-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Befestigungsanordnung für ein geteiltes
Gehäuse.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Befestigungsanordnung,
die insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn sie beispielsweise zum
Ausbilden von Gehäusen
für hydraulische
Maschinen wie etwa Turbinen und Kompressoren als flanschlose Gehäuse verwendet
wird.
-
2. Beschreibung des Stands
der Technik
-
Ein
horizontal geteilter Gehäuseaufbau
wird üblicherweise
als Gehäuse
von Turbinen und Kompressoren verwendet. In dem horizontal geteilten
Gehäuseaufbau
ist ein Gehäuse
in zwei Segmente mittels einer Ebene inklusive dessen zentraler
Achse unterteilt. Üblicherweise
ist jedes Gehäusesegment (Gehäusehälfte) mit
plattenähnlichen
Flanschen versehen, die eine vergleichsweise große Dicke am Verbindungsabschnitt
des Gehäuses
aufweisen. Die Gehäusehälften werden
durch Verbinden und Befestigen der Flansche durch Befestigungsbolzen
miteinander verbunden.
-
7 illustriert
eine Befestigungsanordnung eines konventionellen, horizontal geteilten
Gehäuses mit
Flanschen. 7 zeigt einen Schnitt senkrecht zur
Achse des Gehäuses.
-
In 7 kennzeichnet
das Bezugszeichen 100 ein Gehäuse, das aus zwei Gehäusehälften 110a und 120a besteht. 110b und 120b kennzeichnen Flansche,
die an den Verbindungsabschnitten der Gehäusehälften 110a und 120a vorgesehen
sind. Die Flansche 110b und 120b werden mittels
einer Vielzahl von Befestigungsbolzen 115 miteinander verbunden.
Jeder der Befestigungsbolzen ist mit einem Bolzenkopf 115d an
dessen einem Ende und einem Schraubengewinde 115a an dessen
anderen Ende versehen. Mit Gewinde versehene Bolzenlöcher 120c,
die mit den Gewinden 115a der Bolzen 115 in Eingriff
stehen, sind am Flansch 120b an einer der Gehäusehälften 120a vorgesehen.
Darüber
hinaus ist der Flansch 110b der anderen Gehäusehälfte 110a mit
Bolzenlöchern 110c versehen.
Um die zwei Gehäusehälften 110a und 120a miteinander
zu verbinden, werden die Befestigungsbolzen 115 in die Bolzenlöcher 110c der
Gehäusehälfte 110a eingesetzt
und die Gewinde 115a des Bolzens 115 werden in
die mit Gewinde versehenen Bolzenlöcher 120c an den Flanschen 120b der
Gehäusehälfte 120a eingeschraubt,
bis die Bolzenköpfe 115b gegen
die obere Fläche
des Flanschs 110b drücken.
Durch ein Anziehen des Befestigungsbolzens 115 werden die
Flansche 110b und 120b fest gegeneinander durch
die Bolzenköpfe 115d und
die Schraubengewinde 115a des Bolzens 115 gedrückt. In
diesem Zustand wird die Zugkraft auf den Schaft des Bolzens durch
Anziehen des Bolzens 115 erzeugt. Die Reaktionskraft der Schaft-Zugkraft
wird auf die Oberfläche
des Flanschs 110b durch die Bolzenköpfe 115d ausgeübt und ebenso
auf die Schraubengewinde der mit Gewinde versehenen Bolzenlöcher 120c in
entgegengesetzter Richtung. Aufgrund dieser Reaktionskräfte werden die
Flanschen 110b und 120b gegeneinander verpresst.
-
In
einigen Fällen
jedoch treten Probleme dann auf, wenn die Befestigungsanordnung
unter Verwendung der in 7 illustrierten Flansche für horizontal
geteilte Gehäusetypen
von hydraulischen Maschine wie etwa Turbinen oder Kompressoren verwendet
wird.
-
In
hydraulischen Maschinen mit Rotoren müssen die Rotoren enthaltenden
Gehäuse
genau einen kreisförmigen
Querschnitt insbesondere an den Innenumfängen aufweisen. In Turbinen
und Kompressoren wird jedoch, da die Temperatur des durch das Gehäuse hindurchtretenden
Fluids hoch ist, die Temperatur der jeweiligen Abschnitte des Gehäuses hoch.
Wenn die Temperatur der Gehäusewand
in den jeweiligen Abschnitten variiert, wird eine große thermische
Belastung durch die Differenz des Maßes an thermischer Expansion
der jeweiligen Abschnitte des Gehäuses erzeugt. Wenn eine große thermische
Belastung erzeugt wird, neigt das Gehäuse dazu, sich zu deformieren
und eine Konzentrizität des
Querschnitts des Gehäuses
kann nicht aufrecht erhalten werden. Darüber hinaus verändert sich
in Turbinen und Kompressoren die Temperatur des durch die Maschinen
hindurchtretenden Fluids deutlich aufgrund der Veränderung
der Betriebslast. In diesem Fall ist dann, wenn das Gehäuse mit
Flanschen mit einer Dicke versehen ist, die größer als die anderen Abschnitte
des Gehäuses
ist, die Veränderung
der Temperatur der Flansche verglichen mit den anderen Abschnitten
verzögert.
Dies bewirkt eine große
Temperaturdifferenz zwischen den Flanschen und anderen Gehäuseabschnitten,
wenn die Veränderungsrate
der Temperatur des Fluids im Gehäuse hoch
ist. Daher kann dann, wenn das Gehäuse mit einem Flansch mit einer
großen
Dicke versehen ist, ein Verzug des Gehäuses dann auftreten, wenn die
Temperatur des Fluids sich verändert.
-
In
Turbinen und Kompressoren sind Rotoren, die bei hoher Geschwindigkeit
rotieren, in den Gehäusen
aufgenommen. Daher berührt
der äußere Umfang
des Rotors (etwa die Spitze von Turbinenschaufeln) den Innenumfang
des Gehäuses,
wenn ein Verzug des Gehäuses
auftritt. Dies kann eine Beschädigung
der Maschine bewirken. Es ist wahr, dass der Kontakt zwischen dem
Rotor und dem Gehäuse auch
dann verhindert werden kann, wenn in diesem Fall ein Abstand zwischen
den Spitzen der Gehäuseschaufeln
und dem Innenumfang des Gehäuses
bei einem vergleichsweise großen
Wert eingestellt ist. In hydraulischen Maschinen wie etwa Turbinen
und Kompressoren ist es jedoch, da die Effizienz der Maschinen mit
größer werdendem
Spitzeabstand absinkt, nicht praktisch durchführbar, die Spitzenabstände auf
einen großen
Wert einzustellen.
-
Um
die oben beschriebenen Probleme zu lösen, wird in einigen Fällen für horizontal
geteilte Gehäuse
ein flanschloses Gehäuse
verwendet. Dieses flanschlose Gehäuse ist ein Gehäuse, das
keine Flanschen wie etwa die in 7 gezeigten
zum Verbinden der Gehäusehälften verwendet. 8 ist
eine Schnittansicht ähnlich
wie in 7, welche eine typische Befestigungsanordnung
eines flanschlosen Gehäuses
zeigt.
-
Wie
aus 8 ersichtlich ist, weisen die Gehäusehälften 210a und 220a des
flanschlosen Gehäuses 200 halbkreisförmige Querschnitte
ohne Flanschen an den Verbindungsflächen auf. Die Bolzenlöcher 210c und 220c zum
Befestigen der Bolzen 215 sind in tangentialer Richtung
in die Wände
der Gehäusehälften 210a und 220a eingebohrt.
Stirnsenken sind in den oberen Enden der Bolzenlöcher 210c ausgeformt,
um einen engen Kontakt zwischen den Oberflächen der Gehäusehälfte 210a um
die Bolzenlöcher 210c herum
und die Bolzenköpfe 215d der
Befestigungsbolzen 215 zu erhalten.
-
In
den in 8 gezeigten flanschlosen Gehäusen ist, da Flanschen mit
großer
Dicke nicht verwendet werden, eine Ungleichmäßigkeit der Dicke des Gehäuses verglichen
mit Flanschen aufweisenden Gehäusen
kleiner, und der Verzug des Gehäuses
aufgrund einer Veränderung
der Temperatur des Fluids wird ebenso geringer. Auch in dem flanschlosen
Gehäuse
aus 8 jedoch können
Probleme ähnlich
mit Flanschen versehenen Gehäusen
dann auftreten, wenn der Druck oder die Temperatur des inneren Fluids
hoch ist.
-
In
den flanschlosen Gehäuses
aus 8 sind, da die Stirnsenken 210d vorgesehen
sind, die Durchmesser der Bolzenlöcher 210c oberhalb
der Stirnsenken nahezu die gleichen wie die Durchmesser der Stirnsenken 210d.
Daher wird der Durchmesser des Bolzenlochs 210c deutlich
größer als
der minimale Durchmesser, der dafür erforderlich ist, dass ermöglicht wird,
dass der Bolzen 215 hindurchtritt. Dies bedeutet, dass
eine größere Menge
an Metall aus den Wänden
der Gehäusehälfte 210a entfernt werden
muss und dass Abschnitte mit reduzierter Wanddicke durch die Bolzenlöcher 210c ausgebildet werden.
Wie in 8 illustriert, wird die Wanddicke an demjenigen
Abschnitt am geringsten (T1 in 8), wo
die Stirnsenken ausgebildet sind.
-
9 zeigt
schematisch einen Querschnitt durch die Wand der Gehäusehälfte 210a um
die Stirnsenken 210d herum, entlang der Linie A-A aus 8.
Wie aus 9 ersichtlich ist, wird die
Wand in einer Zylinderform um die Stirnsenken 210d weggeschnitten
und nur festes Metall in der Form des gestrichelten Bereichs bleibt
zurück.
Die durchschnittliche Wanddicke der durch den gestrichelten Bereich gezeigten
Abschnitte wird in 9 durch T2 angezeigt.
In anderen Worten wird die effektive Wanddicke des Gehäuses um
die Stirnsenken herum auf einen im Wesentlichen kleinen Wert T2 reduziert, wenn die Stirnsenken ausgebildet
werden. Darüber
hinaus werden in dem flanschlosen Gehäuse aus 8 Abschnitte
mit reduzierter Wanddicke im Gehäuse 210a durch
die Stirnsenken 210d ausgebildet. Da der Verzug des Gehäuses an
diesen Abschnitt mit reduzierter Wanddicke dann eintritt, wenn der
innere Druck oder die Temperatur des Gehäuses hoch ist, treten Probleme ähnlich denen
bei dem mit einem Flansch versehenen Gehäuse aus 7 auf.
-
Um
die Ausbildung von Abschnitten mit reduzierter Wanddicke zu verhindern,
ist es notwendig, die Durchmesser d (8) der Stirnsenken 210d zu reduzieren.
Es ist jedoch praktisch aus den im Folgenden erläuterten Gründen nicht möglich, den Durchmesser
der Stirnsenke über
eine gewisse Grenze hinaus zu reduzieren.
-
Während des
Betriebs hydraulischer Maschinen ist eine große Schaftzugkraft für die Befestigungsbolzen
erforderlich, um die Gehäusehälften gegen
die durch den inneren Fluiddruck und die thermische Belastung, die
auf die Gehäusehälften in
einer Richtung ausgeübt
wird, die die Gehäusehälften voneinander
separiert, zusammenzuhalten.
-
Dies
bedeutet, dass eine große
Kraft von den Befestigungsbolzen auf das Gehäuse 210a durch den
Kontakt zwischen den Bolzenköpfen 215d und die
Stirnsenken 210d übertragen
werden muss. Generell werden die Befestigungsbolzen aus einem Material
gefertigt, das eine hohe Festigkeit aufweist, wie etwa eine hochzugfeste
Legierung. Auf der anderen Seite wird üblicherweise ein Material mit
einer hohen Festigkeit nicht für
die Gehäusehälfte verwendet,
um die Bearbeitung des Gehäuses
(wie etwa Schneiden und, falls erforderlich, Verschweißen) zu
erleichtern, und um einen hohen Widerstand gegen eine Ermüdung bei
niedriger Frequenz zu erhalten. Daher ist der Maximalwert des Kontaktdrucks
zwischen den Bolzenköpfen
und dem Gehäuse
durch das Material begrenzt, das für das Gehäuse verwendet wird. Infolgedessen
muss der Durchmesser der Stirnsenken ausreichend groß sein,
um den Kontaktdruck zwischen dem Bolzenkopf und dem Gehäuse so zu
reduzieren, dass er innerhalb eines gewünschten Bereichs liegt, der
durch das Material des Gehäuses
bestimmt wird, während
eine ausreichend große Schaftzugkraft
des Befestigungsbolzens beibehalten wird. Daher ist es in der Praxis
schwierig, den Durchmesser der Stirnsenken zu reduzieren, um die
effektive Wanddicke des Gehäuses
um die Stirnsenken herum zu erhöhen.
-
Darüber hinaus
ist es wünschenswert,
die Befestigungsbolzen in einem kleineren Intervall um das Gehäuse herum
anzuordnen, um eine große
und gleichmäßige Anzugskraft
um das Gehäuse
herum zu erhalten. Da jedoch ein großer Durchmesser für die Stirnsenken
erforderlich ist, ist es schwierig, die Distanz zwischen den Bolzenlöchern 210 zu
reduzieren. Eine ausreichend große und gleichmäßige Anzugskraft
der Gehäusehälften kann
in einigen Fällen bei
den flanschlosen Gehäusen
aus 8 nicht erreicht werden.
-
Die
DE 196 05 068 A beschreibt
einen Zusammenbau mit Bolzen, welcher eine Klemmschraube und eine
mit einem Gewinde versehene Hülse aufweist,
die für
die Befestigung flanschloser Maschinenelemente vorgesehen sind.
Dieser Zusammenbau mit Bolzen muss jedoch durch Verwendung eines
Winkelgetriebes eingestellt werden, das durch ein Bohrloch betreibbar
ist, welches im Wesentlichen senkrecht zur Erstreckung des Zusammenbaus
mit Bolzen steht.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Im
Hinblick auf die Probleme beim Stand der Technik, wie sie oben dargelegt
wurden, sind die Ziele der vorliegenden Erfindung, eine Befestigungsanordnung
eines geteilten Gehäuses
zur Verfügung
zu stellen, welche in der Lage ist, das Intervall zwischen dem Befestigungsbolzen
zu reduzieren, um eine große
und gleichmäßige Anzugskraft
des Gehäuses
zu erhalten, während
eine ausreichend große
Wanddicke des Gehäuses
beibehalten wird.
-
Dieses
oben beschriebene Ziel wird mittels einer Befestigungsanordnung
für ein
geteiltes Gehäuse
gemäß Anspruch
1 erreicht.
-
Gemäß diesem
Aspekt der vorliegenden Erfindung gelangt der Befestigungsbolzen
nicht in direkten Kontakt mit dem ersten Gehäusesegment. Die Schaft-Zugkraft
wird auf die ersten Gehäusesegmente über die
Hülse übertragen.
Da die Hülse
aus einem Material gefertigt sein kann, das sich von den Gehäusesegmenten
unterscheidet, einem Material ähnlich dem
des Befestigungsbolzens, kann ein Material mit einer hohen Festigkeit
für die
Hülse verwendet
werden. Daher kann der mögliche
maximale Kontaktdruck zwischen dem Befestigungselement und der Endfläche der
Hülse deutlich
erhöht
werden. Somit kann der Kontaktbereich der Endfläche der Hülse und des Befestigungselements
(d. h. der Außendurchmesser
der Hülse)
stark ohne Reduzierung der Befestigungskraft für die Gehäusesegmente reduziert werden.
Da dies ermöglicht,
den Durchmesser der Bolzenlöcher
zu reduzieren, kann die effektive Wanddicke des Gehäuses erhöht und das
Intervall zwischen den Befestigungsbolzen reduziert werden.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird eine Befestigungsanordnung für ein horizontal
geteiltes Gehäuse
für eine
hydraulische Maschine zur Verfügung
gestellt, welches die Merkmale des Anspruchs 2 umfasst.
-
Gemäß dieser
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Gehäuse einer hydraulischen Maschine
wie etwa einer Turbine, eines Kompressors oder einer Pumpe, als
horizontal geteiltes Gehäuse
konstruiert. Ebenso wird in dieser Ausführungsform der Erfindung die
Schaftzugkraft des Befestigungsbolzens durch die Hülse auf
das obere Gehäuse übertragen,
um den Kontaktdruck zwischen der Endfläche der Hülse und dem Befestigungselement
zu erhöhen.
Da die effektive Wanddicke des Gehäuses erhöht werden kann und das Intervall
der Befestigungsbolzen reduziert werden kann, werden die Gehäusehälften starr
miteinander, auch obwohl ein hoher innerer Druck und eine hohe Temperatur
auf das Gehäuse
der hydraulischen Maschine einwirken, befestigt.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die
vorliegende Erfindung wird besser aus der Beschreibung, wie sie
im Anschluss dargelegt wird, unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen verständlich,
in denen:
-
1 eine
Schnittansicht ist, die eine Ausführungsform einer Befestigungsanordnung
für ein flanschloses
Gehäuse
gemäß der vorliegenden
Erfindung illustriert;
-
2 eine
vergrößerte Ansicht
des Abschnitts II aus 1 ist;
-
3A schematisch
die Dicke des Gehäuses
an den Stirnsenken gemäß dem Stand
der Technik aus 8 illustriert;
-
3B schematisch
die Dicke des Gehäuses
an den Stirnsenken gemäß der Ausführungsform aus 1 illustriert;
-
4 eine
Schnittansicht ähnlich 1 ist, die
eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung illustriert;
-
5 eine
Schnittansicht ähnlich 1 ist, die
eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung illustriert;
-
6 eine
Schnittansicht ähnlich 1 ist, die
eine vierte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung illustriert;
-
7 eine
Schnittansicht ist, die eine typische Befestigungsanordnung für ein horizontal
geteiltes Gehäuse
mit Flansch illustriert;
-
8 eine
Schnittansicht ähnlich 7 ist, die
eine konventionelle Befestigungsanordnung für ein horizontal geteiltes
flanschloses Gehäuse
zeigt; und
-
9 eine
Schnittansicht entlang der Linie A-A aus 8 ist.
-
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Im
Anschluss werden Ausführungsformen
einer Befestigungsanordnung für
ein flanschloses Gehäuse
gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 erläutert.
-
(1) Erste Ausführungsform
-
1 illustriert
eine erste Ausführungsform einer
Befestigungsanordnung für
ein flanschloses Gehäuse
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
-
1 ist
eine Schnittansicht eines Gehäuses
einer Gasturbine entlang der Ebene senkrecht zur zentralen Achse.
Das Gehäuse 10 der
Gasturbine aus 1 ist als horizontal geteiltes
flanschloses Gehäuse
konstruiert. Insbesondere weist das Gehäuse 10 aus 1 eine
zylindrische Form auf und ist in zwei Gehäusehälften 1 und 2 entlang
einer Ebene geteilt, die die zentrale Achse beinhaltet. Die Gehäusehälfte 1 (im
Anschluss als "oberes
Gehäuse" bezeichnet) und
die Gehäusehälfte 2 (im
Anschluss als "unteres
Gehäuse" bezeichnet) werden
mittels der Verbindung von Verbindungsflächen 3 verbunden und
aneinander fest befestigt.
-
In 1 kennzeichnet
das Bezugszeichen 5 eine Vielzahl von Befestigungsbolzen
zum Befestigen des oberen Gehäuses 1 und
des unteren Gehäuses 2 miteinander.
In dieser Ausführungsform
ist ein Schraubgewinde 5a am unteren Endabschnitt jedes Befestigungsbolzens 5 ausgebildet.
Die Befestigungsbolzen 5 verlaufen durch Bolzenlöcher 7 hindurch,
die in das obere Gehäuse 1 senkrecht
zu der Verbindungsfläche 3 eingebohrt
sind, und die Schraubgewinde 5a an deren Enden werden in
die Gewindelöcher 5b eingeschraubt,
die an den Verbindungsflächen 3 des
unteren Gehäuses 2 ausgebildet sind.
In dieser Ausführungsform
werden die Längen der
Bolzen 5 auf eine solche Weise festgelegt, dass die oberen
Endabschnitte der jeweiligen Befestigungsbolzen 5 von den
Bolzenlöchern 7 des
oberen Gehäuses 1 dann
hervorstehen, wenn die Bolzen 5 festgezogen werden. Die
hervorstehenden Enden der Befestigungsbolzen 5 werden als
polygonale Köpfe 5d ausgebildet,
um das Anziehen er Bolzen 5 mittels eines Anzugwerkzeugs
wie etwa eines Schraubeschlüssels
zu erleichtern.
-
2 ist
eine vergrößerte Ansicht
des durch II in 1 gekennzeichneten Abschnitts.
Wie aus 2 ersichtlich ist, ist ein inneres
Schraubgewinde 9a an der inneren Oberfläche des Bolzenlochs 7 nahe
der Verbindungsfläche 3 ausgebildet.
Eine zylindrische Hülse 11 mit
einem Außengewinde 9b,
das in das innere Gewinde 9a eingreift, ist in dem Bolzenloch 7 durch
Einschrauben der Hülse 11 in
das Bolzenloch 7 eingesetzt. Wenn die Hülse 9 in das Bolzenloch 7 eingesetzt
ist, wird ein Abstand zwischen dem unteren Ende 11b der
Hülse 11 und
der Verbindungsfläche 3 ausgebildet,
um den Kontakt zwischen dem unteren Ende 11b der Hülse 11 und
der Verbindungsfläche 3 des
unteren Gehäuses 2 dann
zu vermeiden, wenn der Befestigungsbolzen 5 vollständig angezogen
ist.
-
Ein
Abschnitt 5c mit vergrößertem Durchmesser
ist an dem Schaftabschnitt des Befestigungsbolzens 5 an
dem Abschnitt ausgebildet, der innerhalb des Bolzenlochs 7 dann
platziert ist, wenn der Bolzen 5 angezogen ist. Der Durchmesser
des Abschnitts 5c mit vergrößertem Durchmesser ist leicht kleiner
als der Durchmesser des Bolzenlochs 7. Wenn der Befestigungsbolzen 5 in
das Gewindeloch 5b des unteren Gehäuses 2 eingeschraubt
wird, wird die untere Fläche
des Abschnitts 5c mit vergrößertem Durchmesser gegen die
obere Endfläche 11a der Hülse 11 angepresst.
Daher wird dann, wenn der Befestigungsbolzen 5 weiter angezogen
wird, eine Zugkraft in dem Schaftabschnitt des Befestigungsbolzens 5 erzeugt.
Die Reaktionskraft dieser Schaftzugkraft wird von dem Abschnitt 5c mit
vergrößertem Durchmesser
auf die obere Endfläche 11a der
Hülse 11 transferiert
und auf die Hülse 11 wird
eine Kraft nach unten ausgeübt.
Da das Außengewinde 9b der Hülse 11 mit
dem Innengewinde 9a des Bolzenlochs 7 im Eingriff
steht, wird die Kraft nach unten, die auf die Hülse 11 ausgeübt wird,
vom oberen Gehäuse 1 aufgenommen.
Somit wird die Schaftzugkraft des Befestigungsbolzens 5 in
eine Anzugkraft umgewandelt, die das obere Gehäuse 1 gegen das untere
Gehäuse 2 drückt.
-
Wie
oben bereits erläutert,
wird die Zugkraft des Gehäuses 10 in
dieser Ausführungsform
auf das obere Gehäuse 1 durch
den Eingriff zwischen dem Gewinde 9b der Hülse 11 und
dem Gewinde 9a des Bolzenlochs 7 übertragen,
und auf das untere Gehäuse 2 durch
den Eingriff zwischen dem Gewinde 5a und des Befestigungsbolzens 5 und
dem Gewinde des Gewindelochs 5b.
-
In
dieser Ausführungsform
werden Materialien mit einer vergleichsweise geringen Festigkeit
wie etwa Kohlenstoffstahl für
Boiler und Druckkessel (beispielsweise nach dem Japanischen Industriestandard
(JIS) SB410) oder gegossener Stahl für Hochtemperatur- und Hochdruck-Anwendungen (beispielsweise
JIS SCPH32) für
das obere Gehäuse 1 und
das untere Gehäuse 2 verwendet,
um die spanabhebende Bearbeitung des oberen und unteren Gehäuses zu
erleichtern. Auf der anderen Seite wird ein Material mit einer hohen
Festigkeit wie etwa ein legierter Stahl als Bolzenmaterial (JIS
SN7) oder ein wärmebeständiger Stahl
(JIS SUH616) für
die Befestigungsbolzen 5 verwendet, um eine große Anzugskraft
des Gehäuses 10 zu
erhalten. Daher wird dann, wenn die konventionelle Befestigungsanordnung,
in der die Bolzenköpfe
der Befestigungsbolzen in direkten Kontakt mit dem oberen Gehäuse kommen,
verwendet wird, der maximal erlaubte Kontaktdruck zwischen den Bolzenköpfen und
dem Gehäuse durch
die Festigkeit des für
das Gehäuse
verwendeten Materials beschränkt.
Somit sind, wie dies bereits oben erläutert wurde, Stirnsenken mit
großen
Durchmessern für
das Gehäuse
erforderlich, um den Kontaktdruck zwischen den Bolzenköpfen und
dem Gehäuse
zu verringern. Dies bewirkt die oben bereits erläuterten Probleme, d. h. eine
geringere Wanddicke des Gehäuses
an den Stirnsenken und größere Intervall
zwischen den Befestigungsbolzen.
-
Diese
Probleme werden durch Einsetzen der zylindrischen Hülse 11,
gefertigt aus hochfestem Material ähnlich dem der Befestigungsbolzen 5 (beispielsweise
JIS SUH616 oder ein Aluminium-Chrom-Molybdän-Stahl wie etwa JIS SACM645) in
das Bolzenloch 7 hinein gelöst. Der Abschnitt 5c mit
vergrößertem Durchmesser
des Befestigungsbolzens 5 stößt gegen die obere Endfläche 11a der
Hülse 11 in
dieser Ausführungsform
an. In dieser Ausführungsform
ist die Hülse 11 jedoch
aus einem hochfesten Material ähnlich
dem des Befestigungsbolzens 5 gefertigt. Daher ist der
erlaubte Kontaktdruck zwischen dem Abschnitt 5c mit vergrößertem Durchmesser
und der oberen Endfläche 11a der
Hülse deutlich
größer als
der in einem Fall, bei dem der Bolzenkopf des Befestigungsbolzens 5 direkt
in Kontakt mit dem oberen Gehäuse 2 gelangt.
Infolgedessen kann der Kontaktdruck bei einem höheren Wert eingestellt werden,
um den Kontaktbereich zwischen dem Abschnitt 5c mit vergrößertem Durchmesser und
der oberen Endfläche 11a der
Hülse 11 zu
reduzieren. Somit können
die Außendurchmesser
des Abschnitts 5c mit vergrößertem Abschnitt des Bolzens 5 und
der Hülse
bei einem Wert eingestellt werden, der kleiner als der Durchmesser
der Stirnsenke ist, die in einem solchen Fall erforderlich ist,
bei dem der Bolzenkopf direkt mit dem oberen Gehäuse in Kontakt gelangt.
-
In
dieser Ausführungsform
wird die Hülse 11 an
dem oberen Gehäuse 1 durch
die Schraubgewinde 9a und 9b befestigt. Da jedoch
die Anzahl der Gewinde für
die Schraubgewinde 9a und 9b beliebig festgelegt
werden kann, kann der Kontaktdruck zwischen den Gewinden 9a und 9b sowie
der Scherbelastungen, die darauf einwirken, leicht auf Werte kleiner
als die maximal erlaubten Werte eingestellt werden. Daher treten
Probleme in Bezug auf die Festigkeit der Gewinde in dieser Ausführungsform
nicht auf.
-
Der
Effekt der Befestigungsanordnung in der vorliegenden Ausführungsform
liegt in der Reduzierung des Durchmessers des Bolzenlochs 7 verglichen
mit dem Durchmesser der Stirnsenke 210d aus 8 und
wird im Folgenden detailliert unter Verwendung tatsächlicher
numerischer Werte erläutert.
-
Unter
der Annahme, dass eine JIS M48 Allen-Schraube für den Befestigungsbolzen 115 in
einer konventionellen Befestigungsanordnung aus 8 verwendet
wird, wird der Außendurchmesser des
Bolzenkopfs 215 78 mm groß. Infolgedessen ist ein minimaler
Durchmesser von 78 mm (angezeigt durch d in 8) für die Stirnsenke 210d erforderlich.
-
Auf
der anderen Seite beträgt
dann, wenn JIS M48 Schraubegewinde für die Gewinde 5a und 5b in
der Befestigungsanordnung aus den 1 und 2 verwendet
wird, der Außendurchmesser
des Gewindes 5a des Befestigungsbolzens 5 48 mm.
Da der Innendurchmesser (DIN aus 2) gleich
größer als
der Außendurchmesser
des Gewindes 5a des Bolzens 5 sein muss (d. h.
48 mm), wird der Innendurchmesser DIN der Hülse 11 bei beispielsweise etwa
49 mm eingestellt.
-
Der
Durchmesser DB des Schafts des Bolzens 5 wird auf eine
solche Weise festgelegt, dass die auf den Schaft einwirkenden Zugbelastungen, wenn
der Befestigungsbolzen 5 vollständig festgezogen wird, geringer
als die maximal erlaubte Zugbelastung des Bolzenmaterials ist, und
in dieser Ausführungsform
wird der Schaftdurchmesser DB bei 41 mm eingestellt. Wenn die Hülse 11 aus
einem Material gefertigt ist, das das gleiche ist wie das des Befestigungsbolzens,
ist der Kontaktdruck zwischen dem Abschnitt 5c mit vergrößertem Durchmesser des
Bolzens 5 und der oberen Endfläche 11a der Hülse ausreichend
niedriger als der maximal erlaubte Kontaktdruck, wenn der Kontaktdruck
bei einem Wert kleiner als die Zugbelastung des Schafts des Bolzens 5 eingestellt
ist. Daher ist der minimal erforderliche Bereich der oberen Endfläche 11a der
Hülse 11 (d.
h. der Bereich des ringförmigen
Querschnitts der Hülse 11)
der gleiche wie der Querschnittsbereich des Schaftabschnitts des
Befestigungsbolzens 5. Da der Durchmesser des Schaftabschnitts
des Befestigungsbolzens 5 DB ist, wird der Querschnittsbereich des
Schaftabschnitts durch (π/4) × (DB)2 ausgedrückt.
Darüber
hinaus wird unter der Annahme, dass der Außendurchmesser der Hülse 11 DOUT
ist, der Querschnittsbereich der Hülse 11 durch (π/4) × ((DOUT)2 (DIN)2 ) ausgedrückt.
-
Da
der Querschnittsbereich der Hülse 11 größer oder
gleich dem Querschnittsbereich des Schaftabschnitts des Bolzens 5 sein
muss, wird die nachfolgend angegebene Beziehung erhalten. (π/4) × ((DOUT)2 – (DIN)2) ≥ (π/4) × (DB)2
-
Daher
ist der erforderliche Wert von DOUT: DOUT ≥ ((DIN)2 + (DB)2)1/2
-
Da
in dieser Ausführungsform
DIN = 49 mm und DB = 41 mm sind, wird der minimale Wert des Außendurchmessers
DOUT der Hülse 11 etwa
64 mm.
-
Wie
aus 2 ersichtlich ist, ist der Außendurchmesser DOUT der Hülse 11 der
gleiche wie der minimale Durchmesser des Gewindes 9a (d.
h. der Durchmesser an der Wurzel des Gewindes 9a). Gemäß dem Japanischen
Industriestandard (JIS), M68 oder M72, weisen Gewinde kleine Durchmesser
von etwa 64 mm auf. Noch präziser
weist das Gewinde gemäß JIS M68
einen minimalen Durchmesser von 61,5 mm auf und das Gewinde gemäß JIS M72
weist einen minimalen Durchmesser von 66 mm auf. Daher beträgt auch
dann, wenn ein größer bemessenes
Gewinde (d. h. JIS M72) verwendet wird, der Außendurchmesser DOUT der Hülse 11 66
mm. Da der Durchmesser des Bolzenlochs 7 nahezu der gleiche wie
der Außendurchmesser
DOUT der Hülse 11 ist, beträgt der Durchmesser
des Bolzenlochs 7 in dieser Ausführungsform maximal 66 mm. Dieser
Durchmesser des Bolzenlochs 7 (66 mm) ist wesentlich kleiner als
der Durchmesser der Stirnsenke 210d (78 mm) in der konventionellen
Befestigungsanordnung aus 8.
-
Die 3A und 3B zeigen
den Vergleich der minimalen Wanddicke des Gehäuses in der vorliegenden Ausführungsform
(3B) und der konventionellen Befestigungsanordnung
(3A) basierend auf den oben berechneten Werten.
Wie aus den 3A und 3B ersichtlich
ist, steigt die minimale Wanddicke in der vorliegenden Ausführungsform
um etwa 12 mm (= 78 – 66
mm) verglichen mit der konventionellen Befestigungsanordnung aus 8 an.
Darüber
hinaus wird aus den 3A und 3B verständlich,
dass der Querschnittsbereich der Gehäusewand (der gestrichelte Bereich
aus den 3A und 3B), der
die Magnitude der Biegefestigkeit der Gehäusewand festlegt, signifikant
in der vorliegenden Ausführungsform
ansteigt.
-
Darüber hinaus
wird, obwohl die 3A und 3B einen
Fall zeigen, bei dem das Intervall des Befestigungslochs (der Bolzenabstand)
der gleiche ist, verständlich,
dass der Bolzenabstand in der vorliegenden Ausführungsform maximal um 12 mm
reduziert werden kann, um die Anzugskraft des Gehäuses zu
erhöhen.
-
(2) Zweite Ausführungsform
-
4 ist
eine Schnittansicht ähnlich 1, die
eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung illustriert. In 4 kennzeichnen
die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen aus 1 ähnlichen
Elemente.
-
In
dieser Ausführungsform
wird eine zylindrische Hülse ähnlich der
aus der ersten Ausführungsform
verwendet. Obwohl die Hülse 11 in
der ersten Ausführungsform
in das Bolzenloch 7 von deren Seite der Verbindungsfläche 3 eingeschraubt
wurde, wird die Hülse 11 in
dieser Ausführungsform
jedoch in das Bolzenloch 7 von deren Seite gegenüber der Verbindungsfläche 3 eingeschraubt
und innerhalb des oberen Abschnitts des Bolzenlochs 7 eingesetzt. Darüber hinaus
steht der obere Abschnitt der Hülse 11 vom
Bolzenloch 7 hervor.
-
In
dieser Ausführungsform
wird eine übliche Allen-Schraube,
die gleiche wie die aus 8, verwendet. Der Durchmesser
des Bolzenkopfs der Allen-Schraube ist größer als der erforderliche Durchmesser
der Hülse 11,
wie dies in der vorhergehenden Ausführungsform erläutert wurde.
Darüber hinaus wird
zur Verhinderung eines Anstiegs des Durchmessers des Bolzenlochs 7 aufgrund
des großen
Bolzenkopfs der Befestigungsbolzen 5 der Bolzenkopf 5d von
einem Flansch 11f aufgenommen, der in dieser Ausführungsform
am oberen Ende der Hülse 11 außerhalb
des Bolzenlochs 7 ausgebildet ist. Der Bolzenkopf 5d in
dieser Ausführungsform
agiert als Befestigungselement ähnlich
dem Abschnitt 5c mit vergrößertem Durchmesser gemäß der ersten
Ausführungsform.
-
(3) Dritte Ausführungsform
-
5 ist
eine Schnittansicht ähnlich 1, illustriert
jedoch eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In 5 kennzeichnen
die Bezugszeichen, die die gleichen sind wie in den 1 und 2, ähnliche
Elemente.
-
In
dieser Ausführungsform
ist ähnlich
wie in der ersten Ausführungsform
die Hülse 11 in
das Bolzenloch 7 von der Seite der Verbindungsfläche 3 aus eingeschraubt.
Die Form des Bolzenlochs 7 unterscheidet sich jedoch in
dieser Ausführungsform
von der der ersten Ausführungsform.
Insbesondere ist der Durchmesser des Bolzenlochs 7 an dessen
unterem Abschnitt vergrößert, um
die Hülse 11 aufzunehmen,
und der Durchmesser des Bolzenlochs 7 an dessen oberem
Abschnitt ist auf einen Wert gleich größer als der Durchmesser des
Schaftabschnitts 5s des Befestigungsbolzens 5 reduziert.
-
Im
Gegensatz zur ersten Ausführungsform wird
zum Befestigen des Gehäuses 10 der
Befestigungsbolzen 5 zuerst von der Seite der Verbindungsfläche 3 aus
in das Bolzenloch 7 eingesetzt, dann wird die Hülse 11 von
der Seite der Verbindungsfläche 3 aus
in das Bolzenloch 7 auf eine solche Weise eingeschraubt,
dass der Abschnitt 5c mit vergrößertem Durchmesser des Bolzens 5 oberhalb
der Hülse 11 im
Bolzenloch 7 verbleibt. In diesem Zustand werden das obere
Gehäuse 1 und
das untere Gehäuse 2 durch
Anstoßen
der Verbindungsfläche 3 miteinander verbunden
und der Bolzen 5 wird in das Gewindeloch 5b im
unteren Gehäuse 2 eingeschraubt.
-
Da
der Durchmesser des oberen Abschnitts des Bolzenlochs 7 in
dieser Ausführungsform
reduziert wurde, wird die Biegefestigkeit der Gehäusewand
verglichen mit den ersten und zweiten Ausführungsformen weiter erhöht. Die
Biegefestigkeit der Gehäusewand
erhöht
sich mit größer werdendem Trägheitsmoment
(das zweite Moment des Bereichs) um die neutrale Achse E der Ablenkung.
Die neutrale Achse E der Ablenkung in diesem Fall ist eine zentrale
Linie der Wanddicke des Gehäuses
(5). Daher wird dann, wenn die Distanz zwischen
einem Hohlraum wie etwa einem Bolzenloch 7 und der neutralen Achse
E größer wird,
das geometrische Trägheitsmoment
um die neutrale Achse herum kleiner und hierdurch verringert sich
die Biegefestigkeit der Gehäusewand
stark.
-
In
dieser Ausführungsform
wird, obwohl der Durchmesser des unteren Abschnitts (der Abschnitt A
aus 5) des Bolzenlochs 7, bei dem die neutrale Achse
E das Bolzenloch schneidet, einen großen Durchmesser aufweist, der
Durchmesser des oberen Abschnitts (der Abschnitt B aus 5),
bei dem die Distanz zwischen der neutralen Achse E und dem Bolzenloch 7 ansteigt,
reduziert. Da der untere Abschnitt B im Wesentlichen auf der neutralen
Achse E liegt, beeinflusst dieser Abschnitt im Wesentlichen nicht
das geometrische Trägheitsmoment
auch wenn dessen Durchmesser groß ist. Darüber hinaus wird obwohl die
Distanz D zwischen der neutralen Achse E und dem oberen Abschnitt
B des Bolzenlochs 7 vergleichsweise groß ist, die Verringerung des
geometrischen Trägheitsmoments
in dieser Ausführungsform
minimiert, da der Durchmesser des oberen Abschnitts B des Bolzenlochs 7 reduziert
ist.
-
Somit
wird gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
die Biegefestigkeit der Gehäusewand
weiter durch Veränderung
des Durchmessers des Bolzenlochs 7 gemäß der Distanz der jeweiligen
Abschnitte des Bolzenlochs von der neutralen Achse E der Ablenkung
erhöht.
-
(4) Vierte Ausführungsform
-
6 ist
eine Schnittansicht ähnlich 1, die
eine vierte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung illustriert. In 6 kennzeichnen
die gleichen Bezugszeichen wie in den 1 und 2 ähnliche Elemente.
-
Im
Gegensatz zu den vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen, sind in dieser
Ausführungsform
die Gewinde 5b, die in Eingriff mit dem Gewinde 5a des
Befestigungsbolzens 5 gelangen, an der Innenoberfläche des
Bolzenlochs 7 im oberen Gehäuse 1 ausgebildet
und das Gewindeloch 9b, das in Eingriff mit der Hülse 11 gelangt,
ist im unteren Gehäuse 2 ausgebildet.
Darüber
hinaus ist der Abschnitt 5c mit vergrößertem Durchmesser an dem unteren
Ende des Befestigungsbolzens 5 angeordnet und das Gewinde 5a,
das in Eingriff mit dem Gewinde 5b des Bolzenlochs 7 gelangt,
ist an dem Mittelabschnitt des Schaftabschnitts des Bolzens 5 angeordnet.
-
Beim
Anziehen des Gehäuses 10 wird
zuerst der Abschnitt 5c mit vergrößertem Durchmesser am unteren
Ende des Befestigungsbolzens 5 in das Gewindeloch 9b im
unteren Gehäuse 2 von
der Seite der Verbindungsfläche 3 aus
eingesetzt, dann wird die Hülse 11 in
das Gewindeloch 9b eingeschraubt. Somit wird der Abschnitt 5c des
Bolzens mit vergrößertem Durchmesser
in dem Gewindeloch 9b mittels der Hülse 11 gehalten. Das
obere Gehäuse 1 wird dann
auf dem unteren Gehäuse 2 auf
eine solche Weise platziert, dass das obere Ende 5d des
Befestigungsbolzens 5 durch das Bolzenloch 7 hindurchtritt
und aus diesem hervorsteht. Wenn das Gewinde 5a des Bolzens 5 in
das Gewinde 5b des Bolzenlochs 7 eingeschraubt
wird, wird der Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser gegen die
untere Endfläche
der Hülse 11 gedrückt, wodurch
das obere Gehäuse 1 und
das untere Gehäuse 2 aneinander
befestigt werden.
-
Ähnlich wie
in der dritten Ausführungsform wird
die Biegefestigkeit der Gehäusewand
gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
erhöht,
da der Durchmesser des Abschnitts des Bolzenlochs 7, wo die
Distanz von der neutralen Achse der Ablenkung groß ist, reduziert
werden kann.
-
Wie
bereits oben erläutert,
kann gemäß der vorliegenden
Erfindung der Durchmesser des Bolzenlochs, der durch das Gehäuse hindurchtritt,
minimiert werden. Daher kann die effektive Wanddicke des Gehäuses an
demjenigen Abschnitt groß gehalten
werden, an dem die Bolzenlöcher
ausgebildet sind, um eine große
Biegefestigkeit des Gehäuses beizubehalten.
Darüber
hinaus können
durch Reduzierung des Durchmessers der Bolzenlöcher für die Befestigungsbolzen die
Befestigungsbolzen in kleineren Intervallen angeordnet werden, wodurch
eine große
und gleichmäßige Anzugskraft
um das Gehäuse
herum erreicht werden kann, um die Ablenkung des Gehäuses aufgrund
inneren Drucks oder aufgrund von Temperatur zu minimieren.
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen
beschrieben wurde, die zum Zwecke der Illustation ausgewählt wurden,
sollte angemerkt werden, dass verschiedene Modifikationen vom Fachmann
ohne Abweichen vom Grundkonzept und Schutzbereich der vorliegenden
Erfindung ausgeführt
werden können.
-
Beispielsweise
kann anstelle des Bolzenkopfs 5d in 4 eine Mutter
zum Befestigen des Gehäuses
verwendet werden. In diesem Fall ist der Befestigungsbolzen 5 nicht
mit einem Bolzenkopf vorgesehen, und ein Schraubgewinde ist am oberen Ende
des Schafts des Befestigungsbolzens 5 ausgebildet. Eine
Mutter steht im Eingriff mit dem oberen, mit einem Gewinde versehenen
Ende des Befestigungsbolzens 5, nachdem der Bolzen 5 in
das Gewindeloch 5b im unteren Gehäuse 2 eingeschraubt wurde.
Durch Anziehen der Mutter wird die untere Fläche der Mutter gegen den Flansch 11f der
Hülse gedrückt, wodurch
eine Schaftzugkraft auf den Befestigungsbolzen ausgeübt wird.
-
Darüber hinaus
kann die vorliegende Erfindung, obwohl die oben erläuterten
Ausführungsformen
Fälle zeigen,
bei denen die vorliegende Erfindung auf flanschlose Gehäuse angewendet
wurde, ebenso auf mit Flanschen versehene Gehäuse angewendet werden, um eine
große
und gleichmäßige Befestigungskraft
des Gehäuses
durch Reduzierung des Intervalls der Befestigungsbolzen zu erhalten.