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Flanschverbindung an Druckgefäßen, insbesondere an Gehäusen von Dampf-
und Gasturbinen Die Lösung der Aufgabe, die Gehäuseteile von Dampf- oder Gasturbinen
durch eine Flanschverbindung dicht miteinander zu verbinden, wird mit ständiger
Zunahme der Frischdampfdrücke oder Temperaturen immer schwieriger. Die benötigten
Flanschschrauben müssen dabei besonders stark bemessen werden, weil die Gehäuseflansche
sich beim Anfahren der Turbine erheblich schneller erwärmen als die Schrauben, so
daß derartig an und für sich schon stark beanspruchte Schrauben hierbei überbeansprucht
Werden. Aus diesem Grunde werden solche Schrauben oft als sogenannte Dehnschrauben
ausgebildet, d. h. man verjüngt den Schaft zwischen den beiden Gewinden und verlängert
ihn über das notwendige Maß, um dann zwischen dem Gehäuseflansch und der Mutter
eine Hülse einzusetzen, deren Querschnittsfläche etwa der Fläche des verjüngten
Schaftquerschnitts entspricht.
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Die insbesondere bei Dampfturbinen auftretenden Drücke erfordern bereits
so große Schraubendurchmesser, daß die Gehäuseflansche unverhältnismäßig groß und
breit werden und die Symmetrie des Gehäuses stören, was erfahrungsgemäß zu Verziehungen
und insbesondere zum Unrundwerden der Gehäuse führt. Um diese Schwierigkeiten zu
vermeiden, hat man Flanschverbindungen vorgeschlagen, die im wesentlichen aus einzelnen,
nebeneinander angeordneten Klammern bestehen, die die Gehäuseflansche zusammenpressen,
indem Schraubenbolzen die Klammern in Richtung der Gehäuseteilung gegen die Gehäuseflansche
ziehen. Die Klammern bestehen aus einem quer zur Teilfuge liegenden
Steg
mit daran sitzenden Wangen, die von beiden Seiten her auf entsprechende schräge
Flächen an den Gehäuseflanschen drücken. Die Schrauben sind in Richtung der Flansche
in das Gehäuse eingeschraubt und so angeordnet, daß sie den an der Teilfuge des
Gehäuses entstehenden höhen Druck nicht selbst aufnehmen. Bei dieser Bauart müssen
die Klammern sehr . breit ausgebildet werden, da sie stark auf Biegung beansprucht
werden. Eine solche Klammerverbindung stellt im Vergleich zu den eingangs beschriebenen
Dehnschrauben erst recht ein starres Svstem dar. Die Klammern erwärmen sich beim
Anfahren der Turbinen langsamer als die vom Dampf bespülten Flansche, so daß sie
infolge der größeren Wärmedehnung der Flansche zusätzlich auf Biegung beansprucht
und leicht bleibend verformt werden. Die Folge davon ist, daß entweder das Gehäuse
undicht wird oder aber daß die Turbine nur sehr langsam angefahren werden kann,
was ihren Wert stark beeinträchtigt.
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Die vorliegende Erfindung erstrebt eine verbesserte Ausführung einer
derartigen Flanschverbindung, bei der einzelne, nebeneinander angeordnete Klammern
mittels parallel zur Flanschdichtfläche angeordneter Schraubenbolzen die Gehäuseflansche
zusammenpressen und dabei die Klammern unter Keilwirkung gegen die Flansche ziehen.
Das Neue der Erfindung besteht darin, daß die Flansche, Klammern und Bolzen so ausgebildet
und angeordnet sind, daß die durch die Anzugskraft der Schraubenbolzen entstehenden,
schräg gerichteten Auflagekräfte der Klammer Spannkräfte im Flansch und in der Klammer
hervorrufen, von denen die eine oder die andere der Spannkräfte sich mit den beiden
Kraftrichtungen von. Bolzen und Auflager wenigstens angenähert in einem gemeinsamen
Punkt schneiden, womit bewirkt wird, daß entweder die Klammer oder das Gehäuse nahezu
völlig von Biegebeanspruchungen entlastet ist. Zur Unterstützung dieser Wirkung
insbesondere beim Auftreten der starken Erwärmung des Gehäuses können ebenfalls
Dehnschrauben in Verbindung mit Dehnhülsen, die innerhalb der Klammer angeordnet
sind, oder elastische Druckstücke zwischen Klammer und Gehäuseflanschen angeordnet
werden. Zur besseren übertragung der Wärme auf die Klammer kann die Klammer unmittelbar
wärmeleitend am Gehäuse anliegen, oder es kann der Spalt zwischen Klammer und Gehäuse
mit wärmeleitendem Material ausgefüllt sein.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind an Hand einiger Ausführungsbeispiele,
die in der Zeichnung dargestellt sind, im folgenden beschrieben; Fig. i zeigt eine
einfache Flanschverbindung nach der Erfindung im Querschnitt; Fig.2 stellt eine
ähnliche Flanschverbindung unter Verwendung von elastischen Druckstücken dar; Fig.3
ist eine Flanschverbindung, bei der die Befestigungsschrauben unmittelbar am Flansch
angreifen, so daß das Gehäuse biegungsfrei wird.
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Nach Fig. i ist als Flanschverbindung zwischen den Gehäuseteilen i
und 2 eines geteilten Turbinen- , gehäuses eine Klammer 3 verwendet, die mittels
der Schrauben 4 gegen abgeschrägte Auflageflächen 5 der Gehäuseflansche i und 2
gepreßt wird. Hierbei ist die senkrechte Entfernung zwischen der schrägen Auflagefläche
5 und den waagerecht angeordneten Schrauben 4 so groß gewählt, daß die Richtung
der schrägen Auflagekraft mindestens angenähert durch den Schnittpunkt der waagerecht
verlaufenden Schraubenachse mit der Richtung der im Klammersteg verlaufenden Spannkraft
hindurchgeht. Das Moment aus der Schraubenkraft und der Entfernung zwischen der
Auflagefläche 5 und der Schraubenachse hebt das Biegemoment der außerhalb der Klammerstegachse
angreifenden Auflagekraft auf. Hierdurch wird erreicht, daß die Klammer fast gar
nicht mehr auf Biegung, sondern vorwiegend nur noch auf Zug beansprucht wird. Der
Fortfall der Biegebeanspruchung ermöglicht es, den Querschnitt der Klammer bedeutend
geringer zu bemessen, so daß das Volumen der Klammer gegenüber einer Klammer bisheriger
Bauart fast auf ein Viertel zusammenschrumpft. Die Klammer vermag mit ihrer Wärmeaufnahme
über die Auflagefläche 5 einer Erwärmung des Gehäuses erheblich schneller zu folgen,
so daß unzulässig hohe Biegebeanspruchungen in Klammer und Gehäuse vermieden werden.
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Im Gegensatz zu der obenerwähnten bekannten Klämmerverbindung, die
sehr starr ist und bei der die Schrauben nur zum Aufbringen und Festhalten der Klammern
dienen, nehmen bei der erfindungsgemäßen Ausbildung die Schrauben 4 an der Kraftübertragung
teil, so daß sie auch wirksam als Dehnschrauben ausgebildet werden können, wobei
ihre Dehnlänge, wie bei der üblichen Schraubenverbindung, durch Dehnhülsen zwischen
Klammer und Mutter künstlich vergrößert werden kann.
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Bei einer Ausführungsform nach Fig. 2 wird die Verbindung dadurch
noch elastischer gestaltet, daß zwischen der Klammer 3 und der Auflagefläche 5 an
den Gehäuseflanschen Druckstücke 6 angeordnet werden, die in ähnlicher Weise wirken
wie die bekannten Dehnhülsen; d. h. eine gewisse Wärmedehnung der hier verhältnismäßig
niedrig gehaltenen Flansche i und 2 verteilt sich auf die Höhe der beiden Druckstücke
6 und die Höhe der Klammer 3, was somit eine prozentual viel kleinere Zusammendrückung
der Druckstücke bzw. Längung der Klammer, also eine sehr viel kleinere Überbeanspruchung
als bei einer starren Klammer bedeutet. Zusätzlich wirken aber auch 'hier die beiden
parallel zur Teilfuge liegenden Schrauben als Dehnschrauben, da auch sie unter der
Beanspruchung elastisch nachgeben und somit die Überbeanspruchung herabsetzen können.
Zur Erhöhung der Elastizität lassen sich (hier nicht eingezeichnete) Dehnbüchsen
zwischen der Mutter und der Klammer vorsehen, -wie es an dem weiteren Beispiel nach
Fig. 3 gezeigt ist.
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Bei der Ausbildung einer Flanschverbindung nach Fig.3 wird die Dichtkraft
zwischen den Flanschen durch eine starre, auf Biegung beanspruchte Klammer 7 aufgebracht,
die die beiden niedrig gehaltenen Gehäuseflansche i und 2 mit Hilfe von möglichst
langen Druckstücken 6 zusammenpreßt. Die Schrauben
.4 sind unmittelbar
in die Flansche eingeschraubt und befinden sich daher zwischen den Auflageflächen
5. Hierbei wird die Biegebeanspruchung der Klammer zwar nicht vermieden. Dagegen
wird durch die Druckstücke 6 einerseits und durch die langen Schrauben 4 andererseits
eine ausreichende 1?lastizität der Verbindung erreicht. Diese Elastizität kann auch
hier wieder durch in der unteren Hälfte der Fig. 3 dargestellte Dehnhülsen 8 zwischen
der Mutter 9 und der Klammer 7 gesteigert werden, wobei die Dehnhülsen 8 vorteilhafterweise
ins Innere der Klammer verlegt werden, wie dies ebenfalls aus der unteren Hälfte
der Fig.3 ersichtlich ist.
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Die Lösung nach Fig. 3 hat den Vorteil, daß die Wirklinien der Schraubenkraft
und derAuflagekraft der Klammer 7 sich mit der senkrecht zur Dichtfläche verlaufenden
Spannkraft innerhalb des Gehäuseflansches schneiden, so daß also durch die Flanschverbindung
kein Biegemoment auf das Gehäuse selbst ausgeübt wird. Bei dünnwandigen, zylindrischen
Gehäusen, die nicht durch ihre Formgebung oder durch Rippen versteift sind, kann
durch diese Ausführung ein Unrundwerden des Gehäuses mit Sicherheit verhindert werden.
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Die Ausbildung einer Verbindung nach Fig. 3 kann ferner noch dadurch
vervollkommnet werden, daß der zwischen den beiden Gehäuseflanschen i und 2 und
der Klammer 7 befindliche Spalt io wegfällt. Durch Anpressen der Klammer 7 an die
beiden Gehäuseflansche i und 2 und durch saubere Bearbeitung der Berührungsflächen
oder durch Ausfüllen des Spaltes io mit wärmeleitendem Material kann dabei erreicht
werden, daß auch an diesen Berührungsflächen die Wärme von den Flanschen i und 2
auf die Klammer? schnell übertragen wird. Hierbei erwärmt sich die innere Seite
der Klammer 7 schneller als die äußere Seite, wobei ebenfalls die Beanspruchungen
beim plötzlichen Anfahren vermindert werden. Diese Wirkung kann schließlich noch
dadurch verstärkt werden, daß die Klammer 7 in ihrer neutralen Zone einen Schlitz
i i erhält, der den Wärmefluß von der inneren zur äußeren Seite der Klammer 7 hemmt.
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Die Anwendung der Erfindung ist nicht allein auf Dampfturbinen oder
Gasturbinen beschränkt, sondern sie ist in gleicher Weise auch in allen anderen
Fällen möglich, in denen zwei Flansche mit großen Kräften wärmeelastisch zusammengepreßt
werden sollen.