DE3742073C2

DE3742073C2 -

Info

Publication number: DE3742073C2
Application number: DE19873742073
Authority: DE
Inventors: Franz Xaver Dr.-Ing. 8183 Rottach-Egern De Pitschi
Original assignee: Spinner GmbH
Current assignee: Spinner GmbH
Priority date: 1986-12-23
Filing date: 1987-12-11
Publication date: 1989-07-20
Also published as: DE3742073A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Koaxialleitungsabschnitt bestehend aus einem beidseitig mit Verbindungsflanschen ausgestatteten Außenleiter, der zumindest an seinen beiden Enden eine Isolierstoffstütze umschließt, die eine zentrale Bohrung zur Aufnahme eines Innenleiter- Kupplungsstücks hat, das in einem Tragring endet, der von einem Federlamellenkranz umgeben ist, der ein Innenleiterrohr kontaktiert und dessen thermische Dehnun gen zuläßt.

Werden über Koaxialleitungen, die aus Abschnitten mit dem vorstehend genannten, bekannten Aufbau bestehen, sehr hohe HF-Leistungen übertragen, so erwärmen sie sich beträchtlich. Der Innenleiter nimmt hierbei naturgemäß eine wesentlich höhere Übertemperatur an als der Außenleiter. Beispielsweise kann bei einer Leistung von 15 MW und einer Umgebungstemperatur von 40°C ein aus Kupfer bestehender Innenleiter eine Temperatur von 250°C und mehr und ein aus Aluminium bestehender Außenleiter eine Temperatur von 110°C und darüber errei chen. Hierdurch werden erhebliche thermische Dehnungen verursacht. Da die Dehnung des Innenleiters wesentlich größer als die des Außenleiters ist, sind die den Innenleiter kontaktierenden Federlamellenkränze jedes Leitungsabschnitts ausreichend lang dimensioniert um die stärkere Dehnung des Innenleiterrohres aufzunehmen, ohne daß auch unter Berücksichtigung von Herstellungs- und Montagelängentoleranzen Zwangskräfte entstehen können. Bei einer mittleren Länge eines Abschnittes von beispiels weise 5 m ergibt sich unter Berücksichtigung dieser Überlegungen für die Federlamellen eine bis zu einige cm betragende Länge der Federlamellen, da nicht einmal bei waagerechter Verlegung des Leitungsabschnitts davon ausgegangen werden kann, daß die Dehnung des Innen leiterrohres sich auf seine beiden Enden gleichmäßig ver teilt, daß also die den Schwerpunkt enthaltende Quer schnittsmittelebene des Innenleiterrohres ortsfest bleibt. Noch viel weniger gilt dies bei schräger oder gar senkrechter Verlegung des Leitungsabschnitts. Es muß also davon ausgegangen werden, daß das Innenleiterrohr sich entweder bereits bei der Verlegung des Leitungs abschnittes oder im Verlauf mehrerer Einschaltzyklen mit seinem einen Ende vollständig über den betreffenden Federlamellenkranz legt und daß der andere Federlamellen kranz alle Montagetoleranzen und die gesamte thermische Dehnung ausgleichen muß. Hierbei darf das betreffende Ende des Innenleiterrohres selbstverständlich auch bei der niedrigsten Umgebungstemperatur nicht von dem Federlamellenkranz freikommen. Diese Gegebenheiten sind jedoch einer sicheren Kontaktierung zwischen dem Innen leiterrohr und den jeweiligen Innenleiter-Kupplungsstücken abträglich, da der verfügbare Federweg in Richtung auf die Wurzeln der Federlamellen abnimmt, hingegen die Federkraft in Richtung auf die freien (tragringseitigen) Enden der Lamellenfedern abnimmt. Eine absolut sichere Kontaktierung über den gesamten Innenleiterumfang ist jedoch gerade bei sehr hohen übertragenen HF-Leistungen unerläßlich, ergibt sich aber aus den genannten Gründen nur im mittleren Bereich der Lamellenfedern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Koaxialleitungsabschnitt der einleitend genannten Art zu schaffen, bei dem sich unabhängig von der Einbaulage des Abschnittes die thermischen Dehnungen des Innenleiter rohres weitgehend gleichmäßig auf dessen beide Enden verteilen, so daß die Querschnitts-Mittelebene oder der Schwerpunkt des Innenleiterrohres in jedem Betriebszustand weitgehend ortsfest bleibt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Durch diese Lösung wird erreicht, daß die Summe der thermischen Dehnungen einerseits der Verschiebungs ausgleichselemente, andererseits des zwischen deren Festpunktlagern liegenden Stücks des Innenleiterrohres höchstens gleich der thermischen Dehnung des Außenleiters ist und sich gewünschtenfalls etwas kleiner als diese bemessen läßt, um beispielsweise auch die - in absoluten Beträgen allerdings geringe - thermische Dehnung der Innenleiter-Kupplungsstücke berücksichtigen zu können. Im Ergebnis bleibt daher ein vorgegebener Toleranzspalt zwischen dem freien Ende des einen Verschiebungsaus gleichselementes und der gegenüberliegenden Stirnfläche des zugehörigen Tragringes bei jeder Temperatur des Leitungsabschnittes im wesentlichen konstant, wenn man den ungünstigsten Fall annimmt, daß das andere Ver schiebungsausgleichselement mit seinem freien Ende an der Stirnseite des anderen Tragrings als Anschlagfläche anliegt. Das Innenleiterrohr kann sich also aus seiner geometrischen Mittellage zwischen den beiden Innenleiter- Kupplungsstücken höchstens um die Hälfte dieses Toleranz spaltes nach der einen oder anderen Richtung bewegen. Die Federlamellen können somit kürzer als bisher ausge legt werden und arbeiten stets in ihrem für eine optimale Kontaktierung günstigsten Bereich. Da sich beide Enden des Innenleiterrohres in gleichem Maße relativ zu den jeweiligen Federlamellenkränzen verschieben, ergibt sich auch eine an beiden Innenleiterrohrenden gleiche Selbst reinigung der kontaktierenden Flächen.

Bei einer bevorzugten, im Anspruch 2 angegebenen Ausführungs form bilden die beiden Verschiebungsausgleichselemente eine durchgehende, einstückige Einheit.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung dieser Ausführungs form ist Gegenstand des Anspruchs 3. Hierbei wird dem Um stand Rechnung getragen, daß in der Praxis häufig kein Werkstoff für die Verschiebungsausgleichselemente zur Verfügung steht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient ge nau den Wert hat, der sich aus der im Anspruch 2 an gegebenen Beziehung errechnet. Man wählt dann den Werkstoff mit dem nächstliegenden, größeren Wärme ausdehnungskoeffizienten und sieht zusätzlich zu dem Toleranzspalt s den im Anspruch 3 genannten Grundspalt s _o vor, der die gegenüber dem rechne rischen Wert etwas größere Wärmedehnung der Ver schiebungsausgleichselemente aufnimmt. Ein gering fügiger Zuschlag zu dem gemäß der Gleichung (3a) in Anspruch 3 errechneten Wert für den Grundspalt s _O kann empfehlenswert sein, um zusätzlich auch zu berücksichtigen, daß die Temperatur des Innenleiter rohres normalerweise schneller ansteigt und langsamer abfällt als diejenige des Außenleiters.

Abhängig von der - grundsätzlich beliebigen - Querschnittform und Einbaulage der Verschiebungsaus gleichselemente kann es erforderlich sein, gemäß Anspruch 4 zusätzliche Loslager zwischen den Ver schiebungsausgleichselementen und dem Innenleiterrohr vorzusehen.

Mit der Ausgestaltung gemäß Anspruch 5 wird verhindert, daß der Innenraum des Innenleiterrohrs in Resonanz kommt.

Die im Anspruch 6 genannte Ausgestaltung der Verschie bungsausgleichselemente als Profilstäbe wird bevorzugt, da sie fertigungstechnisch einfach sowie vor allem gewichtssparend ist. Der letztgenannte Gesichtspunkt ist vor allem bei waagerechtem oder annähernd waage rechtem Leitungsverlauf wichtig, um bei den häufig beträchtlichen Längen der Abschnitte den Durchgang des Innenleiterrohres auf ein akzeptables Maß zu begrenzen.

In der Zeichnung ist ein Koaxialleitungsabschnitt nach der Erfindung in einer beispielsweise gewählten Ausführungsform schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt in verkürzter Darstellung, und zwar links bei Betriebstemperatur und rechts im kalten Zustand des Leitungsabschnitts.

Fig. 2 einen Querschnitt gemäß der Linie A-A in Fig. 1

Fig. 3 einen Querschnitt gemäß der Linie B-B in Fig. 1.

Der dargestellte Koaxialleitungsabschnitt besteht in bekannter Weise aus einem Außenleiter 1 mit beid seitigen Verbindungsflanschen 2 a und 2 b, die mit den entsprechenden Verbindungsflanschen der beid seitig anschließenden Leitungsabschnitte verschraubt sind. Im Bereich der Verbindungsflansche, im zeich nerisch dargestellten Beispiel in den Verbindungs flanschen der jeweils anschließenden Leitungsabschnitte, sind Isolierstoffstützen 3 angeordnet, die eine zen trale Bohrung zur Aufnahme von Innenleiter-Kupplungs stücken 4 haben, die ein verkürzt dargestelltes Innenleiterrohr S kontaktieren. Hierzu besitzt jedes Innenleiter-Kupplungsstück an seinen beiden freien Enden (von denen in Fig. 1 nur das dem betreffenden Leitungsabschnitt zugehörige Ende dargestellt ist) einen Kranz aus Federlamellen 6, die radial nach außen vorgespannt sind und einen Tragring 7 umschließen, der die Last des Innenleiterrohres S aufnimmt und auf das Innenleiter-Kupplungsstück 4 überträgt sowie in im einzelnen nicht dargestellter Weise eine Feder wegbegrenzung für die Federlamellen 6 bildet, solange das Innenleiterrohr 5 auf den Federlamellenkranz noch nicht aufgeschoben ist.

In dem Innenleiterrohr 5 sind als Verschiebungsausgleichs elemente zwei Profilstäbe 10 a, 10 b angeordnet, deren innenliegende Enden mit dem Innenleiterrohr 5 über Festpunktlager bildende Nieten 11 verbunden, im übri gen jedoch über als Loslager wirkende Metallaschen 12 gegenüber dem Innenleiterrohr 5 längs verschiebbar ge führt sind und deren außenliegende, freie Enden den Stirnflächen 7 a der Tragringe 7 unter Freilassung eines Toleranzspaltes s (im betriebswarmen Zustand) bzw. eines Grundspaltes s _O (im kalten Zustand, rechts in Fig. 1) gegenüberstehen.

Im gezeichneten Beispiel sind die Profilstäbe 10 gleich lang und die Festpunktlager 11 im Abstand d voneinander symmetrisch zu der Querschnitts-Mittelebene Q angeordnet. Diese beiden Konstruktionsmerkmale sind jedoch keine notwendigen Bedingungen. Die Metallaschen 12 kontak tieren die Profilstäbe 10 elektrisch mit dem Innenleiter rohr 5 und sind in ausreichenden Abständen angebracht, um die Entstehung stehender Wellen zu verhindern, die anderenfalls durch denjenigen Teil des elektrischen Feldes angeregt werden können, der über Spalte, insbe sondere über die Schlitze zwischen den Lamellenfeldern 6, ins Innere des Innenleiterrohrs 5 eindringen kann. Werden über diesen Koaxialleitungsabschnitt sehr hohe HF-Leistungen übertragen, so führen die unvermeidbaren Verluste zu einer entsprechend starken Erwärmung, wobei das Innenleiterrohr 5 eine erheblich höhere Temperatur als der Außenleiter 1 annimmt. Das Innenleiterrohr 5 erfährt also eine stärkere thermische Dehnung als der Außenleiter 1 und schiebt sich unter der Annahme, daß der Leitungsabschnitt in Fig. 1 in kaltem Zustand dar gestellt ist, weiter über die Federlamellenkränze 6.

Die Summe der Verschiebungsstrecke läßt sich in be kannter Weise aus den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Außenleiterwerkstoffes und des Innenleiterwerk stoffes, den jeweiligen Übertemperaturen und den je weiligen Längen errechnen. Die Wärmedehnung der Innenleiter-Kupplungsstücke 4 kann wegen deren im Verhältnis zur Gesamtlänge des Leitungsabschnittes geringen axialen Länge im allgemeinen vernachlässigt werden. Die Profilstäbe 10 dienen als Verschiebungs ausgleichselemente, die sicherstellen, daß das Innen leiterrohr 5 sich während seiner Erwärmung in seinen beiden Enden nahezu gleichmäßig über die beiden Lamellenfederkränze 6 schiebt und nach seiner Ab kühlung wieder in die gezeichnete Lage oder in eine gegenüber dieser höchstens um den Grundspalt s _O ver schobene Lage gelangt, die Querschnitt-Mittelebene Q also bis auf einen Weg entsprechend dem Grundspalt s _O bei allen Betriebstemperaturen ortsfest bleibt. Dies ist dann gewährleistet, wenn die thermische Längen dehnung Δ L der zwischen den freien Enden der Profil stäbe 10 gemessenen Länge L ungefähr gleich der thermischen Dehnung l des Außenleiters 1 mit der Länge l bleibt. Sofern diese Beziehung nicht eingehal ten wird, verkleinert sich im einen Fall der Spalt s _O mit zunehmender Erwärmung bis auf Null oder es ent stehen sogar axiale Zwangskräfte, während sich im anderen Fall der Spalt s _O mit zunehmender Erwärmung vergrößert. Hierbei wird wiederum die thermische Dehnung der Innenleiter-Kupplungselemente als vernach lässigbar angenommen.

Läßt man zunächst die Spalte s _O bzw. s außer Betracht, darf mithin die Summe der thermischen Dehnungen der Profilstäbe 10 und des Innenleiterrohrabschnittes d _I nicht größer, aber auch nicht wesentlich kleiner als Δ l sein. Es gelten daher die beiden folgenden Be ziehungen:

2 · α _V · Δ t _I/U · l _V + α _I · Δ t _I/U · d _I ≦ α _A Δ t _A/U · l _A; (1)
2 · l _V + d _I ≈ l _I; (2)

Hierin bedeuten:

l _A die Länge des Außenleiters (1),
l _I die Länge des Innenleiterrohres (5),
l _V die Länge eines Verschiebungsausgleichs elements (10),
d _I den Abstand der Festpunktlager (11),
α _A den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Außenleiters (1),
α _I den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Innenleiters (5),
α _V den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Verschiebungsausgleichselemente (10),
Δ t _A/U die maximale Temperaturdifferenz zwischen dem Außenleiter und der Umgebung,
Δ t _I/U die maximale Temperaturdifferenz zwischen dem Innenleiter und der Umgebung.

Wählt man für die Profilstäbe ein Material mit einem im Verhältnis zu dem Ausdehnungskoeffizienten der üblichen Außenleiter- und Innenleiterwerkstoffe (z. B. Aluminium und Kupfer) kleinen Ausdehnungskoeffizienten, so lassen sich aus den beiden angegebenen Beziehungen die Längen der Profilstäbe 10 und der Abstand d _I und deren Fest punktlager 11 errechnen. Hieraus folgt gleichzeitig, daß die Profilstäbe nicht unbedingt gleich lang sein müssen und daß die Festpunktlager 11 nicht symmetrisch zur Querschnitts-Mittelebene Q angeordnet sein müssen. Die anhand der Beziehungen (1) und (2) bestimmten Längen der Profilstäbe sind dann um die nach Erfahrungswerten festgelegten Beträge der Toleranzspalte s zu vermindern. Es läßt sich rechnerisch allerdings leicht zeigen, daß für die erwähnten, häufig verwendeten Werkstoffe, nämlich Aluminium für den Außenleiter und Kupfer für das Innen leiterrohr, lediglich teure Sonderlegierungen einen hinreichend kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, um als Profilstäbe die Beziehungen (1) und (2) zu er füllen, und zwar selbst dann, wenn man anstelle der zwei in Fig. 1 dargestellten Profilstäbe 10 einen einzigen, durchgehenden Stab verwendet, der nur mittels eines einzigen Festpunktlagers in der Querschnitts mittelebene Q des Innenleiterrohres mit diesem verbun den ist. Da für diesen Fall d _i = 0 und l _I ≈ l _A ist, folgt aus (1) und (2), daß der einzige, durchgehende, als Verschiebungsausgleichselement dienende Stab aus einem Werkstoff bestehen sollte, dessen Wärmeaus dehnungskoeffizient a _V den Wert hat:

Setzt man in diese Beziehung den Wämeausdehnungsko effizienten von Aluminium a _A = 24 · 10^-6 K^-1 sowie Δ t _A/U = 20 K und Δ t _I/U = 60 K ein, so muß dieser Werkstoff einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von α _V = 1/3 α _A = 8 · 10^-6 K^-1 haben. Da der Einsatz einer Sonderlegierung mit diesem Wärmeausdehnungskoeffizien ten aus Kostengründen unzweckmäßig ist, wählt man stattdessen einen üblichen Werkstoff mit dem nächstge legenen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten, z. B. unlegierten Stahl mit α _{V ist} = 12 · 10^-6 K^-1. Die gegen über dem rechnerischen Wert zu große Wärmedehnung eines durchgehenden Stabes aus unlegiertem Stahl läßt sich nun durch einen beidseitigen, kleinen Grundspalt s _O aufnehmen, der sich - ohne Berücksichtigung des Toleranzspaltes s - errechnet zu

s _O ≧ (α _{V ist} - α _V) · l _V · Δ t _I/U; (3a)

Für die angegebenen Zahlenwerte und mit einer ange nommenen Länge des Koaxialleitungsabschnittes von rund 5 m, d. h., mit l _V ≈ 2500 mm ergibt sich aus der Beziehung (3a) s _O ≧ 0,6 mm.

Claims

1. Koaxialleitungsabschnitt, bestehend aus einem beid seitig mit Verbindungsflanschen ausgestatteten Außenleiter, der zumindest im Bereich seiner beiden Enden je eine Isolierstoffstütze umschließt, die eine zentrale Bohrung zur Aufnahme eines Innenleiter- Kupplungsstücks hat, das in einem Tragring endet, der von einem Federlamellenkranz umgeben ist, der ein Innenleiterrohr kontaktiert und dessen thermische Dehnungen zuläßt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Innenleiterrohr (5) zwei Verschiebungsausgleichselemente (10) angeordnet sind, deren innenliegende Enden mit dem Innenleiter rohr über Festpunktlager (11) verbunden sind und deren außenliegende, freie Enden zusammen mit den Stirnflächen (7 a) der jeweiligen Tragringe (7) An schlagflächen bilden, und daß die Verschiebungsaus gleichselemente (10) die folgenden Beziehungen er füllen: 2 · α _V · Δ t _I/U · l _V + α _I · Δ t _I/U · d _I ≦ a _A Δ t _A/U · l _A; (1)
2 · l _V + d _I ≈ l _I; (2)Hierin bedeuten:l _A die Länge des Außenleiters (1),
l _I die Länge des Innenleiters (5),
l _V die Länge eines Verschiebungsausgleichselements (10),
d _I den Abstand der Festpunktlager (11),
α _A den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Außenleiters (1),
α _I den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Innenleiters (5),
α _V den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Verschiebungsausgleichselemente (10),
Δ t _A/U die maximale Temperaturdifferenz zwischen dem Außenleiter und der Umgebung,
Δ t _I/U die maximale Temperaturdifferenz zwischen dem Innenleiter und der Umgebung.

2. Koaxialleitungsabschnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Verschiebungsausgleichs elemente einstückig miteinander sowie über ein gemein sames, in der Querschnitts-Mittelebene (Q) angeordnetes Festpunktlager mit dem Innenleiterrohr verbunden sind und aus einem Werkstoff bestehen, der die folgende Be ziehung erfüllt:

3. Koaxialleitungsabschnitt nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß bei einstückiger Ausbildung der Ver schiebungsausgleichselemente (10) aus einem Werkstoff, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient α _{V ist} größer als α _V nach Gleichung (3) ist, die Länge dieser Verschie bungsausgleichselemente so bemessen ist, daß zwischen ihren jeweiligen freien Enden und den diesen gegenüber liegenden Stirnflächen (7 a) der Tragringe (7) im kalten Zustand der Koaxialleitung ein Grundspalt s _O ver bleibt, der nach folgender Beziehung ermittelt ist: s _O ≧ (α _{V ist} - α _V) · l _V · Δ t _I/U; (3a)

4. Koaxialleitungsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebungs elemente (10) zusätzlich über Loslager (12) mit dem Innenleiterrohr (5) verbunden sind, die eine unge hinderte axiale Verschiebung des Innenleiterrohrs (5) gegenüber den Verschiebungsausgleichselementen (10) zulassen.

5. Koaxialleitungsabschnitt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Loslager (12) die Verschie bungsausgleichselemente (10) mit dem Innenleiter rohr (5) kontaktieren.

6. Koaxialleitungsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschie bungsausgleichselemente aus Profilstäben (10) be stehen.