DE3418473C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindung zwischen zwei mit Anlageflächen aneinander stoßenden, thermisch hochbe­ lasteten Körpern, wie Rohre, Ringe, Scheiben, Platten der im Oberbegriff des Anspruches 1 definierten Art.

Verbindungen dieser Art sind beispielsweise als dichtende Flanschverbindungen zweier Rohre innerhalb einer Pipeline bekannt (US-PS 15 14 052). Jeder Flansch trägt bei dieser Lösung zwei konzentrische, axial vorstehende Ringe, die radial derart unterteilt sind, daß sich in jedem Ring axiale Erhebungen und Vertiefungen zinnenartig längs des Ringumfanges abwechseln. Die Erhebungen und Vertiefungen des einen Ringes liegen, radial gesehen, auf Lücke zu de­ nen des anderen Ringes, die Grenzflächen der Vertiefungen und Erhebungen beider Ringe also jeweils auf gemeinsamen radialen Strahlen. Zur Abdichtung liegt in dem Radial­ bereich zwischen den konzentrischen Ringen eine Ringdich­ tung.

Werden zur Montage zweier derartig ausgerüsteter Rohre diese über ihre Flansche verspannt, so greifen die Erhe­ bungen der beiden koaxialen Ringe des anderen Flansches und umgekehrt formschlüssig ein. Zwangsläufig führt dies zu einer gewissen Zentrierung der beiden Rohre gegenein­ ander, da sich ein gewisser Einspanneffekt ergibt. Der Einspannwinkel ist dabei gleich der durch den Radius der Kreisbahn dividierten Bogenlänge der Erhebungen. Er ist bei beiden Kreisringen gleich groß. Tritt nun eine Erwär­ mung der Rohre oder Flansche ein, so erfahren die Erhe­ bungen auch in Umfangsrichtung Längenänderungen und ver­ spannen sich damit. In besonderem Maße würde dies eintre­ ten bei Verwendung von Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten für die über die Flanschver­ bindung zu verschraubenden Rohre. Die Folge solcher Ver­ spannungen wären unkontrolliere Verschiebungen, die zu einer Desaxierung bezüglich der Rohrachsen führen. Insbe­ sondere für Materialien, die eine gewisse Sprödheit auf­ weisen, wie etwa Keramik, sind damit Verbindungen der vorgeschilderten Art unbrauchbar.

Es sind desweiteren Flanschverbindungen zwischen zwei Rohren mit unterschiedlichen Wärmedehnzahlen, die stirn­ seitig zusammenstoßen, bekannt (DE-AS 11 86 703), bei de­ nen die axiale Verspannung durch Schrauben und Klemm­ einrichtungen bewirkt wird, die an Flanschflächen des ei­ nen und anderen Rohres angreifen, die in einer durch die Stoßfläche der beiden Rohre bestimmten Ebene liegen. Eine solche Flanschverbindung verhindert bei ungleicher Wärme­ dehnung der beiden Rohre eine Trennung und damit ein Un­ dichtwerden an der Stoßfläche der beiden Rohre.

Eine solche Flanschverbindung kann jedoch nicht verhin­ dern, daß bei Wärmedehnungen des Rohres, die ja auch in Radialrichtung erfolgen, Desaxierungen der Rohre eintre­ ten.

Der Erfindung liegt in Ausgestaltung einer Verbindung ge­ mäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 die Aufgabe zugrunde, die eine Desaxierung der miteinander verbundenen Körper in­ folge von Wärmedehnungen der Körper im Verbindungsbereich verhindert.

Erreicht wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Bei der erfindungsgemäßen Verbindung hat jedes Zentrier­ element nur eine einzige Zentrierfläche. Die einzelnen Zentrierflächen liegen jeweils paarweise in einzelnen, gegeneinander verdreht angeordneten radialen Fluchtlinien und die Zentrierelemente haben nur in diesen Fluchtlinien jeweils Berührung zueinander. Die übrigen Seitenflächen der jeweiligen Zentrierelemente liegen frei, so daß an diesen auch bei Erwärmung gegenüber der Umgebung keine Verspannung stattfinden kann. Dies gilt auch radial, so daß radiale Verschiebungen gegeneinander möglich sind, die diesbezüglichen Fluchtlinien aber räumlich fest und un­ verändert bleiben. Da die Fluchtlinien um gleiche Dreh­ winkel gegeneinander versetzt sind, bleibt auch der Zen­ tralpunkt in Ruhe und eine Desaxierung oder Dezentrierung der Körper wird so zuverlässig unterbunden. Von besonderem Vorteil ist dies bei zu verbindenden Körpern aus Werk­ stoffen mit sehr unterschiedlichen Wärmedehnzahlen, wie z. B. Metall und Keramik. Vorteile bringt die erfindungs­ gemäße Lösung aber auch bei spröden Körpern, die verspannungsempfindlich sind, wie etwa Keramik und die auf diese Weise ohne Bruchgefahr verbunden werden können.

Weitere Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung darge­ stellen Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Rohres mit dem zugehörigen Teil einer Verbindung,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht des Rohres mit zugeord­ netem Verbindungsteil in Fig. 1,

Fig. 4 und 5 jeweils eine Draufsicht zweier miteinander zu verbindenden Scheiben gemäß einem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 und 7 jeweils eine Seitenansicht der miteinander verbundenen Scheiben in Fig. 4 und 5.

Das in Fig. 1 zu sehende Rohr 10 als Beispiel für eine Verbindung zwischen zwei im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzten Körpern ist mit einem identisch ausgebil­ deten Rohr, das aus dem gleichen oder aus einem anderen Werkstoff bestehen kann, stirnseitig zu verbinden. Aus Gründen der Vereinfachung ist auf die Darstellung des zweiten identischen Rohres verzichtet. Die beiden Rohre sind fluchtend so aufeinander zu setzen, daß die beiden Anlageflächen, für das Rohr 10 mit 11 bezeichnet, in einer in Fig. 1 angedeuteten gemeinsamen Ebene 12 an­ einanderstoßen. Die beiden Rohre werden in Achsrichtung, also rechtwinklig zur Ebene 12, miteinander verspannt.

Die Verbindung weist an jedem Rohr jeweils drei am Umfang um 120° versetzt angeordnete identisch ausgebildete Flansch­ elemente 13 auf, die zum Außenrand hin in Richtung der Anlagefläche 11 stufenartig vorspringen. Die Vorsprünge 14 sind dabei derart ausgebildet, daß die dem Rohr 10 zugekehrten hinteren Flanken 141 der Vorsprünge 14 exakt in der Ebene 12 liegen. Bei aneinandergesetzten Rohren liegen jeweils zwei Flanschelemente 13, die verschiedenen Rohren zugehörig sind, mit Tangentialspiel in Umfangsrich­ tung aneinander, so daß alle Flanken 141 in der Ebene 12 liegen. An jeweils einer hinteren Flanke 141 zweier nebeneinander liegender Flanschelemente 13, die jeweils einem der beiden zu verbindenden Rohre zugehörig sind, greift eine Schulter einer hier nicht gezeigten Schrau­ ben- oder Klemmeinrichtung an, wodurch die Anlageflächen 11 der beiden Rohre aufeinander gepreßt werden. Durch die beschriebene Ausbildung der Flanschelemente 13 liegen die Angriffsflächen der Schrauben- oder Klemmvorrichtung an den beiden Rohren in der Ebene 12, so daß die Verspan­ nung in bekannter Weise eine Einspannlänge "Null" auf­ weist. Wärmeausdehnungen der Rohre führen selbst bei Rohren aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Dehnungs­ zahlen nicht zum Trennen der Rohre in der Ebene 12. Bei Zwischenlage einer Dichtung zwischen den beiden Anlage­ flächen sind die verbundenen Rohre an der Stoßstelle auch bei großen Temperaturschwankungen zuverlässig dicht.

Um bei Wärmeausdehnung auch ein Dezentrieren der Rohre zu verhindern, weist die Verbindung eine zweiteilige zwischen den Rohren wirksame Zentriervorrichtung 15 auf, von welcher jeder Teil identisch ausgebildet und an einem zu verbindenden Rohr angeordnet ist. Im folgen­ den wird nur der am Rohr 10 angeordnete Teil der Zen­ triervorrichtung 15 beschrieben. Für den anderen Teil der Zentriervorrichtung 15 gilt Entsprechendes.

Am Rohr 10 sind nahe der Anlagefläche 11 drei längs einer ersten Kreisbahn 16 (Fig. 3) und drei längs einer zweiten Kreisbahn 17 jeweils um 120° gegeneinander ver­ setzte Zentrierelemente 18 bzw. 19 angeordnet. Die Zen­ trierelemente 18, 19 sind als rechteckförmige Zapfen 20, 21 ausgebildet, die paarweise, d. h. als jeweils zwei verschiedenen Kreisbahnen 16, 17 zugehörige Zapfen 20, 21, auf einem Flanschsegment 22 mit diesem einstückig angeord­ net sind und von diesem in Axialrichtung abstehen (Fig. 1 und 2). Die Flanschsegmente 22 sind von der Anlagefläche 11 etwas zurückversetzt angeordnet und die Zapfen 20, 21 ragen etwa in gleicher Länge über die Anlagefläche 11 des Rohres 10 vor. Die Kreisbah­ nen 16, 17 sind konzentrisch angeordnet. Ihre Durch­ messer und die radiale Abmessung der Zapfen 20, 21 sind so gewählt, daß die Zapfen 21 auf der inneren Kreisbahn 17 die Kreisbahn 16 nicht schneiden.

Jedes Zentrierelement 18, 19 oder Zapfen 20, 21 weist eine rechtwinklig zur Anlagefläche 11 und in Radial­ richtung sich erstreckende Zentrierfläche 23, 24 auf. Die Zentrierflächen 23, 24 der auf einem Flanschseg­ ment 22 angeordneten beiden Zentrierelemente 18, 19 fluchten miteinander, liegen also in der gleichen radialen Fluchtlinie 25. Das eine Zentrierelement 18 liegt dabei auf der einen und das andere Zentrierele­ ment 19 auf der anderen Seite der Fluchtlinie. Die Zentrierelemente 19 auf der inneren Kreisbahn 17 sind damit um die tangentiale Abmessung der Zentrierelemente 18 auf der Kreisbahn 16 gegenüber letzteren verdreht angeordnet.

Wird das zweite Rohr mit dem identisch ausgebildeten Teil der vorstehend beschriebenen Zentriervorrichtung 15 in der beschriebenen Weise auf das Rohr 10 axial aufgesetzt, so liegen die Flanschsegmente 22 von beiden Rohren in Axialrichtung gesehen hintereinander und jeweils zwei Zentrierelemente 18, 19 bzw. Zapfen 20, 21, die ver­ schiedenen Rohren zugehörig sind, sind in Radialrich­ tung hintereinander angeordnet. Die radiale Breite der Zentrierelemente 18, 19 bzw. Zapfen 20, 21 ist so bemessen, daß in Radialrichtung zwischen hinter­ einanderliegenden Zentrierelementen 18, 19 ein Radial­ spiel verbleibt, das mindestens so groß ist, daß bei maximaler Temperaturbelastung der Rohre kein Verspan­ nen der Zentrierelemente 18, 19 in Radialrichtung erfolgt. In Umfangsrichtung stoßen jeweils im Bereich zweier aufeinanderliegender Flanschsegmente 22 der beiden Rohre insgesamt vier Zentrierelemente, jeweils zwei Zentrierelemente 18 und zwei Zentrierelemente 19, so aneinander, daß in jeder Kreisbahn 16, 17 zwei Zen­ trierflächen 23, 24 aneinanderliegen. Jeweils zwei Zentrierflächen 23, 24 von in Radialrichtung aneinander­ liegenden Zentrierelementen 18, 19 sind verschiedenen Rohren zugehörig. Bei Wärmeausdehnung der beiden Rohre bleiben somit die Fluchtlinien 25 räumlich fixiert, und da die Fluchtlinien um 120° gegeneinander versetzt liegen, bleiben auch die Achsen der beiden Rohre in Ruhe. Eine Dezentrierung der Rohre gegeneinander bei Wärmeausdeh­ nung ist damit sicher vermieden.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der Zentrier­ vorrichtung 15 zur Aufrechterhalten der Zentrierung zweier miteinander verbundener Körper dargestellt, die bevorzugt bei Flachkörpern verwendet wird. Im vorlie­ genden Ausführungsbeispiel sind zwei Scheiben 30, 30′ miteinander zu verbinden. Jede Scheibe trägt einen iden­ tischen Teil der Zentriervorrichtung 15. In Übereinstim­ mung mit dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind an der Anlagefläche 31 bzw. 31′, und zwar diesmal in der Anlagefläche 31 bzw. 31′ selbst, längs der ersten Kreisbahn 16 und längs der zweiten konzentrischen Kreis­ bahn 17 wiederum jeweils drei um 120° gegeneinander ver­ setzte Zentrierelemente 18, 19 angeordnet. Die Zentrier­ elemente sind hier als rechteckige Flachnocken 32, 33 ausgebildet. Auch sie weisen wiederum rechtwinklig zur Anlagefläche 31 sich erstreckende Zentrierflächen 23, 24 auf. Die Zentrierelemente 18, 19 in den beiden Kreis­ bahnen 16, 17 sind wiederum so gegeneinander verdreht, daß die Zentrierflächen 23, 24 paarweise in einer Flucht­ linie 25 liegen. Abgesehen davon, daß die Zentrierele­ mente 18, 19 als Flachnocken 32, 33 ausgebildet sind und in der Anlagefläche 31 selbst angeordnet sind, sind Ausbildung, Anordnung und Wirkungsweise der Zen­ trierelemente 18, 19 identisch mit den zu Fig. 1-3 be­ schriebenen. Auf eine weitergehende Beschreibung kann daher verzichtet werden. In der Scheibe 30′, die iden­ tisch der Scheibe 30 ausgebildet ist, sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, die zur Unterscheidung mit einem Beistrich versehen sind.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich, sind die beiden Scheiben 30, 30′ mit ihren Anlageflächen 31, 31′ aufeinander gelegt, wobei jeweils die Flachnocken 32, 33 der Scheibe 30 auf der Anlagefläche 31′ der Scheibe 30′ aufliegen und umgekehrt. Zwischen den beiden Scheiben 30, 30′ bleibt damit ein Spalt, der der Höhe der Flachnocken 32, 33 entspricht. Die die beiden Scheiben 30, 30′ zusammenhaltende Verspan­ nung wird durch eine Schraubenverbindung 34 realisiert, die die beiden Scheiben durchdringt und in Fig. 6 durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 und 7 unterscheidet sich von der in Fig. 4 und 6 nur dadurch, daß zu jedem Flach­ nocken 32, 33 eine Vertiefung 35, 36 in der Anlagefläche 31 spiegelsymmetrisch angeordnet ist, wobei die Flucht­ linien 25 die Symmetrieachsen bilden. Die Abmessungen der Vertiefungen 35, 36 sind in axialer, radialer und tangen­ tialer Richtung um die max. Dehnungsunterschiede größer als die ent­ sprechenden Abmessungen der Flachnocken 32, 33, so daß die entsprechenden Flachnocken 32′, 33′ der identisch ausgebildeten zweiten Scheibe 30′ in die Vertiefungen 35, 36 und die Flachnocken 32, 33 der Scheibe 30 in die entsprechenden Vertiefungen 35′ und 36′ der Scheibe 30′ hineinragen. Dadurch wird erreicht, daß die Anlageflä­ chen 31, 31′ der Scheiben 30, 30′ nach Verbindung mit­ einander plan aneinanderliegen (Fig. 7). Die Vertie­ fungen 35, 36 sind lediglich zur Unterscheidung von den Flachnocken 32, 33 strichliniert eingezeichnet.

Claims (7)

1. Verbindung zwischen zwei mit Anlageflächen aneinander­ stoßenden, thermisch hochbelasteten Körpern, wie Rohre, Ringe, Scheiben, Platten, mit einer die Körper zusammenhaltenden Verspannungseinrich­ tung und mit über die einander zugekehrten Anlage­ fläche vorstehenden, in Radialrichtung und recht­ winkelig zu den Anlageflächen sich erstreckende Zentrierflächen tragenden Zentrierelementen, von denen an jedem Körper mindestens drei längs einer ersten Kreisbahn und mindestens drei längs einer dazu konzentrischen zweiten Kreisbahn um gleiche Drehwinkel gegeneinander versetzt und in den beiden Kreisbahnen zueinander um einen Drehwinkel ver­ dreht derart angeordnet sind, daß die Zentrierflä­ chen paarweise fluchten und die Zentrierelemente beidseitig der Fluchtlinien liegen, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Zentrierele­ ment (18, 19) nur eine einzige Zentrierfläche (23, 24) besitzt und daß jedes Zentrierelement (18, 19) des einen Körpers (10; 30, 30′) an nur einem einzigen Zen­ trierelement (18, 19) des anderen Körpers (10; 30, 30′) über die beiderseitigen Zentrierflächen (23, 24) an­ liegt und mit seinen übrigen in Radial- und Umfangs­ richtung sich erstreckenden Seitenflächen zu weiteren Zentrierelementen (18, 19) einen Abstand einhält, der größer ist als der bei maximaler Temperaturdiffe­ renz auftretende Dehnungsunterschied der Zentrier­ elemente (18, 19).

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Durchmesser der Kreis­ bahnen (16, 17) und die Radialausdehnungen der Zentrier­ elemente (18, 19) so bemessen sind, daß zwischen zwei in Radialrichtung hintereinanderliegenden Zentrier­ elementen (18, 19), von welchen jeweils eines einem der beiden Körper (10; 30, 30′) zugeordnet ist, ein Radialspiel vorhanden ist, das mindestens gleich der Längendifferenz zwischen der Radialausdehnung der beiden Körper (10; 30, 30′) bei maximaler Be­ triebstemperatur ist.

3. Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierele­ mente (18, 19) materialgleich mit dem Körper (10; 30, 30′) und vorzugsweise einstückig mit diesem sind.

4. Verbindung nach einem der Ansprüche 1-3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zentrierelemente (18, 19) von rechteckförmigen Zapfen (20, 21) gebildet sind, die auf am Umfang des zylinderförmigen Körpers (10) um 120° versetzt angeordneten Flanschsegmenten (22) mit diesen vor­ zugsweise einstückig angeordnet sind und von diesen in Axialrichtung abstehen.

5. Verbindung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Flanschsegmente (22) von der Anlagefläche (11) zurückversetzt am Körper (10), vorzugsweise damit einstückig angeordnet sind und daß die Zapfen (20, 21) über die Anlagefläche (11) vorstehen.

6. Verbindung nach einem der Ansprüche 1-3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zentrierelemente (18, 19) in der Anlagefläche (31, 31′) selbst angeordnet sind und von an der Anlagefläche (31, 31′) abstehenden etwa rechteckigen Flachnocken (32, 33; 32′, 33′) gebildet sind.

7. Verbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem Flach­ nocken (32, 33; 32′, 33′) eine Vertiefung (35, 36, 35′, 36′) in der Anlagefläche (31, 31′) spiegelsymmetrisch ange­ ordnet ist, wobei die Fluchtlinie (25, 25′) die Symmetrieachse bildet, und daß die Abmessungen der Ver­ tiefungen (35, 36, 35′, 36′) mindestens um die max. Dehnungsunterschie­ de größer als die entsprechenden Abmessungen der Flach­ nocken (32, 33, 32′, 33′) sind.