DE60316873T2

DE60316873T2 - Löcher zur Entlastung von Spannungen in Verbindungen

Info

Publication number: DE60316873T2
Application number: DE60316873T
Authority: DE
Inventors: Stefan Jochen Wagner
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2002-07-13
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2023-06-14
Also published as: EP1380759B1; GB0216362D0; EP1380759A1; US20040037641A1; DE60316873D1; US20070014631A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Entspannungslöcher, d.h. auf Löcher zur Entlastung von Spannungen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine neuartige Form von Entspannungslöchern, die insbesondere dort Anwendung finden, wo Lage und/oder Größe der Löcher begrenzt ist.
Die 1 veranschaulicht einen Teil eines Ringflansches 2 mit durchgehenden Löchern 4. Die Löcher 4 nehmen Bolzen auf, die benutzt werden, um den Flansch mit einem weiteren Flansch zu verbinden. Die Figur veranschaulicht die Spannungslinien innerhalb des Flansches 2 als strichlierte Linien. Wenn die Spitzenspannung an den Stellen 8 einen bestimmten Pegel überschreitet, dann kann der Flansch 2 gefährdet sein. Es ist daher bekannt, Entspannungslöcher 6 in den Flansch einzubohren, wie dies in 2 dargestellt ist. Das Entspannungsloch 6 liegt zwischen den Bolzenlöchern 4. Wenn die Bolzenlöcher 4 unter einem konstanten Radius R1 von der Achse des Flansches angeordnet sind, dann liegt das Entspannungsloch auf einem Radius R2, der kleiner ist als der Radius R1. Wenn der Radius R2 abnimmt, bewegt sich das Entspannungsloch 6 in das Spannungsfeld hinein. Die Spannungen innerhalb des Flansches 2 konzentrieren sich daher am Entspannungsloch 6 an der Stelle 9 und nicht an den Stellen 8. Es ist möglich, die Spannung an den Bolzenlöchern 4 zu vermindern, indem die Größe des Entspannungsloches 6 vergrößert wird oder indem der Radius R2 verkleinert wird.
Es tritt jedoch ein Problem auf, wenn Beschränkungen hinsichtlich Größe und/oder Lage des Entspannungsloches 6 bestehen. Unter diesen Umständen kann das Entspannungsloch 6 nicht so positioniert oder bemessen werden, dass die Spannung an den Bolzenlöchern unter den Schwellwert vermindert wird. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung befassen sich mit diesem Problem.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Anordnung von Bauteilen erste und zweite Bauteile, die durch Befestigungsmittel verbunden sind, wobei der zweite Bauteil im Betrieb einem Spannungsfeld unterworfen ist und mehrere erste durchgehende Löcher aufweist, wobei der zweite Bauteil mehrere durchgehende Entspannungslöcher aufweist und die Entspannungslöcher zwischen den ersten Löchern derart angeordnet sind, dass das Spannungsfeld innerhalb des Bauteils auf die Entspannungslöcher konzentriert wird, wobei erfindungsgemäß jedes der Entspannungslöcher einen ersten Abschnitt im Wesentlichen zylindrischer Gestalt und einen zweiten Abschnitt aufweist, der an einer Oberfläche des Bauteils so endet, dass eine zylindrische Öffnung mit einem Durchmesser definiert wird, der größer ist als der erste allgemein zylindrische Teil, wobei die ersten und zweiten Abschnitte des Entspannungsloches parallel zueinander verlaufen.
Der zweite Abschnitt eines jeden Entspannungsloches kann kegelstumpfförmig ausgebildet sein.
Der kegelstumpfförmige Abschnitt verläuft vorzugsweise unter einem Winkel von im Wesentlichen 45 Grad nach der Oberfläche des Bauteiles hin.
Stattdessen kann der zweite Abschnitt eines jeden Entspannungsloches eine allgemein zylindrische Gestalt aufweisen.
Der zweite Bauteil ist vorzugsweise benachbart zu dem ersten Bauteil angeordnet und hat mehrere erste Löcher, die den ersten Löchern des ersten Bauteiles entsprechen und auf diese ausgerichtet sind, und der zweite Bauteil weist außerdem mehrere Entspannungslöcher auf, die den Entspannungslöchern des ersten Bauteiles entsprechen und auf diese ausgerichtet sind, wobei die ersten Löcher in dem ersten Bauteil und in weiteren Bauteilen die Befestigungsmittel aufnehmen, um den ersten Bauteil mit dem zweiten Bauteil zu verbinden.
Die Entspannungsllöcher sind vorzugsweise so ausgerichtet, dass sie weitere Bolzen zur Festlegung des ersten Bauteiles mit dem zweiten Bauteil aufnehmen können.
Die ersten und zweiten Bauteile können als Flansche ausgebildet sein.
Die Flansche können eine kreisrunde Form haben.
Die Bauteile können Teile eines Gasturbinentriebwerkes sein.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 veranschaulicht die Spannungsfelder in einem Flansch, der Bolzenlöcher aufweist;
2 veranschaulicht die Wirkung eines Entspannungsloches;
3a zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung eines Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung;
3b zeigt eine perspektivische Ansicht eines ersten Flansches;
3c zeigt eine perspektivische Ansicht eines zweiten Flansches;
4a zeigt einen Teilschnitt durch den zweiten Flansch gemäß 3c; und
4b veranschaulicht eine abgewandelte Dimensionierung des Entspannungsloches.
Die 3a, 3b und 3c veranschaulichen einen Verbindungsaufbau (oder einen Zusammenbau) von Bauteilen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Anordnung ist ein erster Metallflansch 14 mit einem zweiten Metallflansch 16 über Befestigungsmittel verbunden, die in diesem Fall aus einem Metallbolzen 10 und einer Mutter 12 bestehen. Der Bolzen besitzt einen Kopfabschnitt 10a und einen Schaft 10b. Der Schaft 10b ist in seiner Form im Wesentlichen zylindrisch und besitzt einen Radius R1. Der Kopfabschnitt 10a ist in seiner Form zylindrisch und besitzt einen Radius R2, der größer ist als der Radius R1.
Der erste Flansch 14 hat eine Vorderseite 14a und eine Rückseite 14b. Der Flansch 14 besitzt zwei Bolzenlöcher 15, die sich von der Vorderseite 14a nach der Rückseite 14b erstrecken. Der erste Flansch 14 besitzt außerdem ein Entspannungsloch 18, das in seiner Form zylindrisch ist und sich von der Vorderseite 14a nach der Rückseite 14b erstreckt. Das Entspannungsloch 18 besitzt zwei Abschnitte, nämlich einen Senkabschnitt 19 zur Aufnahme des Bolzenkopfes 10a und einen Eingriffsabschnitt 20 zur Berührung mit dem Schaft 10b des Bolzens 10. Der Eingriffsabschnitt 20 ist in seiner Form zylindrisch und besitzt einen Radius, der etwas größer ist als R1, so dass der Schaft des Bolzens 10 satt anliegend einpasst. Der Senkabschnitt 19 ist von der standardisierten Type, und die kegelförmigen Abschnitte des ersten Flansches 14 definieren den Senkabschnitt 19, der sich unter einem Winkel von 100° gegenüber der Achse des Bolzens 10 erstreckt. Die Öffnung, die der Senkabschnitt 19 an der Vorderseite 14a des Flansches 14 hat, besitzt einen Radius, der etwas größer ist als der Radius R2, so dass der kegelförmige Kopf 10a des Bolzens 10 darin aufgenommen wird.
Der zweite Flansch 16 hat eine Vorderseite 16a und eine Rückseite 16b. Es sind zwei Bolzenlöcher 23 vorgesehen, die von der Vorderseite 16a nach der Rückseite 16b durchgehen. Diese Bolzenlöcher 23 sind bei diesem Ausführungsbeispiel auf Bolzenlöcher 15 des ersten Flansches 14 ausgerichtet. Der zweite Flansch 16 besitzt außerdem ein Entspannungsloch 18, welches in seiner Form zylindrisch ist und sich von der Vorderseite 16a nach der Rückseite 16b des zweiten Flansches 16 erstreckt. Das Entspannungsloch 18 im zweiten Flansch 16 ist auf das Entspannungsloch 18 im ersten Flansch 14 ausgerichtet und besitzt zwei Abschnitte, nämlich: einen Entspannungsabschnitt 21 und einen Eingriffsabschnitt 22. Der Entspannungsabschnitt 21 hat eine kegelstumpfförmige Gestalt und bildet eine kreisförmige Öffnung in der Vorderseite 16a des zweiten Flansches 16. Die Öffnung besitzt einen Radius r3, der größer ist als der Radius R1. Der Eingriffsabschnitt 22 des Entspannungsloches 18 im zweiten Flansch 16 erstreckt sich von der Rückseite 16b des zweiten Flansches und ist mit dem Entspannungsabschnitt 21 verbunden. Der Eingriffsabschnitt 22 besitzt eine zylindrische Gestalt mit einem Radius, der etwas größer ist als R1, so dass der Schaft des Bolzens 10 satt anliegend darin aufgenommen werden kann. Der kegelstumpfförmige Entspannungsabschnitt 21, der zylindrische Eingriffsabschnitt 22, der zylindrische Eingriffsabschnitt 20 und der kegelförmige Senkabschnitt 19 liegen sämtlich koaxial zueinander.
4a veranschaulicht einen Schnitt durch das Entspannungsloch 18 des zweiten Flansches 16. Das Entspannungsloch 18 besitzt einen zylindrischen Eingriffsabschnitt 22, der von den Seitenwänden 16c des zweiten Flansches 16 definiert wird und einen kegelstumpfförmigen Entspannungsabschnitt 21, der durch die kegelförmigen Seitenwände 16d des zweiten Flansches 16 definiert wird. Die kegelförmigen Wände 16d des zweiten Flansches erstrecken sich unter einem Winkel α gegenüber der Achse des Entspannungsloches 18. Dieser Winkel α beträgt vorzugsweise 90°. Die Entspannungseigenschaften des Entspannungsabschnittes 21 können angepasst werden durch Veränderung des Winkels α, durch Veränderung der Tiefe d oder Veränderung des Radius r3 des kegelstumpfförmigen Abschnitts, der den Entspannungsabschnitt 21 definiert.
Wenn gemäß 3a der erste Flansch 14 mit dem zweiten Flansch 16 unter Benutzung eines Bolzens 10 verbunden wird, dann gelangt die Rückseite 14b des ersten Flansches mit der Vorderseite 16a des zweiten Flansches 16 in Berührung.
Der zylindrische Schaft 10b des Bolzens 10 erstreckt sich durch den Abschnitt des Entspannungsloches 18, der durch den zweiten Flansch 16 definiert ist. Die Seitenwand 16c des zweiten Flansches 16, die den Eingriffsabschnitt 22 des Entspannungsloches 18 definiert, greift an dem Schaft des Bolzens 10 an. Die kegelförmigen Seitenwände 16b des Flansches 16, die den kegelstumpfförmigen Entspannungsabschnitt 21 des Entspannungsloches 18 bilden, kommen mit dem Bolzen 10 nicht in Berührung. Demgemäß bleibt der Entspannungsabschnitt 21 unberührt und bildet einen Einschluss innerhalb dieser Anordnung.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung war der Entspannungsabschnitt 21 des Entspannungsloches 18 im zweiten Flansch 16 kegelstumpfförmig. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel nach 4b kann der Entspannungsabschnitt 21 in seiner Form auch zylindrisch sein, wobei der Zylinder einen Radius r3 hat. Der Radius r3 und die Tiefe d des Entspannungsabschnittes 21 können abgewandelt werden, um die Entspannungseigenschaften des Entspannungsloches 18 zu ändern.
In der obigen Beschreibung wurde als spezielles Befestigungsmittel ein Bolzen benutzt. Es sind jedoch auch andere Befestigungsmittel, beispielsweise Schrauben, denkbar. In diesem Fall würden die Seitenwände 16c des zweiten Flansches im Wesentlichen, aber nicht genau, zylindrisch sein, das sie ein Gewinde aufweisen, in das ein entsprechendes Außengewinde der Schraube eingreifen kann.

Claims

Anordnung von Bauteilen, bestehend aus ersten und zweiten Bauteilen (14, 16), die durch Befestigungsmittel (10, 12) verbunden sind, wobei der zweite Bauteil (16) im Betrieb einem Spannungsfeld ausgesetzt ist und mehrere durchgehende erste Löcher (23) aufweist und der zweite Bauteil (16) außerdem mehrere durchgehende Entspannungslöcher (18) aufweist, die zwischen den ersten Löchern (23) derart angeordnet sind, dass das Spannungsfeld innerhalb des Bauteils (16) auf die Entspannungslöcher (18) konzentriert wird, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Entspannungsloch (18) einen ersten Abschnitt (22) allgemein zylindrischer Gestalt und einen zweiten Abschnitt (21) aufweist, der an einer Oberfläche (16a) des Bauteiles (16) endet, um dort eine zylindrische Öffnung zu definieren, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser des erwähnten allgemein zylindrischen ersten Abschnittes (22), wobei die ersten und zweiten Abschnitte (21, 22) des Entspannungsloches koaxial zueinander verlaufen.
Anordnung von Bauteilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (21) eines jeden Entspannungsloches (18) eine kegelstumpfförmige Gestalt besitzt.
Anordnung von Bauteilen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kegelstumpfförmige Abschnitt (21) unter einem Winkel von etwa 45 Grad gegenüber der Oberfläche (16a) des Bauteils verläuft.
Anordnung von Bauteilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (22) eines jeden Entspannungsloches (18) allgemein zylindrische Gestalt besitzt.
Anordnung von Bauteilen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bauteil (14) benachbart zu dem zweiten Bauteil (16) angeordnet ist und mehrere erste Löcher (15) besitzt, die den ersten Löchern (23) in dem ersten Bauteil (14) entsprechen und auf diese ausgerichtet sind und dass mehrere Entspannungslöcher (18) entsprechend den Entspannungslöchern (18) in dem zweiten Bauteil (16) auf diese ausgerichtet sind, wobei die Löcher (15, 23) in dem ersten und zweiten Bauteil (14, 16) die Befestigungsmittel (10, 12) aufnehmen, um den ersten Bauteil mit weiteren Bauteilen (14, 16) zu verbinden.
Anordnung von Bauteilen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechende Entspannungslöcher (18) in jedem ersten und zweiten Bauteil (14, 16) aufeinander ausgerichtet sind, um weitere Befestigungsmittel (10, 12) aufzunehmen und den ersten Bauteil mit weiteren Bauteilen (14, 16) zu verbinden.
Anordnung von Bauteilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Bauteile (14, 16) in Form von Flanschen ausgebildet sind.
Anordnung von Bauteilen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flansche eine kreisförmige Gestalt besitzen.
Anordnung von Bauteilen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel aus Bolzen und Mutter bestehen.
Anordnung von Bauteilen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile in einem Gasturbinentriebwerk eingebaut sind.