DE732853C

DE732853C - Device for determining the forces in pipelines using a model experiment

Info

Publication number: DE732853C
Application number: DES137048D
Authority: DE
Inventors: Harold W Semar
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1938-05-11
Filing date: 1939-05-12
Publication date: 1943-03-13

Description

Wenn man einen Kessel mit einer Turbine verbindet, so muß bei der Aufstellung des Rohrplanes darauf Rücksicht genommen werden, daß auf die Turbine keine Verwindungskräfte übertragen werden, die die Achse der Turbine aus der Achse der angetriebenen Maschine herausrücken könnten oder gefährliche Kräfte im Turbinenfundament hervorrufen. Auch dürfen die Biegungskräfte in der Rohrleitung nicht so groß werden, daß sie ein Undichtwerden der Rohrverbindungen oder gefährliche Beanspruchungen der Rohrwandung hervorrufen könnten. Die hierbei zu überwindenden Schwierig-If you connect a boiler to a turbine, you must install the Rohrplanes care must be taken that there are no torsional forces on the turbine that could move the axis of the turbine out of the axis of the driven machine or create dangerous forces in the turbine foundation. The bending forces are also allowed in the pipeline do not become so large that the pipe connections become leaky or dangerous stresses on the pipe wall. The difficulties to be overcome here

»5 keiten sind besonders groß, wenn es sich um hohe Drücke und Temperaturen handelt oder Rohrleitungen von besonders großem Durchmesser vorliegen. Es besteht zwar die Möglichkeit, die Rohrleitungen rechnungsmäßig zu erfassen, jedoch sind die Schwierigkeiten hierbei recht erheblich, vor allem dann, wenn die Rohrleitung nicht· in einer Ebene, sondern nach einer Raumkurve verläuft. Die Berechnungen sind dann sehr lang und zeitraubend. Um derartige Berechnungen zu vermeiden, besteht die weitere Möglichkeit, entsprechend dem an sich auf anderen Gebieten bekannten Gedanken, den Modellversuch zur Vorausbestimmung der gesuchten Beanspruchungen heranzuziehen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Durchführung eijnes derartigen Modellversuchs und soll eine zweckmäßige Ausbildung für sie im Hinblick auf das besondere Anwendungsgebiet schaffen. Hierbei geht die Erfindung auf Grund des Vorbildes bekannter Anordnungen, die ähnlichen Zwecken dienen, von einer Einrichtung aus, welche zur Voraus-»5 things are especially great when it comes to high pressures and temperatures or pipelines with a particularly large diameter are present. It is possible to account for the pipelines, but the difficulties are in this case quite considerably, especially when the pipeline is not · in one plane, but runs along a space curve. The calculations are then very long and time consuming. In order to avoid such calculations, there is the further possibility of doing the same the idea known in other areas, the model experiment for To use the prediction of the stresses sought. The present invention relates to a device for carrying out such a model test and is intended to provide appropriate training for them with regard to the particular area of application create. The invention is based on the model of known arrangements that serve similar purposes from a facility which, in advance,

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bestimmung der an den Anschlußstellen einer räumlichen Rohrleitung infolge Ausdehnung auftretenden Kräfte und Momente eine Modellrohrleitung benutzt, die meßbaren Kräften und Momenten unterworfen wird, die denen der endgültigen Rohrleitung ähnlich sind und aus denen die endgültigen Beanspruchungswerte errechnet werden. Die Erfindung besteht darin, daß eine solche Einspannvorrichtung für das Modellrohr verwendet wird, die' dieses an einem Ende drehfrei faßt und bei der außerdem durch einen in Richtung der auftretenden Ausdehnung beweglichen Teil die Rohrkräfte und Biegungen herbeigeführt werden, während in einem zweiten feststehenden, mit Meßinstrumenten ausgerüsteten Teil die Beanspruchungswerte am anderen Ende nach den drei Koordinatenrichtungen ermittelt werden.determination of the at the connection points of a spatial pipeline due to expansion occurring forces and moments a model pipeline is used, the measurable forces and is subjected to moments similar to those of the final pipeline and from which the final stress values are calculated. The invention exists in the fact that such a clamping device is used for the model tube, which ' this grips at one end free of rotation and also by one in the direction of the occurring expansion moving part the pipe forces and bends brought about while in a second stationary, equipped with measuring instruments Divide the stress values at the other end according to the three coordinate directions be determined.

Die Abbildungen zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung nach der Erfindung. In den Fig: 1 und 2 sind zwei Ansichten einer im Raum verlaufenden Rohrleitung 5 dargestellt, die dazu dienen möge, einen Kessei 6 mit einer Turbine 7 zu verbinden. Stellt man die Koordinatenrichtungen der Ausdehnungs- und Endbewegungen durch a, b und c dar (Fig. 3 und 4), dann bestimmt die Resultierende r_x = ] a~ + ß den Winkel cn. gegenüber α und die Resultierende e — ] c^+ä* +T* den Winkel ß, bezogen auf die Ebene von α und b. Die Richtung von e ist die Richtung der Ausdehnung der Rohrleitung und der Endbewegung. Der Vektor e stellt die Verlagerung des Rohrleitungsendes gegenüber der Auflage dar, die eintreten würde, wenn das Ende der Rohrleitung und ihre Auflage so betrachtet werden, als wenn sie nicht verbunden seien. Wenn man also das Rohrleitungsende mit der Auflage wieder zusammenbringen will, so muß die Rohrleitung um einen Betrag angespannt werden, dessen Vektor gleich, aber entgegengesetzt gerichtet zu e ist. Wenn die Vektoren a, b und c die Ausdehnung in den drei Koordinatenrichtungen bedeuten, kann man die Resultierenden t\ und e und die Winkel α und β aus der Fig. 3 entnehmen. The figures show an embodiment of a device according to the invention. 1 and 2 show two views of a pipeline 5 running in space, which pipe line 5 may serve to connect a boiler 6 to a turbine 7. If the coordinate directions of the expansion and end movements are represented by a, b and c (FIGS. 3 and 4), then the resultant r _x =] a ~ + ß determines the angle cn. compared to α and the resultant e -] c ^ + ä * + T * the angle ß, based on the plane of α and b. The direction of e is the direction of pipe expansion and end movement. The vector e represents the displacement of the pipe end with respect to the support that would occur if the end of the pipe and its support were viewed as if they were not connected. So if you want to bring the pipe end back together with the support, the pipe must be tensioned by an amount whose vector is the same but opposite to e . If the vectors a, b and c mean the extension in the three coordinate directions, the resultants t \ and e and the angles α and β can be taken from FIG.

In Fig. 4 stellt 8 ein verkleinertes Modell der Rohrleitung nach den Fig. 1 und 2 dar, wobei die Richtungen der Ausdehnungen a, b und c die Winkel α und β eingezeichnet sind. Das eine Ende der Rohrleitung 8 ist fest bei 9 in den beweglichen Support 10 eingeklemmt, während das andere Ende bei π am festen Support 12 befestigt ist. Die beiden ; Supporte ruhen auf einer Platte 14. Bei die- ■ ser Anordnung sind die Enden der Modellleitung so eingespannt, daß sie sich, nicht · drehen können. Das eine Ende wird in der ; Richtung der Ausdehnung bewegt, wobei die Reaktionskräfte, die hierbei entstehen, am festen Ende bestimmt werden. Der Support 10 ist so ausgestaltet, daß das bei 9 eingespannte Ende der Rohrleitung in der Riehtung der Ausdehnung oder in der Richtung der Resultierenden e bewegt werden kann.In FIG. 4, 8 represents a reduced model of the pipeline according to FIGS. 1 and 2, the directions of the dimensions a, b and c, the angles α and β being shown. One end of the pipeline 8 is firmly clamped at 9 in the movable support 10, while the other end is attached to the fixed support 12 at π. The two ; Supports rest on a plate 14. In this arrangement, the ends of the model line are clamped in such a way that they cannot rotate. One end will be in the; Moves in the direction of expansion, with the reaction forces that arise here being determined at the fixed end. The support 10 is designed so that the end of the pipeline clamped at 9 can be moved in the direction of expansion or in the direction of the resultant e.

Der Support 12 ist auf der Platte 14 befestigt, während der Support 10 einstellbar ist, z. B. in der Weise, daß die Grundplatte 7« 16 des Winkelstückes 17 durch Klammern 18 und Führungen 19 gehalten wird. Das Winkelstück hat eine vertikale Wange 20 mit Schlitzen 21 zur Aufnahme \'on Bolzen 22, die das Führungsstück 2^ halten. Ein Schiitten 24 kann entlang des Führungsstückes mit Hilfe einer Spindel 25 verstellt werden. Der Schlitten hat eine Ouernut 26, in der der Block 2"] einstellbar befestigt werden kann. Dieser Block^tf27 trägt die Klammer 9. Mit Hilfe dieser Einrichtung kann das Winkelstück 17 an der Grundplatte 14 befestigt werden, und es können die Einstellungen vorgenommen werden, die im Hinblick auf die Abmessungen und die Gestalt der Modell- ⁸S leitung nötig sind. Das Winkelstück kann dabei so eingestellt werden, daß die vertikale Wange den Winkel α gegenüber einer Ecke der Grundplatte bestimmt, wobei die Rohrleitung so angeordnet wird, daß eine ihrer Richtungen parallel zu dieser Ecke ist. Durch weitere'Einstellungen wird die Richtung des Fußes des Schlittens 14 so gewählt, daß sie der Resultierenden e entspricht. Der Schlitten bestimmt dann den Winkel β gegenüber der Ebene der Grundplatte. Durch die Einstellungen der Tragkonstruktion der beweglichen Klammer und durch Einspannung der Enden der Rohrleitung in den Klammern in der Weise, daß sie sich nicht drehen können. kann das eine Ende der Modelleitung durch Einstellung des Schlittens 24 in der Richtung der Rohrleitungsdehnung eingestellt werden. Die· Vorschubeinrichtung 25 wird zur zunehmenden Bewegung des Endes der Rohr- i°5 leitung eingestellt, und es wird die Reaktion des Supportes 12 des festen Endes der Rohrleitung bestimmt in Beziehung auf die Ausbiegungen der Modelleitung.The support 12 is attached to the plate 14, while the support 10 is adjustable, e.g. B. in such a way that the base plate 7 «16 of the elbow 17 is held by clips 18 and 19 guides. The angle piece has a vertical cheek 20 with slots 21 for receiving \ 'on bolts 22 that hold the guide piece 2 ^. A slide 24 can be adjusted along the guide piece with the aid of a spindle 25. The slide has an Ouernut 26 in which the block 2 "] can be adjustably fastened. This block ^tf 27 carries the clamp 9. With the help of this device, the angle piece 17 can be fastened to the base plate 14, and the settings can be made , which are necessary in view of the dimensions and the shape of the model ⁸ S. The elbow can be adjusted so that the vertical cheek determines the angle α with respect to a corner of the base plate, the pipeline is arranged so that a The direction of the foot of the slide 14 is selected so that it corresponds to the resultant e . The slide then determines the angle β with respect to the plane of the base plate Clamp and by clamping the ends of the pipe in the clamps so that they cannot rotate, one end can of the model line can be adjusted by adjusting the slide 24 in the direction of the pipe expansion. The feed device 25 is set for increasing movement of the end of the pipe line, and the reaction of the support 12 of the fixed end of the pipe line is determined in relation to the bends in the model line.

Vor einer eingehenden Betrachtung des no festen Supportes 12 sei vorweg eine Erläuterung gewisser Grundsätze des Apparates und seiner Wirkungsweise gegeben. Die Reaktionskraft des festen Endes der Rohrleitung kann bestimmt werden als eine Kraft in jeder der drei Koordinatenrichtungen und als Moment in jeder der drei Koordinatenebenen. Diese drei Momente sind vorhanden, weil das Ende der Rohrleitung an jeder Drehbewegung gehindert ist. Diese sechs Koordinatenkräfte sind in der Fig. 6 durch die Kräfte P_x, P_v und P, und durch die Momente ΛΙ_Λν, M_vz Before a detailed consideration of the fixed support 12, an explanation of certain principles of the apparatus and its mode of operation should be given in advance. The reaction force of the fixed end of the pipeline can be determined as a force in each of the three coordinate directions and as a moment in each of the three coordinate planes. These three moments exist because the end of the pipeline is prevented from rotating. These six coordinate forces are shown in FIG. 6 by the forces P _x , P _v and P, and by the moments ΛΙ _Λν , M _vz

und M_zx in den drei Ebenen dargestellt. Jedes dieser drei Momente kann durch ein Kräftepaar ersetzt werden, von denen eine Kraft jeweils in der Koordinatenrichtung wirkt. So ist z. B. in Fig. 7 das Moment M_xy ersetzt durch zwei Kräfte in entgegengesetzter Richtung von der Größe —-f- und inand M _{zx shown} in the three planes. Each of these three moments can be replaced by a pair of forces, one of which acts in the coordinate direction. So is z. B. in Fig. 7 the moment M _xy replaced by two forces in opposite directions of the size -f- and in

einem Abstand d voneinander, wobei eine der Kräfte in der Richtung von P_x liegt. Durch entsprechende Ersetzung der übrigen zwei Momente durch Kräftepaare ergeben sich die .sechs äquivalenten Kräfte der Fig. 7. Die sechs Koordinatenkräfte lassen sich leicht in die sechs äquivalenten Kräfte (Fig. 8) durch die folgenden Beziehungen umgestalten, die sich ohne weiteres aus den Fig. 7 und 8 entnehmen lassen.a distance d from each other, one of the forces being in the direction of P _x . By replacing the other two moments with pairs of forces, the six equivalent forces of Fig. 7 are obtained 7 and 8 can be removed.

■ = Ρχ —■ = Ρχ -

■~^py■ ~ ^p y

My₁ My ₁

R_x, =R _x , =

R - ^M R - ^M

Umgekehrt können, wenn die äquivalenten Kräfte der Fig. 8 bekannt sind, die Koordinatenkräfte aus den folgenden Beziehungen ermittelt werden:Conversely, if the equivalent forces of FIG. 8 are known, the coordinate forces can be determined from the following relationships:

Die Befestigung 11 für das feste Ende der Rohrleitung 8 ist so angeordnet, daß jede der sechs äquivalenten Kräfte gemessen werden kann. Zu diesem Zweck wird, wie aus den Fig. 4, 5 und 9 entnommen werden kann, die Einspannvorrichtung 11 durch Bolzen gehalten, die in den positiven und negativen Richtungen der sechs äquivalenten Kräfte wirksam sind. In Fig. 9 stellen die Kräfte R_x und —R_x die Lage eines Stiftpaares 2^_x der Fig. 4 und 5 dar, die Kräfte R_xy und —R_xy die Stellung des Stiftpaares 2^_xy, die Kräfte R₂ und —R_z die Stellung des Stiftpaares 2ζ_ζ, die Kräfte R_yz und -—R_yz das Stiftpaar 25^₂, die.The attachment 11 for the fixed end of the pipeline 8 is arranged so that each of the six equivalent forces can be measured. To this end, as can be seen from Figs. 4, 5 and 9, the jig 11 is held by bolts acting in the positive and negative directions of the six equivalent forces. In Fig. 9, the forces R _x and - R _{x represent} the position of a pair of pins 2 ^ _x of FIGS. 4 and 5, the forces R _xy and - R _xy the position of the pair of pins 2 ^ _xy , the forces R ₂ and - R _z the position of the pin pair 2ζ _ζ , the forces R _yz and -— R _yz the pin pair 25 ^ ₂ , the.

P_x=IP _x = I. R_x R _x ++ Py =Py = RyRy Mxy =Mxy = d-d- RxyRxy My,=My, = d-d- Ry,Ry,

; Kraft —R_y den Stift 2$_y und die Kräfte R_2x und —R_2x die Stifte 2^_zx. Die Stifte werden gehalten, wie es aus Fig. 5 entnommen werden kann. Jeder Stift liegt in einem Napf 26, der sich gegen die Schulter 27 der Büchse'28 abstützt. Die Büchse 28 ist in den äußeren Teil29 des festen Supportes 12 eingeschraubt. Die Büchsen 28 sind so eingestellt, da'ß sie ; nur eine sehr kleine Bewegung ermöglichen , in der Größenordnung von 0,05 mm, so daß ' der Stift des einen Paares die Kräfte auf das ι äußere Glied des Supportes überträgt, während der andere lose ist. Aus der Darstellung ; sieht man, daß der Stift, der +i?_y in Fig. 9 entsprechen würde, weggelassen ist, um eine Verbindung des einen Endes der Modellleitung an dem inneren Teil 11 des festen Supportes 12 zu ermöglichen. Bei dieser Anordnung, bei der die Spannvorrichtung die Form einer Hülse und einem oberen Ende für die Modelleitung besitzt, muß die Modellleitung so befestigt werden, daß R₃, negativ ■ bleibt. Die Kräfte der Einspannung 11 werden auf das äußere Teil 29 des festen Supportes 12 durch Stifte 25 übertragen, und die Kraft, der einer dieser Stifte unterworfen . wird, ist so groß, wie es erforderlich ist, : um gerade die Kappe von ihrem Sitz abzu-[ heben. Die Messung der Kräfte erfolgt über die Instrumente 31 und 32, wie es in Fig. 5 \ in Verbindung mit den Stiften 2ζ_χ gezeigt ist. Das Instrumental ist ein Zeigerinstrument, das anzeigt, wenn ein Spalt zwischen den Bolzen entsteht. Das Instrument 32 besitzt einen Körper 33 mit dem Kolben 34 und der kalibrierten Feder 35. Das eine Ende des Körpers besitzt eine Innenverschraubung zur Aufnahme der Außen verschraubung der Büchse 28. Der Kolben 34 stützt sich gegen den Napf 26 mit zunehmender Kraft, je nachdem wie weit das Instrument in die Büchse eingeschraubt wird, um die Feder 35 zusammenzudrücken, bis der Anzeiger 31, der dem gegenüberliegenden Stift zugeordnet ist, anzeigt, daß der Napf abgehoben ist. Auf diese Weise kann die Kraft, die auf den linken Stift 2ζ_χ der Fig. 5 einwirkt, durch die Zusammendrückung der Feder 35 bestimmt werden, wobei das Instrument 36 die Größe der Kraft anzeigt.; Force —R _y the pin 2 $ _y and the forces R _2x and - R _2x the pins 2 ^ _zx . The pins are held as can be seen in FIG. Each pin lies in a cup 26 which is supported against the shoulder 27 of the Büchse'28. The sleeve 28 is screwed into the outer part 29 of the fixed support 12. The sleeves 28 are adjusted so that they; allow only a very small movement , of the order of magnitude of 0.05 mm, so that 'the pin of one pair transmits the forces to the ι outer member of the support, while the other is loose. From the representation; can you see that the pen, the + i? _y in FIG. 9 is omitted in order to enable one end of the model line to be connected to the inner part 11 of the fixed support 12. With this arrangement, in which the clamping device has the shape of a sleeve and an upper end for the model line, the model line must be fastened in such a way that R ₃ , remains negative. The forces of the restraint 11 are transmitted to the outer part 29 of the fixed support 12 through pins 25, and the force to which one of these pins is subjected. is as large as it takes to: just lift the cap from its seat. The forces are measured using the instruments 31 and 32, as shown in FIG. 5 \ in conjunction with the pins 2ζ _χ . The instrumental is a pointer instrument that indicates when there is a gap between the bolts. The instrument 32 has a body 33 with the piston 34 and the calibrated spring 35. One end of the body has an internal screw connection for receiving the external screw connection of the sleeve 28. The piston 34 is supported against the cup 26 with increasing force, depending on how the instrument is screwed far into the sleeve to compress the spring 35 until the indicator 31 associated with the opposite pin indicates that the cup has been lifted. In this way, the force acting on the left pin 2ζ _χ of FIG. 5 can be determined by the compression of the spring 35, the instrument 36 indicating the magnitude of the force.

Die sechs Kräfte werden für verschiedene Stellungen des beweglichen Endes der Modellleitung aufgezeichnet. Sie werden über einer linearen Bewegung des einen Endes der Rohrleitung gegenüber dem anderen oder gegen eine Rohrausbiegung aufgetragen, und die Mittelwerte der Kurven werden als die Modellkonstanten R_x, R_y, R_z, R_xy, R_yx und R_zx gewählt, welche die Kräfte der Ausbiegung darstellen. Die Ausbiegung wird positiv angenommen in der Richtung entgegengesetztThe six forces are recorded for different positions of the movable end of the model line. They are plotted against a linear movement of one end of the pipeline with respect to the other or against a pipe bend, and the mean values of the curves are chosen as the model constants R _x , R _y , R _z , R _xy , R _yx and R _zx , which represent the Represent forces of deflection. The deflection is assumed to be positive in the opposite direction

Claims

for pipe expansion, paying particular attention to the signs of the model expansion constants must pay attention.

The fixed fastening device ι r contains the vertically positioned body 38 with openings 39 to form seats for the various pins and contains a vertical bore 40 which is open at its upper end to receive one end of the pipeline. The bore is widened at 41 ″ to facilitate pipeline insertion and to ensure that the end of the tubing can be adjusted _{in the plane of pins 25x} and 2 $ _z. The model extends beyond the plane 41, as seen at 43, to create a portion that protrudes into the sleeve 40 and cooperates with the adjustment screws 43 in the body 38, around the end

? .o to clamp the pipeline firmly and non-rotatably. Here, the uppermost adjusting screws in the plane 41 are effective, whereby it is achieved that the end of the model line, which corresponds to the end of the real line, is subject to similar conditions and physical effects. It is assumed that a sample of the tubing was clamped on the supports with the appropriate setting of the movable a support 10 and that the \ ^T orschubmechanismus 25 is moved progressively in that the end of the model line moves in the direction of the pipe expansion. For each step of the movement, observations of the forces and reactions on the fixed support are made with the aid of the measuring instruments 31 and 32, which are attached to the bushings 2S . From these series of observations, which are related to linear movements of the movable pipe end. average values are obtained for the model deflection coefficients at the various points.

characterized by such a

Ρλ τ ε χ τ λ ν s ρ κ ν c η:

Device for the predetermination of the at the connection points of a spatial Pipeline due to expansion forces and moments with a model pipeline, the measurable forces and is subjected to moments similar to those of the final pipeline and from which the final stress values are calculated.

clamping device for the model tube, which grips this rotation-free at one end and in addition, movable by a in the direction of the occurring expansion Part of the pipe forces and bends are brought about while in one The second fixed part, equipped with measuring instruments, shows the stress values at the other end can be determined according to the three coordinate directions.

1 sheet of drawings

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