbindern, daß der Leiter 30 im Betrieb bei den hohen Stromdichten
zu heiß wird oder schmilzt. Der Verbindungsbolzen wird im wesentlichen durch den
Stromfluß aufgeheizt, der durch einen begrenzten zylindrischen Innenbereich fließt
entsprechende der Flußeindringtiefe in Abhängigkeit von dem elektromagnetischen
Feld, das durch den über den Leiter 30 fließenden Wechselstrom erzeugt wird.
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Der elektrische Leiter 30 hat als Anschlußelektroden eines Fadabschnitt
33, der axial aus der Längsbohrung 32 versteht und am angeren Ende eine Anschlußelektrode,
die aus einem mit einen Gewinde versehenen Aadabschnitt 34 besteht, welche in ein
Gegenenwinde 36 in der Längsbohrung 32 einschraubbar ist. Der Wechselstrom wird
als eine Anschlußklemmte 49 an den Wechselstromquelle 42 aus zugerodnet, welche
aus einem Schweißtransformator bestehen kann. Die zweite Anschlußklemme 44 der Wechselstromquelle
42 ist an das Ende 44 des Verbindungsholzens 20 geführt und mit diesem äler eine
ringförmige Kontakt alle 46 verbunden. Dadurch wird der Stromkreis geschlossen 48.
Kontaktplatte 46 besteht vorzugsweise aus einem Kupfernmaterial mit niederem Widerstand.
Die Kupferplatte sollte mit gleichmäßigen Druck über den gesamten Kontaktbereich
mit dem Verbindungsbolzen aus diesen aufliegen. eine ungleichmäßige Frwärmung der
Kontaktplatte 46 kann eine permanente Verformung auslösen wenn der beim Auflegen
wirksame Kontaktdruck Werte übersteigt, die nach bei den Grenzen liegen, ab welche
Kupfe eine plastische Verformung erführt. Infolgedessen sollte die Wechselstromswuelle,
wie z.B, der Schwelltransformator, räumlich so nah wie möglich an dem Ende 45 des
Bolzens angeordnet sein, so daß die Länge der Anschlußleitungen bzw. Anschlußelektroden
40 und 42 zum Schweißtransformator möglichst kurz sind. Damit ergibt sich auch einer
Maximierung der eisungsubetragung für jede Spannungseinstellung zur inneren Oberhalbe
des Verbindungsbolzens.
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litt 1 lt't t'it'It
Im Betrieb wird der Wechselstrom
von der Wechselstromquelle 42 aus über den Leiter 30 und den gestrichelt eingezeichneten
zylindrischen Innenbereich 48 des Bolzens 20 zurück zur Anschlußelektrode 44 am
Schweißtransformator geführt. Dabei fließt der Strom von der Anschlußelektrode 40
des Schweißtransformators aus über den Endabschnitt 33 des Leiters 30 und diesen
Leiter zum mit dem Gewinde versehenen Endabschnitt 34 und das Gegengewinde über
den bereits erwähnten zylindrischen Innenbereich 48 zurück. Vom Bolzen wird dieser
zurückfließende Strom über die Kontaktplatte 46 und die Anschlußelektrode 44 des
Schweißtransformators abgenommen.
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Die elektrische Kontaktverbindung zwischen dem Leiter 30 und dem Verbindungsbolzen
20 kann beliebig sein, es muß jedoch ein guter Stromübergang gewährleistet werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der Längsbohrung 32 in
einer bestimmten begrenzten Zone, welche mit gestrichelten Linien gekennzeichnet
ist, das Gegengewinde 36 vorgesehen. Der mit einem entsprechenden Gewinde versehene
Endabschnitt 34 des Leiters wird in dieses Gegengewinde eingeschraubt. Um die elektrische
Kontaktverbindung zwischen dem Leiter und dem Gewindebolzen möglichst optimal zu
gestalten, ist eine Verspannung zwischen den beiden Teilen vorgesehen. In einen
ebenfalls mit einem Gewinde versehenen Ringraum, der konzentrisch zur Längsbohrung
32 verläuft, ist zu diesem Zweck ein Spannbolzen 50 eingeschraubt. Dieser Spannbolzen
50 wird gegen den mit dem Gewinde versehenen Endabschnitt 34 des Leiters 30 geschraubt
und gegen diesen fest verspannt, womit die einzelnen Gewindeflächen des Endabschnittes
34 gegen die zugeordneten Flächen des Gegengewindes 36 gepreßt wer den und damit
ein guter Kontaktübergang gewährleistet ist.
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Der elektrische Leiter 30 muß mit Ausnahme des mit dem Gewinde versehenen
versehene
Endabschnittes 34, d,h, im Bereich des Gegengewindes 36, gegen den Verbindungsbolzen
20 gut isoliert sein. Deshalb ist zwischen dem Leiter 30 und der inneren stromführenden
Oberfläche des Verbindungsbolzens 20 eine Isolierschicht 31 vorgesehen, wie in fig.
5 dargestellt. Bei einer anderen Ausführungsform gemäß Fig. 4 kann der Leiter 30
gegen den Gewindehbolzen durch einen Lufspalt 53 isoliert sein. Beide Arten der
Isolierung können bei der Verwendung Vorteile haben.
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Durch die Verwendung sehr kurzer Anschlußleitungen bzw. der Anschlußelektroden
40 und 44 wird die externe Induktanz und der externe Widerstand sehr klein gehalten,
so daß der externe Spannungsabfall vernachlässigbar ist. Dies wird durch die beschriebene
konstrukt Ausführung des Anschlusses des Schweißtransformators möglich.
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indem die Kontaktplatte 46 auf das Ende 45 des Bolzens 20 aufgetegt
wird und damit als Anschlußelektrode für den über den Leiter 30 geführten Wechselstrom
dient.
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Die Wechselstrom 42 wird vorzugsweise in unmitttelbarer Nähe der Kontaktplatte
46 und dem Ende 46 des Bolzens 20 angeordnet, wobei es mit Hilfe eines Hebegerätes
56 in herkömmlicher Weise in Position gebracht wird.
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Das Phänomen des Skin-Effekts wird dazu benutzt, um gemäß der Erfindung
den Wechselstromfluß innerhalb des Bolzens auf den wesentlichen zylindrischen Innenbereich
48 zu begrenzen, so daß sich der Bolzen erhitzt und ausdeht, bevor eine wesentliche
Wärmeübertragung auf die unliegenden Konstruktionsteile sich ergibt.
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Die Verteilung des induzierten Stromes in einem Werkstück wie einem
Verbindungsbolzen 20 hat eine Maximum an der inneren Oberfläche der Längsbohrung
32
Längsbohrung 32 und nimmt in das Innere des Bolzens zu schnell
ab. Die effektive Eindringliefe des Stromes vergrößert sich mit einer Verringerung
des Frequenz und einer Erhöhung der Eisentemperatur bzw. des Wiederstandes. Die
Verteilung des Induzierten Stromes hängt auch von den magnetischen und elektrischen
Eigenschaften des zu erwärmenden Teiles ab. Da diese Eingenschaften sich mit der
Temperatur ändern, zieht dies eine Änderung der Eindringtiefe bzw. der Stromverteilung
beim Erhitzen des Werkstückes mit sich. Bei einer praktischen Anwendung wurde ein
Bolzen mit einem Durchmesser von etwa 21,6 cm und einem Gewicht von etwa 450 kg
mit einem Wechselstrom von etwa 42 ooo A bei einer Spannung von 8 Volt und einer
Frequenz von 80 Hz beaufschalgt. Nachdem sich die innere Oberfläche des Bolzens
auf etwa 300°C erwärmt hat ging der über den Leiter 30 fließende Strom auf etwa
8700 A zurück und zwar infolge des zunchmende effektiven Widerstandes des Stahls,
aus dem der Bolzen hergestellt ist. Die effektive Flußeindringtiefe betrug in diesem
Fall etwa mm.
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Nachdem sich die Wärme radial ausbreitet, sobald die Innere Oberfläche
erwärmt ist, wird die tätchliche Temperaturverteilung in jedem beliebigen Augenblick
durch die Dauer der Erwärmung die Leistungsdichte und die Frequenz bestimmt, wie
dies aus der Darstellung gemäß Fig. 3 hervorgeht.
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Bei der Anordnung gemäß Fig. 2 verläuft die Erhitzung des Verbindungsbolzens
20 in radialer Richtung von der Oberfläche der Längsbohrung 32 aus gehen etwas unglecihförmig.
Die Konzentration der Erhitzung aufgrund von Wirhelströmen in dem zylindrischen
Innenbereich 48, der an die Oberfläche der Längsbohrung 32 anschließt, wird auch
als Skin-Effekt hezeichnet.
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Die den stromführenden elektrischen Leiter 30 umgebenden Magnetflußlinien.
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flußlinien verlaufen radial nebeneinander und in Unifangsrichtung
parallel zu der Oberfläche der Längsbohrung 32 im Verbindungsbolzen 20. Bevor der
Fluß den Kernbereich 60 des Verbindungsbolzens 20 erreicht, ergibt sich ein genügend
hoher Fluß, um im Eisen eine Spannung zu induzieren, welche die an der Oberfläche
der Bohrung wirksame Spannung aufhebt. Das gedeutet, daß im wesentlichen der gesamte
Stromfluß im zylindrischen Innenbereich 48 in Oberflächenschichten des Verbindungsbolzens
20 erfolgt, die unmittelbar an die Oberfläche der Längsbohrung angrenzen, so daß
der innere Bereich des Verbindungsbolzens die für die thermische Expansion gewünschte
Temperatur zu einem Zeitpunkt erreicht, bevor ein wesentlicher Anteil der Wärme
an die umliegenden konstruktiven Teile abgeflossen ist.
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Wie bereits erwähnt, konzentriert sich der größte Anteil der erzeugten
Wärme in einem verhältnismäßig kleinen zylindrischen Volumen des Bolzenmaterials,
das unmittelbar den elektrischen Leiter 30 umgibt.
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Die Temperatur steigt an der inneren Oberfläche der Längs bohrung
32 sehr rasch an, wobei in Verbindung mit dem Temperaturanstieg die erzeugte Wärme
reduziert wird und gleichzeitig Wärme radial nach außen abfließt. Das Temperatur-Zeitprofil,
d. h. der zeitliche Verlauf des Temperaturanstieges an der inneren Fläche der Längsbohrung
32 ist durch die Kurve 70 in dem Diagramm gemäß Fig. 3 dargestellt.
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In der Darstellung kennzeichnet T) die an der Längsbohrung des Verbindungsbolzens
gewünschte Temperatur. Mit R ist der radiale Abstand von der Längsbohrung gekennzeichnet.
Die anfängliche Anstiegssteilheit verringert sich sehr rasch entsprechend der Zunahme
des prozentualen Anteils der Wärme, welche nach dem kälteren Material des Bolzens
hin abfließt. Die Kurven 72 bis 80 kennzeichnen die Temperaturverteilung für bestimmte
Intervalle nach dem Beginn der Erwärmung des Bolzens. Unter der Annahme eines vernachlässigbaren
lässigbaren
axialen Wärmeflusses beträgt der radiale Wärmegradient 2,28°C pro Watt/cm² und pro
cm-Ausbreitung (entspricht 0,9°C pro Watt/Sq. Inch un Inch-Ausbreitung) für einen
niederen Kohlenstoffstahl. die in Klammern angegebenen Zahlen an den Kurven 72 bis
80 stellen den Zitblauf in Minuten nach dem Beginn des Stromes durch den Verbindungsbolzen
20 dar. Man kann erkennen, daß mit der sich radial ausbreitenden Wärme sowohl das
Stahlvolumen als auch der wärmeleitende Bereich im Verbindungsbolzen 20 mit den
Radius ansteigen, womit sowohl der Temperaturgradient als auch die für eine gegebene
Temperaturänderung gespeicherte Wärme anwächst. Diese Wärmespeicherung in dem zylindrischen
Innenbereich 48 des Verbindungsbolzens 20 bewirkt, daß der Bolzen 20 sich axial
ausdeht, bevor die Wärme zu der angrenzenden Konstruktion abgeleitet wird.
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Es wurde festgestellt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der anfänglichen
Wärme für eine praktische Annäherung etwa bei 2,54 cm liro Minute liegt, wenn nieder
und mittel karbonierte Stähle Verwendung finden, und daß diese Ausl>reitungsgeschwindigkeit
im wesentlichen unabhängig von der Geschwindigkeit der Erwärmung und dem Temperaturgradienten
ist. Daraus ergibt sich, daß die Erwärntung des Verbindungsbolzens 20 während einer
in Minuten anzugebenden Zeitdauer zu erfolgen hat, bevor die Wärme Zeit hat, in
die umgebenden Konstruktionsteile, z. B. die Flansche abzufließen. Diese Zeitdauer
in Minuten entspricht numerisch etwa der Dicke des Bolzens in radialer Richtung.
Wenn natürlich der Verbindungsbolzen in thermischer Ilinsicht von der Umgebungskonstruktion
isoliert ist, dann ist es möglich, die Wärme sehr viel langsamer zuzuführen, um
damit gleichmäßigere Temperaturverteilungen im Bolzen zu erzielen.
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Aufgrund
Aufgrund der zugeführten Wärme wird der
Verbindungsbolzen 20 auch in radialer Richtung eine gewisse Ausdehnung gleichzeitig
mit der axialen Ausdehnung erfahren. Diese radiale Ausdehnung kann durch eine geeignete
Auswahl der Toleranzen für die Gewinde durchmesser und die Tol£'ranzabstände der
Gewindegänge voneinander sowohl des Bolzens als auch der Muttern 22 kottipensiert
werden, so daß eine begrenzte radiale Ausdehnung niöglich ist, toltite daß sich
die Gewindeabschnitte 26 bzw. 28 mit den zugeordneten Muttern beim Anziehen derselben
verklemmen, wenn die Muttern nach den Erhitzen des Verbindungsbolzens 20 fest angezogen
wertlelt. Das hierbei zu beachtende Problem ist nicht der Eingriff der Gewindegänge,
sondern die Tatsache, dal sich der Bolzen radial innerhalb der Mutter ausdehnt und
dabei eine Verlklemmung entsteht, die das Anziehen der Muttern erschwert oder unmöglich
macht. Aus diesem Grund sollte das ntit dem (lewill(le versehene Ende des elektrischen
Leiters 30 in eiiieitt gewisseit Altstan<l volt <ler Stirnfläche <les Bolzens
mit diesem in der Längsbohrung 32 verschraubt sein, um sicherzustellen, daß die
in den Gewindeabschnitt abfließende Wärme auf ein vernünftiges Rlnß begrenzt ist.
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In Fällen, bei denen sehr hohe Stromdichten Anwendung finden, kann
es wünschenswert und notwendig sein, daß durch den elektrischen Leiter 32 über eine
zentrale Bohrung 82 (Fig. 2 und 5) eine Kühlflüssigkeit geleitet wird. l3ei der
L>arstellung gemäß Fig. 2 ist die zentrale Bohrung 82 Illit einer Kiihlleitung
84 verbunden, über welche die Kühlflüssigkeit, z. t3. Wasser, zugeführt wird. Dieselbe
Kühlflüssigkeit kann auch zur Kühlung <les Schweißtransformators, d. h. der Wechselstromquelle
42, Verwendung finden. Zu dieselll Zweck wird die Kühlflüssigkeit über eine nicht
dargestellte Leitung im Innern der Wechselstromquelle geführt und in Serie zur zentralen
Bohrung 82 geschaltet. Die Ableitung der Kühlflüssigkeit aus dem elektrischen
elektrischen
Leiter kann über eine Leitung 88 am unteren Ende des ebenfalls mit einer zentralen
Bohrung versehenen Spannbolzens 50 erfolgen.
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Als Wechselstromquelle findet, wie bereits erwähnt, ein Schweißtransformator
Verwendung, dessen Leistungsabgabe in einem Bereich von etwa 10 % regelbar sein
kann. Der Schweißtransformator selbst kann von einer weiteren Wechselstromquelle
aus angesteuert werden, deren Leistungsabgabe bis zu etwa 50% der maximalen Leistung
regelbar ist.
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Der Schweißtransformator ist zweckmäßigersweise auch mit geeigneten
Abgriffen versehen, so daß die Spannung des zugeführten Wechselstromes den Gegebenheiten
angepaßt werden kann.
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Der Leistungsfaktor des in magnetisierbarem Stahl fließenden Stromes
wird bei einer Formgebung wie bei dem Verbindungsbolzen 20 in der Größenordnung
zwischen etwa 86 und 88 % angenommen, so daß sich für die Aufwärmung ein verhältnismäßig
guter Wirkungsgrad ergibt. Der größte Teil der Wärme wird im Stahl selbst erzeugt,
wobei keine nennenswerten Oberflächen-Wärmeübertragungskoeffizienten eine Rolle
spielen und somit die Erfindung und die vorgesehene Einrichtung in sehr vorteilhafter
Weise zum Aufheizen von großen Verbindungsbolzen mit einer Geschwindigkeit erfolgen
kann, die bei bisher üblichen Methoden nicht erzielbar ist.
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Patentansprüche