DE7041236U - Hochdruckgefäß mit Schraubverschluß - Google Patents

Description

DR. BERG DIPL-ING. STAPF

PATENTANWÄLTE 8 MÜNCHEN 8O. MAUERKIRCHERSTR. 48

Dr. Bwp Dipl.-Ing. Stopf. 8 Mt en 80. Mounrkircherctraße 45 ·

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20 121 *■*"»

2 0. Okt.

Anwaltsekte; 20 121

lational ΪΟΓ/^β Company ^ Irviae, Warren County Pennsylvania / USA

HochdruckgefäB ait Schraubverschluß

Die Erfindung betrifft ein Hochdruckgefäß mit Schraubverschluß. Sie betrifft insbesondere die Gewindeausbildung Bit einer flexiblen Kennlinie.

Ib bestiaaten Einsatzgebieten eines Arbeitens mit Hoeh-

ra««* mo mkg d

druck, wie beispielsweise bei isostatischen Gefäßen, die mit einem Schraubverschluß versehen sind, ist es erwünscht, daß die Gewindegänge des Verschlusses gleichförmig beansprucht werden bzw. sich der Druckbeanspruchung des Gefäßsystems anpassen.

In Lruckgefäßen mit Gewindeverschlüssen als den einfachsten und bevorzugtesten Ausführungsformen ist die axiale Beanspruchung ungleich über die Gewindegänge verteilt, wobei die höchsten axialen Beanspruchungen den Gewindegängen aufgegeben werden, welche dem Innendruck in dem Gefäß unmittelbar ausgesetzt sind, und wobei die Beanspruchungen der Gewindegänge nach außen hin bezogen auf das innere Ende der Verschlußeinrichtung, abnehmen. Es kommt auch zu radialen Beanspruchungen in dem Druckgefäß , wodurch die Beanspruchungen in den Gewindegängen weiterhin verzerrt oder erhöht werden. Die Verschlußeinrichtungen an Hochdruckgefäßen mußten deshalb zwange· läufig in ihren Querschnittsabmeasungen überdiemensioniert werden, um ausreichende Sicherheitsfaktoren zu schaffen, weil nicht alle Gewindegänge der Verschlußeinrichtung entsprechend ihrer tragenden Belastungseigenschaften gleichförmig und gleichmäßig wirksam beansprucht werden.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf isostatische

Druckgefäße, sie kann vielmehr bei Druckgefäßen anderer Art ebenfalle zur Anwendung kommen. Die Erfindung kann bei Druckgefäßen mit parallelen oder Schraubengewinden an den Verschlußeinrichtungen verwirklicht werden. Die VerschluÖteile können entweder mit fortlaufenden oder mit unterbrochenen Crewindegängen versehen sein, welch letztere Art bei Geschützverechlüssen üblich ist.

Unter Berücksichtigung des Vorstehenden schafft die Erfindung ein Hochdruckgefäß ait Sehraubverschluß, wobei em Gewindeverschlußteil in ein komplementäres Gewindeteil des Gefäßses eingeschraubt ist, und wenigstens eines dieser beiden Teile Gewindegänge mit Gewindefußbereichen und zugeordneten Vertiefungen aufweist. Das Gewindesystem ist dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindevevtiefungen sich von den inneren Bnden der Gewindefußbereiche radial erstrecken und Abstände zwischen benachbarten Gewindegängen bilden, und daß die radiale Tiefe dieser Vertiefungen in Richtung auf das gefäßinnere Ende des Gewindes im wesentlichen parabolisch zunimmt, wobei die Vertiefungen eine Verformbarkeit schaffen, die den Gewindequerschnitt hebelartig nachgeben läßt, um eine gleichförmige Beanspruchung der Gewindegänge der Verschlußeinrichtung und eine Anpassung an die Druckbeanspruchung des Gefäßes zu er-

geben.

Weitere Merkmale und ▼orteile der Erfindung «erden aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung alt der Zeichnung erkennbar. Es zeigen:

Fig. 1 einen Mittleren Vertikalechnitt durch den TerechluBberelch eines Hochdruckgefäßses,

Hg. la in scheaatlscher Darstellung eine Einzelheit des Gewindes gemäß Fig. 1,

Fig. 2 in vergrößerte» Maßstab eine Einzelheit des
Gewindes gemäß Fig. 1,

Fig·2a eine der Fig· 2 entsprechende Darstellung zur

übertriebenen Veranechaulichung der Durchfederung des Gewindes,

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung zur

Yeranschaulichung einer abgewandelten Auefuhrungsform der Gewindevertiefungen und der diesen zugeordneten Gewindegängen, und

Fig·3a eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung zur

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Veranschaulichung einer weiterhin abgewandelten
Aueführungsform der Gewindevertiefungen und der
zugeordneten Gewindegänge und zur übertriebenen
Veranschaulichung der Durchfederung des Gewindes.

In den Fig. 1 und 2 bezeichnet 10 die Wand eines Hochdruckgefäßes, das jede beliebige Form aufweisen kann Γ und von welchem nur die mit einem Gewinde versehene off- f nung 11 gezeigt ist, in welche ein Gewindestopfen 12 ,.· zum Verschließen des Gefäßinneren nach außen eingeschraubt f ist. Das in der öffnung 11 ausgeformte Innengewinde ist
mit 13 und das an dem Stopfen 12 ausgeformte Außengewinde ist mit H bezeichnet. ί

Für die schraubenartige Verschlußeinrichtung ist ein

Sägezahngewinde gezeigt, auf welches die vorliegende ; Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, wie dies vor- ; stehend angedeutet wurde. ·

Der Flankendurchmesser des Gewindes ist mit der Maßlinie D1 angedeutet. Die Maßlinie D2 deutet den Außen- ; durchmesser des Innengewindes 13 an, und die Maß- j linie D3 deutet schließlich den Kerndurchmesser des
Außengewindes H an. Dem normalen Kernbereich des Innengewindes 13 ist eine schraubenlinienförmige Nut oder
Vertiefung 15 zugeordnet, gleichartig ist dem Pußbe-

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Mit * »

reich des Außengewindeβ 14 eine schraubenlinienförmige Hut oder Vertiefung 16 zugeordnet.

Die Beanspruchungsverteilung an den Gewindegängen verläuft parabolisch, wobei die höchste Beanspruchung an den ersten tragenden Gewindegängen 5 und 6 der Gefäßwand bzw. des Verscblußstopfens auftritt. Das axial«* Tiefenprofil der Gewindevertiefungen ist entsprechend diese* Beanspruchungsverteilung gewählt, um eine gleichförmige Beanspruchung der Gewindegänge zu erzielen. Die Tiefe der schraubenlinienförmigen Vertiefungen 15 ist also über die axiale Länge des Innengewindes 13 nicht gleichförmig, sie besitzt vielmehr eine progressive Vergröe-8erung in Richtung auf das Ende des Gewindes, welches dem Inneren des Gefäßes 10 am nächsten ist. Wie insbesondere aus dem Querschnitt der Pig. I erkennbar, folgt der Fuß der Gewindevertiefung 15 einem parabelähnlichen Konus, der mit der Linie L1 - L1 angedeutet ist.

Gleichartig ist auch die Tiefe der schraubenförmigen Gewindevertiefung 16 nicht gleichförmig über die axiale Länge des Außengewindes 14, vielmehr vergrößert sich auch hier diese Tiefe progressiv in Richtung auf dae Ende des Gewindes, welches dem Inneren des Gefäßes am nächsten ist. Wie aus Pig. 1 erkennbar, folgt der

Fuß der Gewicdevertiefung 16 einem parabelähnlichen Konus, der mit der Linie 12 - L2 angedeutet ist.

Die Gfcwindevertiefungen 15, 16 bewirken eine Reduzierung der Steifheit der sie umgebenden Metallkörper, so daß sie eine Biegung des Metalles bei einer Beanspruchung erleichtern. Sas Vorsehen der Gewindevertiefung am Kern des Innengewindes erlaubt also eine Biegung von dessen Gewindewand, wie dies gefordert wird, um eirt Anpassung an die Kraft zu ergeben, die auf das Innengewinde von dem komplementären Außengewinde ausgeübt wird und umgekehrt. Die Tiefe der Vertiefungen und das Ausmaß und die Ausrichtung des Kegels, der diese Tiefe von Punkt zu Punkt ändert, sind so gewählt, daß alle Bereiche der Gewinde um Beträge durchgefedert werden, die in im wesentlichen gleichförmigen Beanspruchungen des Metalls resultieren.

In Pig. la ist nun schematisch das axiale Profil der Gewindevertiefung des Gefäßgewindes gezeigt und angedeutet sind einige Abmessungen, die beim Berechnen der Tiefe dieser Gewindevertiefung gebraucht werden. Eine zu dieser Darstellung spiegelbildliche Darstellung würde das axiale Profil der Gewindevertiefung des Außengewindes an dem Verschlußstopfen ergeben. Das Maß b ist der Abstand entlang den Gewindegängen von der

Unterseite des ersten, lasttragenden Gewindegangee 5 bis zu einem Punkt auf der Linie 11- LI. Sie Abmeneung d ist die Tiefe der Gewindevertiefung in dieses Abstand b, gemessen von der Gewiadespitze oder dem innersten Durchmesser D 3 des Gefäßes. 10. Im Falle des Außengewindes würde diese Abmessung d von dem Durehmesser D2 gemessen werden. Die Abmessung d ist die Standardtiefe des Gewindes ohne Gewindevertiefung, sie mißt die Hälfte des Unterschiedes zwischen dem Außendurchmesser D2 des Innengewindes 13 und dem Kerndurchmesser D3 des Außengewindes 14. Die Abmessung B ist die axiale Länge des Innengewindes an dem Gefäß 10.

Die BeanspruchungBverteilung sowohl des Innengewindes wie auch des Außengewindes ist entweder exponential oder paralbelähnllch in Abhängigkeit von den verwendeten Materialien und der gewählten Formgebung der Gewinde. Für die geraden und dreieckfönaigen Gewindegänge der vorliegenden Erfindung wurde die leanspruchungsvertailung anhand von mathematischen Modellen berechnet, sie erfüllt die folgende Gleichung:

(I) 6,31 x I²T + 0,75 x T² + O,O156Y⁵ - 1 ■ 0

wobei X der Abstand längs den Gewindegängen, gemessen von der Unterseite des ersten, lasttragenden Gewinde-

4 j i

ganges, und Y der Quotient der Belastung an einem bee.xnmten Gewindegang geteilt durch die mittlere Belastung an allen Gewindegängen ist.

Wählt man das axiale Profil der Tiefen der Gewindevertiefung entsprechend der Belastungsverteilung, dann werden die Gewindegänge derart durchfedern, daß sie eine gleichförmige Beanspruchung erfahren, so daß sich für jeden Punkt der Kurve L1 - L1, welche das Profil der Tiefen der Gewindevertiefungen bildet, folgende Bedingung ergeben:

b - BZ, 0 -£ b <έ Β und d « DT, wobei D^d

Diese Ausdrücke lassen sich wie folgt umschreiben: b = I und d * Y

Fügt man diese Ausdrücke in die vorstehende Gleichung (I) ein, dann erhält man für die Tiefe d der Gewindelücke im Abstand b von der Unterseite des ersten, lasttragenden Gewindeganges folgende Gleichung:

(II) 6,31 b^d + 0,75 bdj; + O,O156dl_- 1 = 0

BD

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Es ist nicht unabdingbar, daß beide Gewindeteile mit GewindeVertiefungen versehen sind, vielmehr reicht es aus, eine Crewindevertiefung nur für den einen Gewindeteil vorzusehen, Wenn beide Gewindeteile eine Gewindevertiefung besitzen, dann wird der nach der vorstehenden Gleichung ermittelte Abstand d auf die Gewindevertiefungen des Innengewindes und des Außengewindes aufgeteilt. Gemäß einer Ausführungsform sind die Tiefen der Gewindevertiefungen der beiden Gewindeteile gleich und entsprechend dem halben Wert d, es können jedoch für andere Ausführungsformen auch andere Verhältnisse gewählt werden.

Gemäß dem vorliegenden Erfindungsgedanken wird eine gleichförmige Beanspruchung der Gewindegänge der Verschlußeinrichtung dadurch erreicht, daß der Gewindequerschnitt in axialer Richtung als Hebel eine Durchfederung erfährt und daß die Gewindelücken 15 oder 16 die notwendigen Durohfederungseigenschaften ergeben.

Sie vergrößerte Einzelheit der Fig. 2 zeigt zueinander parallele Planken 17 und 17' der Gewindevertiefung Hierin ist kein notwendiges Erfordernis zu sehen, vielmehr können diese Flanken auch schräg verlaufen. Gleichartig sind die Flanken 18 und 18' der Gewindevertie-

fung 16 ale parallel zueinander gezeigt. Auch diese Planken können schräg verlaufen. Sie Halbmesser bzw. Krümmungen der Oberflächen 19» 20 am Puß der Gewindevertiefungen 15t 16 bzw. der Oberflächen 21, 22 am PuB der Gewindegänge 13, H sind vorzugsweise so gewählt, daß sie die Beanspruchungsverteilung in den Gefäß ausgleichen, so daß die Gewinde als gleichförmig beanspruchte, kontinuierlich flexible Hebel fungieren. Sie Flankenbereiche der Gewindegänge sind geradlinig gezeigt.

Fig·2a zeigt ein herkömmliches Sägezahngewinde. Sie Sarstellung veranschaulicht in gestrichelten Linien mögliche Surchfederungen, deren Auemaß übertrieben dargestellt ist. S1 ist der Plankendurchmesser, und bezeichnet die zueinander parallelen, komplementären Oberflächen im unbeaaspruchten Zustand· Diese Parallelität entspricht dem erwarteten Idealsuatt4d, se wird jedoch bezweifelt, daß dieser in der Praxis ranter Beanspruchung voll erreicht wird. Natürlich geht im belasteten bzw. beanspruchten Zustand diese Parallelität in gewissem Ausmaße verloren, wobei dann die Spitzen 24 und 25 der Gewinde zu Belastungspunkten werden, die Komplexe Biegungs- und Scherbeanspruchungen ergeben, welche dann erfaßbar sind.

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Um die Beanspruchung auf die Linie des Flankendurchme88er8 zu zentralisieren und üb die Hebelarme auszugleichen kann eine ballige Gewindeausführung verwendet werden, die in Flg. 3 veranschaulicht ist.

Gemäß dieser in Fig. 3 veranschaulichten Ausführungeform sind die Flanken 21A des Gewindes 13 nicht geradlinig wie in der Ausführungsform gemäß Fig. 2. Vielmehr ist die Flanke 21A ballig ausgeführt, und zwar sowohl an der Spitze wie auch am FuB, worauf mit 23 hingewiesen ist, um dadurch eine Anpassung an die Biegungsbeanspruchungen zu ergeben. Eine gleichartige Balligkeit kann für die Flanken des Gewindes 14 gewählt werden, wie dies die Fig. 3a veranschaulicht. Ss kann die Balligkeit auch nur für das Gewinde 14 und nicht für das Gewinde 13 vorgesehen werden.

Sie Fig.3a zeigt ein ballig ausgeführtes Sägezahngewinde im Singriffszustand, wobei die Belastung auf die Oberflächen 27 ausgeübt wird. Es sollte hierbei erkannt werden, daß die Gewindespitzen 28 und 29 ohne Belastung sind, um so einen kürzeren Hebelarm zu schaffen. Der gestrichelt eingezeichnete Linienverlauf veranschaulicht auch hier übertrieben die Durchfederungen, die unter Lastbedingungen erwartet werden. Der Singriff

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7(K1236ui.72

der Gewinde unter Last ist mit der gestrichelten Linie 27* angedeutet.

Zum Abdichten des Gefäßes gegen ein Lecken kann jede bekannte Abdichteinrichtung verwendet werden, so kann beispielsweise eine Abdichtung ähnlich derjenigen gemäß der britischen Patentschrift 1 012 119 Verwendung finden. Jedem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet sollte klat sein, daß die vorliegende Erfindung die Schaffung eines mechanischen Zwangsverschlussäs anstrebt, der ein Herausstoßen des Verschlußstopfens aus dem Druckgefäß ί durch den Innendruck verhindert und auf alle Arten von Verschlüssen anwandbar ist. Der in der vorstehenden $ Beschreibung verwendete Ausdruck "Konus" bezeichnet Ij eine axiale profilierte Form. ·

Patentansprüche t

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Claims (1)

1. Ansprüche :

   1. Hochdruckgefäß mit einem Schraubverschluß, dessen Gewinde in ein komplementäres Gewinde des Gefäßes eingeschraubt ist und wenigstens eines dieser Gewinde mit Gewindefußbereichen und zugeordneten Vertiefungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindevertiefungen (15 oder 16) sich von den inneren Enden der Gewindefußbereiche radial erstrecken und Abstände zwischen benacLoarten Gewindegängen bilden, und daß die radiale Tiefe dieser Vertiefungen in Richtung auf das gefäßinnere Ende des Gewindes im wesentlichen parabolisch zunimmt, wobei die Vertiefungen eine Verformbarkeit schaffen, die den Gewindequerschnitt hebelartig nachgeben läßt, um eine gleichförmige Beanspruchung der Gewindegänge der Verschlußeinrichtung und eine Anpassung an die Druckbeanspruchungen des Gefäßes zu ergeben^/

   2. Druckgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Vertiefungen in Richtung auf das gefäßinnere Ende des Gewindes im wesentlichen ein er Kurve folgt, welche die folgende Gleichung erfüllt:

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   6.31 b²d + 0,75 bd² + 0,0156 dj* - 1 * 0 ^" "^ D^

   wobei: D = Gewindotiefe

   B s axiale Länge der Gewindeöffnung, b = Abstand entlang der Gewindegänge gemessen ▼on dem ersten tragenden Gewindegang bis zu einem Punkt auf der Kurve, d = Tiefe der Vertiefungen gemessen von der äußersten Kante des Gewindeganges bis bu einer dazu senkrechten und die Kurve in diesem Punkt schneidenden

   3· Druckgefäß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der komplementären Gewinde an der Spitze und am Fuß ballig ausgeführt

   4· Druckgefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken der beiden komplementären Gewinde ballig ausgeführt sind. /

   5- Druckgefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Vertiefungen den Gewindegängen so-TTohl des Verschlusses als auch des Gefäßes zugeordnet sind, j