KR20010053202A

KR20010053202A - 나사선 및 고온용 나사 조립체

Info

Publication number: KR20010053202A
Application number: KR1020007014800A
Authority: KR
Inventors: 데틀레프 하예; 카이 비이크하르트
Original assignee: 칼 하인쯔 호르닝어; 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1999-06-16
Publication date: 2001-06-25
Also published as: CN1130505C; US20010002963A1; EP1092099B1; EP1092099A1; DE59901465D1; WO2000000750A1; CN1307667A; JP2002519599A

Abstract

본 발명은 축(2)을 따라 연장된 부품의 나사선(1)에 관한 것이며, 상기 나사선(1)은 나사 조립체를 제조하기 위한 역나사선 구조(4)를 갖는 제 2 부품의 역나사선(4) 내로 삽입되기 위한 나사선 구조(3)를 갖는다. 제 1 부품 및 제 2 부품의 탄성 및/또는 열 변형 특성은 서로 상이하며, 상기 나사선 구조(3)는 미리 정해진 열가공 부하에서 탄성 및/또는 열 변형을 보상하기 위해 변형 예측, 그리고 일정한 직경(D)의 실린더형 나사선 영역(7)을 갖는다. 또한 본 발명은 고온용 나사 조립체에 관한 것이다.

Description

나사선 및 고온용 나사 조립체 {THREAD AND SCREWED ASSEMBLY USED AT HIGH TEMPERATURES}

수나사선 및 역나사선(암나사선)을 갖는 나사로 이루어진 나사 조립체는 기계 공학, 보전(保全) 공학 및 전기 공학과 같은 다수의 기술적 영역에서 사용된다. 이와 같은 나사 조립체는 통상적으로 두 부분을 서로 결합시키고 고정시키는데 사용된다. 이 경우, 실온에서 사용되고 적은 힘을 전달해야만 하는 매우 작은 나사 조립체 및 고온에서 큰 힘을 전달해야만 하는 매우 큰 나사 조립체가 존재한다.

"Schraubenvademecum" Illgner, K.H.; Blume, D.,1976, Fa. Bauer＆Schaurte Karcher, Neuss, Deutschland, 특히 제 3.5 장에는 나사 조립체의 나사선의 탄성 변형시 상이한 노치 지점에는 수명에 영향을 미치는 상이한 노치 계수가 작용한다. 이러한 노치 계수에 있어서, 나사선 및 역나사선이 부하 방향으로 서로 맞물리는 시작 영역이 중요하다. 나사선 및 역나사선이 동일한 나사선 구조일 때, 이러한 시작 영역에서 나타나는 과도하게 높은 부하를 감소시키기 위해, 암나사선의 형태가 변형될 수 있다. 이러한 형태 변형은 너트 바디의 외부 직경이 시작 영역에서 가장 작고 부하 방향에 반대하여 일정하게 증가하는데 있다(인장 너트, 링형으로 돌려서 끼워진 너트). 시작 영역의 부하를 감소시키기 위한 부가의 방법은 커버하는 암나사선, 암나사선의 삽입, 및 부하 감소 노치를 제공하는데 있다.

EP 0 008 766 B1에는 상이한 선형 열 팽창 계수를 갖는 부분들 간의 나사 조립체가 공지되어 있다. 상기 나사 조립체의 전압을 최소화하고 증가된 작동 온도에서 나사 조립체를 사용하기 위해, 주위 온도에서 테이퍼(taper)가 제공된다. 여기서, 상기 테이퍼는 축을 따라 경극(radial play)이 선형 변형됨으로써 나타나며, 상기 경극은 더 높은 선형 열 팽창 계수를 갖는 부분의 부하의 방향으로 증대된다. 상기 테이퍼가 나사선 부분의 전체 길이에 걸쳐 원추형으로 실행됨으로써, 나사 조립체의 허용 전압은 가열 상태에서만 가능해진다. 이에 반해, 냉각 상태, 다시 말해 주위 온도에서 나사 조립체에 대한 나사 결합력의 효과적인 전달 및 압축 응력의 확실한 수용은 제공되지 않는다.

본 발명은 나사 조립체를 제조하기 위한 역나사선 구조를 갖는 역나사선 내로 삽입되기 위한 나사선 구조를 갖는, 축을 따라 연장된 나사선에 관한 것이다. 또한 본 발명은 고온용 나사 조립체에 관한 것이다.

도면에 도시된 실시예에 의해 나사선 및 나사 조립체가 더 자세히 설명된다.

도 1은 플랜지 내로 조여진 나사선을 갖는 나사 조립체의 종단면도,

도 2A, 3A, 4A, 5A는 도 1과 유사하게 도시된, 냉각 상태에서의 나사 조립체의 절단면도,

도 2B, 3B, 4B, 5B는 높은 온도에서의 각각의 절단면도.

전체 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 의미를 갖는다.

본 발명의 목적은 축을 따라 균일한 부하 분포를 갖는 축을 따라 연장되는 부품용 나사를 제공하는데 있다. 또한 고온용 나사 조립체를 제공하는데 있다.

본 발명에 따라, 상기 목적은 나사 조립체를 제조하기 위한 역나사선 구조를 갖는 제 2 부품의 역나사선 내로 삽입되는 나사선 구조를 갖는, 축을 따라 연장되는 제 1 부품의 나사선이 제공됨으로써 달성된다. 여기서, 상기 제 1 부품 및 제 2 부품의 탄성 및/또는 열 변형 특성은 서로 상이하며, 상기 나사선 구조는 예정된 열가공 부하에서 탄성 및/또는 열 변형을 보상하기 위한 예상된 변형 예측, 및 일정한 직경의 실린더형 나사선 영역을 갖는다.

여기서, 상이한 변형 특성은 예컨대 동일한 탄성 계수를 갖는 부품들의 동일한 재료에서, 그리고 부품들의 냉각 상태에서 부품들의 상이한 강도에 의해 야기될 수 있다. 상기 제 1 부품은 나사선 주변에 제 1 재료(제 1 공구)를 가지며, 제 2 부품은 역나사선 주변에 제 2 부품(제 2 공구)을 갖는다. 상기 양 재료는 동일하거나, 유사하며 또는 완전히 상이한 탄성, 가소성 및/또는 열 재료 특성을 갖는다. 여기서, 바람직하게는 상이한 화합물 또는 적어도 상이한 공구 특성을 갖는 합금으로 이루어진 재료가 사용된다. 그러나, 동일한 공구 조성물 및 동일한 공구 특성을 갖는 합금도 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 나사선에 의해, 너트의 강도가 나사의 강도에 매칭됨으로써 종래 기술에 비해 예상된 전압 증대의 감소가 달성될 경우, 처음으로 소정의 변형 예측이 이루어진다. 동시에 변형되지 않은 상태에서, 다시 말해 실온에서의 조립 상태에서 나사선에 의한 확실한 힘 전달 및 부하 수용이 처음으로 보장된다.

열 변형에 관련하여, 본 발명은 높은 온도에서 나사를 조일 때 사용된 나사 공구에 대한 많은 요구들이 존재한다는 인식으로부터 출발한다. 증기 터빈에서 정해진 최고 온도를 초과할 때, 예컨대 500℃ 이상, 특히 580℃ 이상에서는, 더이상 철을 기초로 한 나사 공구(적은 강도 때문에)는 사용될 수 없다. 그리고 나서 제공되는 나사 공구는 이러한 온도에서 통상적으로 사용된 철을 기초로 하는 고온 너트 공구, 예컨대 플랜지 공구와는 다른 (더 큰) 열 팽창 계수를 갖는다. 온도 증가시 나사선 영역의 시차열 팽창에 의해 높은 부하를 받는 제 1 나사선 영역(삽입 시작 영역)으로 부하가 전위된다. 이때, 허용되지 않은 높은 전압 값이 나타날 수 있기 때문에, 높은 열 팽창을 갖는 공구는 사용될 수 없다. 따라서, 본 발명에 따라 변형에 부합하는 나사선 형태가 처음으로 주어짐으로써, 높은 온도에서 부가의 나사선 부하가 방지되거나, 적어도 피해진다. 따라서, 나사선 및 역나사선에 대한 상이한 열 팽창 특성을 갖는 재료가 사용될 수 있다.

특히 증기 터빈에서 사용될 때 550℃이상, 특히 580℃ 이상의 증기 온도를 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 이와 같이 높은 온도에서 플랜지 및 나사 조립체 공구의 재료 커플은 무시될 수 없다. 여기서, 상기 재료 커플은 열 팽창 계수에 관련하여 동일한 형태이거나, 또는 상기 재료 커플의 열 팽창 특성은 온도 증가시 나사선 부하가 특정 장소에 허용할 수 없을 만큼 집중되지 않도록 나타난다. 이러한 재료 커플에서, 온도가 증가할 때 더 큰 나사선 횡단면이 제공될지도 모른다. 이는 물론 온도에 의해 증가하는 공구의 장기 강도에 의해, 그리고 가능한 공구 사용 경계에 의해 예컨대 크리이프 응력 메짐성 같은 재료 공학적 효과에 따라 제한된다. 동일한 형태의 공구의 단점은 상이한 공구(재료)의 사용 가능성에 의해 제거된다.

높은 온도에서, 그리고 예컨대 니모닉 80A로 이루어진 니켈을 기초로 한 나사용 플랜지를 위한 예컨대 10% 크롬 강과 같은 고온 공구의 사용시, 종래 방식의 나사선 및 역나사선은 제 1 나사선 영역(삽입 시작 영역)의 고부하를 야기하는 시차열 팽창을 나타낸다. 이는 볼트 공구가 플랜지 공구보다 더 큰 열 팽창을 소유하기 때문이다. 즉, 이는 제 1의 지지 나사선 플랭크로부터 출발하여, 암나사선에 대해 상대적으로 수나사선의 팽창을 야기한다. 이에 따라, 후속하는 플랭크의 부하가 감소되며, 경우에 따라 나사 조립체의 더 깊이 놓여있는 플랭크가 열 부분 오류에 의해 외적 결합이 이루어지고, 따라서 제 1 나사선 영역(삽입 시작 영역)에서 부가의 부하가 나타난다. 경우에 따라, 명확한 부하 감소가 요구되고 전체적으로 나사 조립체의 작동 안전성이 특히 문제시될 수 있다. 또한 이러한 문제성은 본 발명에 따른 시차열 팽창에 의해 고려되는 나사선의 변형 예측이 달성됨으로써, 상기 삽입 시작 영역은 사용 온도 및 고온에 이를때까지 확실히 허용되는 임계 부하 보다 적은 부하를 받게 된다.

여기서, 나사 조립체의 나사선은 변형에 상응하여, 사용 온도에서 열 팽창에 따라 열 변형 자체에 의해 생성된 적절한 지지 특성이 조절되도록 형성된다. 여기서, 상기 열에 의한 나사선 변형은 우선 균일화된다. 상기 나사선은 예컨대 나사선 형태, 원추형, 부분 또는 나사선 프로파일에서 종래의 나사선과 소정의 차이점이 존재하도록 제조되며, 이러한 차이점은 주어진 온도에서 열 팽창에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 보상된다. 따라서, 상이한 열 팽창에 따라 지지 특성이 균일하게 분포된다. 이러한 열 팽창은 예컨대 유한 요소법(FEM), 경계 요소법(BEM) 또는 유한 차이법을 기초로 하는, 각각의 역나사선에 대한 온도 및 부하에 있어서 분석 또는 통상적인 계산 프로그램에 의해 간단하게 고려될 수 있다. 여기서, 나사를 설계하기 위해 공지된 열가공 재료 방정식에 대한 계산 방식이 사용되며, 상기 방정식에서 상이한 탄성 계수 및 열 팽창 계수가 고려된다. 특히 수나사선의 단면을 위한 나사선 형태를 갖는 나사선의 제조는 수적으로 제어된 공작 기계에 의해 간단히 실행될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 변형 예측은 일정 온도에서 순수한 탄성 및 탄성-가소성 변형시에도 사용될 수 있다. 따라서, 순수한 탄성 또는 탄성-가소성 변형시 삽입 시작 영역의 수명이 개선되며, 상기 삽입 시작 영역은 전체 나사 조립체의 수명을 위해 중요하다. 각각의 실시예에 따르면, 이러한 삽입 시작 영역의 개선은 한 인수에 이르기까지 두 번 이루어짐으로써, 상기 나사 조립체의 수명에 있어서 나사선의 다른 영역이 중요해진다. 따라서, 상기 나사선은 비교적 적은 또는 구조적으로 간단한 나사 조임에서 종래 방식의 나사 결합 기술의 더 넓은 영역에서도 적합하며, 여기서 조여진 부품들의 나사선 및 역나사선의 상이한 탄성 변형 특성이 존재한다. 물론, 열 및 탄성, 또는 탄성 가소성 변형에 대한 변형 예측이 고려될 수도 있다.

냉각 상태에서, 다시 말해 정상 온도에서, 나사선은 형태 변형을 고려한 구조에 의해 종래 기술의 나사선과는 다르고 또한 적은 나사선 터언에도 집중된 지지 특성을 갖는다. 이는 나사 및 플랜지 공구의 부하 수용 능력이 고온에서 보다 냉각 상태에서 더 높기 때문에 허용될 수 있다. 증기 터빈 내에 사용될 때, 또한 나사 조립체의 최대 부하가 통상적으로 조여진 부분 예컨대, (터빈 하우징, 나사로 조여진 덮개)에서 완전한 가압시 나타난다. 이러한 완전한 가압은 증기 터빈에서 기본 원칙에 따라 온도 증가시 이루어지며, 상기 온도에서 나사선 구조가 적절하게 개선된다.

마찬가지로, 냉각 상태에서 높은 부하 작용을 적절히 감소시키는 처리도 이루어질 수 있다. 바람직하게 나사선 영역은 정상 나사선으로서 형성되며, 상기 정상 나사선에 의해 냉각 상태에서 나사 결합력이 확실히 지지된다. 온도 증가시 이러한 나사선 영역은 변형 예측된 다른 나사선 영역에 의해 부하가 감소된다. 이러한 실시예에 의해 나사선의 지지 특성은 다시 말해 실온에서부터 사용 온도에까지 연장된 온도 범위에 의해 균일화된다.

부가의 바람직한 실시예에서, 나사선은 축을 따라 적어도 부분적으로 변형되며 특히 일정하게 증가하는 직경을 갖는다. 여기서, 나사선 구조는 적어도 하나의 나사선 영역에서 아치형으로 실행될 수 있으며, 나사선의 포락선에 있는 접선은 축에 대한 평행선과 함께 맞꼭지각을 형성한다. 상기 각은 연속적으로, 특히 일정하게 감소한다. 0에 가까워질 수 있다. 여기서, 나사선 구조는 적어도 하나의 나사선 영역에서 축에 반하는 원추각과 함께 원추형으로 형성될 수 있다. 이러한 원추각은 바람직하게는 0.1°와 1.0°사이, 특히 대략 0.3°이다. 원추형 나사선 영역에는 바람직하게는 부하 방향에 반대하여, 다시 말해 삽입 시작 영역으로 떨어져있는 방향으로 일정 직경의 실린더형 나사선 영역이 연결된다.

여기서, 바람직하게 제 1 나사선 터언의 릴리이프(relief)가 나사선으로부터 나와 방사형으로(나사선 시작에 있는 외부 나사선의 직경이 감소되거나 또는 이 영역의 내부 나사선 직경이 증가됨) 이루어진다. 이에 따른 나사선 톱니의 플랭크가 방사형으로 릴리이프되는 것은 제 1 나사선 영역(삽입 시작 영역)에서 나사선 및 역나사선의 인접한 두 플랭크 사이에 간격을 만들어낸다. 변형되지 않은(이상적인) 나사에서는 이렇게 형성된 나사선 톱니는 맞물리지 않는다. 나사가 고정될 때 플랭크는 재차 결합될 수 있는데, 이것이 필수적인 것은 아니다. 따라서, 순수한 탄성 변형시 나사선 내의 부하가 축을 따라 균일화된다. 나사선의 상응하는 실시예에서, 열 및/또는 탄성 변형시 나사선 톱니는 맞물려서 나사 결합력의 일부를 전달한다. 나사 조립체의 내부에 있는 변형된 성형에 의해 더 높은 부하를 받는 플랭크는 냉각 상태에서 부하가 감소된다. 여기서, 제 1 나사선 영역의 나사선 부하는 정상적인 나사선 형태에서 나타나는 값에 이르지 못한다.

원추각의 적합한 선택 또는 다른 적합한 직경 변형에 의해, 열 팽창의 효과는 양호하게 보상될 수 있다. 원추형 나사선 영역은 예컨대 냉각 상태에서 더 개선된 지지 특성을 갖기 위해, 상이한 기울기를 가지며 실린더형 나사선 영역과 결합될 수 있다. 또한 정상 나사선에서 나타나는 (탄성 변형에 의한) 제 1 나사선 터언의 고부하는 부가로 보상될 수 있다. 암나사선용 10% 크롬 강, 예컨대 니모닉 80A와 같은 수나사선(600℃)용 니켈을 기초로 한 합금에 있어서, 대략 600℃의 열 균등화를 위한 바람직한 원추각은 대략 0.3°이다. 여기서, 상기 원추각은 바람직하게 제 1 나사선 영역(삽입 시작 영역)이 사용 온도에서 삽입되고 지지되도록 선택된다.

나사선의 밀봉 작용을 달성하기 위해, 또는 방사형 바인더에 의해 풀리는 것을 방지하는 공구로서 사용되는 원추형 나사선과는 달리, 그리고 여기에서 동일한 원추각의 두 원추형 나사선이 쌍을 이루거나, 또는 하나의 원추형 나사선과 실린더형 나사선이 개선된 조임에 의해 나사선 간격이 좁아지도록 쌍을 이룰 경우, 상부 원추형 나사선에 있어서 제 1 나사선 톱니와의 나사선 간격은 작동 상태에서 소정의 부하 감소를 달성하기 위해 더 커진다.

부가의 바람직한 실시예에서, 나사선은 축을 따라 변경되는 부분을 갖는 적어도 하나의 나사선 영역을 갖는다. 또한 바람직하게는 부하 방향에 반대하여 변경되는 부분을 갖는 나사선 영역에는 일정한 부분을 갖는 나사선 영역이 연결된다.

열 및/또는 탄성-가소성 팽창에 의해 나타나는 부분 편차를 보상하기 위해, 바람직하게 나사선과 역나사 간의 부분 편차의 소정의 보상이 이루어진다. 여기서, 수나사선의 부분은 관련 암나사선의 부분 보다 작으며, 상기 암나사선은 적은 열 팽창 계수를 갖는다. 사용 온도에서, 볼트의 강한 열 확장에 의해 부분의 균일화가 이루어진다. 부분은 나사선 길이에 의해 변경될 수 있다. 바람직하게 냉각 상태에는 부분 편차 없는 나사선 영역이 적합한 처리를 위해 제공되고, 그리고 나사선 시작 영역에는 증가된 부분 편차를 갖는 나사선 영역이 제 1 나사선 영역의 부하를 보상하기 위해 제공된다.

볼트의 조립 및 해체 가능성은 예컨대 수나사선과 암나사선 사이에 온도차를 제공함으로써, 예컨대 조이기 전의 볼트를 가열함으로써, 또는 상응하는 플랭크 간격의 증가에 의해 보장될 수 있다.

부가의 실시예에서, 나사선은 변경되는 나사선 프로파일을 갖는 나사선 영역을 갖는다. 여기서, 플랭크의 플랭크각은 나사선축을 따라 변화된다. 이러한 변화는 일시적으로 또는 단계적으로 이루어지며, 최후에는 일정하지만 상이한 나사선 프로파일을 갖는 두 영역이 인접한다. 마찬가지로, 나사선 톱니의 하강하는 플랭크 및 상승하는 플랭크는 각각 상이한 플랭크각을 갖는다. 바람직하게는 변경되는 나사선 프로파일을 갖는 나사선 영역에는 특히 일정한 나사선 프로파일을 갖는 실린더형 나사선 영역이 연결된다.

나사선 프로파일의 매칭시, 강도 및 개별 플랭크의 맞물림은 영향을 받는다. 따라서, 예컨대 플랭크각의 변경, 상이한 부분 플랭크각 또는 나사선 톱니의 다른 구조 변경이 나타난다.

마찬가지로, 나사선은 부분 변경, 나사선 프로파일 변경 및 직경 형성과 같은 예상된 변형을 위한 개별적이거나 전체적인 처리의 결합을 포함할 수 있다. 상기 처리들은 각각 나사선 파트너(수나사선 또는 암나사선) 중 한 나사선에, 또는 양 나사선에 실행될 수 있다.

바람직하게 상기 나사선은 500℃의 온도에서, 특히 580℃ 이상의 온도에서 사용되도록 설계된다. 바람직하게 수나사선은 니켈을 기초로 한 합금으로 이루어진 나사에 존재한다. 부품을 위해 적어도 나사선 또는 역나사선의 주변에서 니켈을 기초로한 합금에 대해 선택적으로 코발트를 기초로한 합금 또는 오오스테나이트 강이 제공될 수 있다.

나사 조립체를 위한 목적은 나사선을 갖는 고온용 나사 조립체에 의해 달성되며, 여기서 나사선과 역나사선이 맞물릴 때 사용 온도 보다 낮은 정상 온도에서 삽입 시작 영역에서 나사선의 나사선 구조와 역나사선의 역나사선 구조 사이에 간격이 존재하거나, 또는 맞물린 플랭크의 적어도 부하 감소가 제공된다. 나사 조립체는 바람직하게 증기 터빈의 한 플랜지에서 제조된다. 상기 플랜지는 바람직하게 9 중량.% 내지 12 중량.% 크롬을 갖는 크롬 강으로 이루어진다.

도 1은 도시되지 않은 증기 터빈의 플랜지(12)에 있는 나사 조립체의 종단면을 도시한다. 상기 플랜지(12)는 암나사선으로 실행된 역나사선(4)을 갖는다. 상기 역나사선(4)(암나사선(4)) 내로 축(2)에 따라 연장되는 나사(13)가 조여진다. 상기 나사(13)는 수나사선으로서 형성된 나사선(1)을 가지며, 상기 나사선(1)은 암나사선(4) 내에 삽입된다. 상기 수나사선(1)은 역나사선 구조(3)를 가지며, 상기 암나사선(4)은 역나사선 구조(5)를 갖는다. 상기 축(2)을 기준으로 한 나사(13)의 회전 대칭으로 인해 나사(13)의 종단면은 단지 절반만 도시된다. 상기 나사(13)는 축(2)에 대해 수직인 정면(17)을 가지며, 상기 정면(17)에 의해 상기 나사(13)는 플랜지(12) 내에 가장 깊이 조여진다. 상기 나사(13)가 플랜지(12)의 암나사선(4)으로부터 돌출하기 시작한 영역은 상기 나사선(1)이 역나사선(4)으로 삽입되기 시작한 영역(14)이다. 상기 영역은 종래 방식의 나사선에서 나사 조립체의 수명을 위해 중요한 영역이다.

600℃의 온도에서 250 N/mm²의 샤프트 전압하에 핀 나사(13)(M120x6)를 갖는, 도 1에 도시된 나사 조립체에 있어서, 하기의 수치 계산 결과가 달성된다. 이러한 계산에서 플랜지(12)에 대해 10% 크롬 강(X12CrMoWVNbN101-1)의 열 팽창 특성이 나타난다. 상기 강은 20℃와 600℃ 사이의 온도에서 12.7×10^-6/K의 평균 열 팽창 계수를 갖는다. 나사(13)를 위한 11% 크롬 강(X19CrMoVNbN11-1)의 사용시, 삽입 시작 영역(14)에는 국부적 전압 증대가 나타나며, 상기 전압 증대는 물론 대략 560℃의 고온의 비오오스테나이트 나사 강의 최고 온도 보다 낮은 온도에서 나사선(1)의 지지 특성을 손상시키지 않는다. 이러한 국부적 전압 증대는 나사(13) 및 플랜지(12)의 상이한 강도로부터 나온 결과이다.

종래 방식의 나사에 의한, 예컨대 니모닉 80A와 같은 나사용 니켈을 기초로 한 공구의 사용시, 상이한 열 팽창 계수로 인해 삽입 시작 영역(14)에서 강한 전압 증대가 나타난다. 이에 따라, 유한 요소 계산법과 같이 가소성 물질 특성을 고려하여 볼 때, 플랜지(12) 내에서 큰 가소성 팽창이 나타나며, 상기 팽창은 플랜지 공구의 파괴 연성에 부합할 수 있다. 이에 따라, 열 부하 교체시 경우에 따라 플랜지(12) 내의 나사선 터언이 파괴될 수 있다. 니모닉 80A의 평균 열 팽창 계수는 600℃에서 대략 15×10^-6/K이다.

대략 0.3°의 원추각을 갖는 나사선(1)(수나사선 1)이 원추형으로 형성되는 공구 니모닉 80A로 이루어진 나사(13)의 사용시, 삽입 시작 영역(14)에는 나사(13)용 11% 크롬 강의 사용시 전압 상태에 부합하는 전압 상태가 나타난다. 대략 0.3°의 원추각은 이 경우 삽입 시작 영역(14)에서 대략 0.6mm의 직경 감소에 부합된다. 지지 특성의 균일화, 다시 말해 삽입 시작 영역(14)의 부하 감소는 나사(13)와 플랜지(12) 사이의 강도차를 균일화하기 위해 원추각을 약간 증대시킴으로써 이루어질 수 있다. 상기 나사선(1)이 원추형으로 형성될 때, 대략 20℃(조립 상태)의 낮은 온도에서 깊은 나사선 터언, 다시 말해 정면(17)의 영역에서 증대된 부하가 나타나며, 상기 부하는 물론 나사 공구 및 플랜지 공구의 높은 부하 수용 능력으로 인해 냉각 상태에서는 중요하지 않다. 이렇게 증대된 부하는, 정면(17)의 영역에 바람직하게는 일정한 직경(D)을 갖는 종래 방식의 실린더형 나사선이 사용됨으로써 감소될 수 있다.

도 2A는 냉각 상태에 있는 수나사선(1) 및 암나사선(4)을 갖는 나사 조립체의 절단면을 도시하며, 여기서 플랭크(11)를 갖는 수나사선(1)의 나사선 톱니(3A)는 암나사선(4)의 관련 나사선 톱니(5A)의 개별 플랭크(16)에 놓이게 된다. 여기서, 상기 수나사선(1)은 암나사선(4)의 재료로서 사용된, 더 높은 열 팽창 계수를 갖는 재료로 이루어진다. 온도의 증가시, 예컨대 600℃의 온도에서, 플랜지(12)에 반대하여 나사(13)의 상이한 열 팽창이 나타난다. 이에 따라, 플랜지(11)를 갖는 더 깊이 놓인 나사선 톱니(3A)가 나사선 톱니(5A)의 관련 플랭크(16)로부터 제거되거나, 또는 적어도 부하가 감소된다(도 2B 참조). 이에 따라, 더이상 모든 나사선 톱니(3A, 5A)가 부하를 받는 것이 아니라, 삽입 시작 영역(14)의 나사선 톱니(3A, 5A)에 의해 거의 완전히 부하가 제거된다. 따라서, 증대된 온도에서 경우에 따라 삽입 시작 영역(14)에서 임계적인 부하가 나타날 수 있다. 나사 조립체는 바람직하게는 냉각 상태에서 이미 압축 응력을 받는다.

도 3A에는 냉각 상태에서 직경 변형을 갖는 나사선(1)과 역나사선(4)(암나사선 4)이 맞물린 상태를 도시한다. 정면(17)으로 향한 나사선 영역(7)에서 나사선(1)은 일정한 직경(D)을 갖는 실린더형 나사선 구조를 갖는다. 상기 나사선 영역(7)에는 정면(17)으로부터 떨어진 나사선 톱니(3A)의 플랭크(11)가 암나사선(4)의 관련 나사선 톱니(5A)의 개별 플랭크(16)에 직접 놓여있다. 삽입 시작 영역(14)의 주변에는 나사선(1)이 원추형 나사선 영역(6)을 가지며, 상기 영역(6)의 원추각(β)이 나사선(1)의 주어진 온도에서 예상된 열 및 탄성 팽창에 상응하여 측정된다. 상기 나사선 영역(6)과 나사선 영역(7) 사이에는 나사선 영역(6A)이 존재하며, 상기 나사선 영역(6A)에는 마찬가지로 나사선(1)이 원추형으로 형성된다. 여기서, 관련 원추각은 예상된 열 팽창에 상응하여 측정된다. 원추형 나사선 영역(6, 6A)에서의 직경(D)의 변형은 구체적으로 설명하기 위해 매우 확대되어 도시된다. 증가된 온도, 특히 나사선(1)의 온도에서, 나사(13)(더 높은 열 팽창 계수) 및 플랜지(12)(더 낮은 열 팽창 계수)의 상이한 열 팽창이 나타난다. 나사선 영역(6)에는 플랜지(11, 16)가 탄성 및 열 변형하에 완전히 맞물린다(도 3B 참조). 이를 통해, 지지 상태의 균일화 및 삽입 시작 영역(14)의 부하가 부분적으로 또는 완전히 감소된다. 냉각 상태에서 나사선 영역(7) 내에 지지되는 플랭크(11, 16)는 증가된 온도에서 서로 떨어지고 부하 감소된다.

도 4A에는 나사 조립체가 도시되며, 여기서 나사선(1)은 부분 변형을 갖는다. 상기 삽입 시작 영역(14)에는 변형된 부분을 갖는 나사선 영역(8A)이 존재하며, 상기 영역(8A)은 예상된 열 및 탄성 팽창에 상응하여 결정된다. 상기 나사선 영역(8A)에는 나사선 영역(8B)이 연결되며, 상기 나사선 영역(8B)의 부분은 예상된 열 팽창에 관련하여 변형된다. 상기 나사선 영역(8A, 8B)은 나사선(1)의 변형된 부분이 존재하는 나사선 영역(8)을 형성한다. 상기 나사선 영역(8)에는 정면(17) 쪽으로 정상 부분을 갖는 나사선 영역(9)이 연결됨으로써, 냉각 상태에서 플랭크(11, 16)는 나란히 놓이고 이를 통해 압축 응력에 의해 주어진 부하가 제거된다. 상기 나사선 영역(8) 내의 플랭크(11, 16)의 부하는 적어도 (부분적으로) 감소되거나 심지어 서로 이격된다. 부분 변형은 구체적으로 설명하기 위해 마찬가지로 확대 도시된다. 온도의 증가시, 나사선 영역(8) 내의 플랭크(11, 16)가 탄성 및 열 또는 단지 열 팽창에 따라 완전히 맞물리고, 따라서 균일한 지지 특성 및 삽입 시작 영역(14)의 부하 감소가 달성되는, 위에 기술된 효과가 나타난다(도 4B 참조). 나사선 영역(9) 내의 플랭크(11, 16)는 온도 증가시 부하 감소되거나 심지어 서로 떨어진다.

도 5A에는 변형된 나사선 프로파일을 갖는 나사선(1)의 절단면이 도시되며, 상기 나사선 프로파일의 변형은 나사선 톱니(3A)의 불균일한 부분 플랭크각의 사용에 의해 달성된다. 정면(17)으로부터 떨어진 플랭크(11B)는(상승하는 플랭크) 플랭크각(γB)을 가지며, 상기 각(γB)은 정면(17)을 향한 플랭크(11A)(하강하는 플랭크)의 플랭크각(γA) 보다 더 크다. 정면(17)에 인접한 나사선 영역(15)에는 나사선(1)의 나사선 프로파일이 종래 방식에 따라 선택됨으로써, 압축 응력시 탄성 상태에서 플랭크(11, 16)가 나란히 놓여있고 압축 응력에 의해 부하가 제거된다. 나사선 영역(15)에 연결된 나사선 영역(10A, 10B)은 상이한 부분 플랭크각(γ)을 갖는 나사선 톱니를 갖는다. 상기 삽입 시작 영역(14)에 배치된 나사선 영역(10A)에서 나사선 프로파일은 예상되는 열 또는 탄성 팽창에 부합하여 결정된다. 상기 나사선 영역(10A 및 15) 사이에 놓여있는 나사선 영역(10B)에서 나사선 프로파일은 예상되는 열 팽창에 따라 결정된다. 온도 증가시(도 5B 참조), 이미 도 3B와 4B에서 설명된 바와 같이 플랭크(11, 16)는 탄성 및/또는 열 변형하에 완전히 맞물림으로써, 지지 특성이 균일해진다. 또한 이 경우 나사선 영역(15) 내의 플랭크(11, 16)의 부하가 감소되거나 또는 완전히 서로 떨어진다.

위에 기술된 실시예 및 나사선 영역의 부가의 형성 가능성은 각 요구 및 재료 선택에 따라 서로 결합될 수 있다. 나사(13) 및 플랜지(12)의 설계에 따라, 나사선 영역(7, 9, 15)은 변형되지 않은 프로파일을 갖는 냉각 상태에서 부하 제거를 위해 사용되고, 생략되거나 또는 각 요구에 따라 변형될 수 있다.

본 발명은 적어도 주어진 온도 및/또는 주어진 탄성 부하에서 균일한 지지 특성을 야기하는 형태를 소유하는 나사선에 의해 특징지워진다. 이를 통해, 높은 부하를 받은 그리고 수명에 대해 중요한 역할을 하는 삽입 시작 영역의 부하가 감소된다. 또한 나사선은 바람직하게 냉각 상태에서 나사 결합력의 전달 가능성이 더욱 개선되는, 종래 방식의 나사선 영역을 가진다. 이를 통해, 부하 수용의 균일함 및 나사선 내의 부하 분포는 전체 나사선 길이 및 연장된 온도 영역에 걸쳐 보장된다.

Claims

나사 조립체를 제조하기 위한 역나사선 구조(5)를 갖는 제 2 부품의 역나사선(4) 내로 삽입되기 위한 역나사선 구조(3)를 갖는 제 1 부품의, 축(2)을 따라 연장된 나사선(1)에 있어서,

상기 제 1 부품 및 제 2 부품의 탄성 및/또는 열 변형 특성은 서로 상이하며, 상기 나사선 구조(3)가 미리 주어진 열가공 부하에서 탄성 및/또는 열 변형을 보상하기 위한 변형 예측, 그리고 일정한 직경(D)의 실린더형 나사선 영역(7)을 갖는 것을 특징으로 하는 나사선.
제 1항에 있어서,

상기 제 1 부품은 제 1 재료, 그리고 상기 제 2 부품은 제 2 재료를 가지며, 상기 제 1 재료가 상기 제 2 재료와 상이한 것을 특징으로 하는 나사선.
제 1항 또는 2항에 있어서,

상기 나사선(1)의 직경(D)이 축(2)을 따라 적어도 국부적으로 변경되며, 특히 일정하게 증가되는 것을 특징으로 하는 나사선.
제 3항에 있어서,

상기 나사선(1)의 직경(D)이 포락선이며, 상기 포락선의 접선과 축(2)에 대해 평행한 선은 원추각(δ)을 형성하며, 상기 각(δ)은 일정하게 감소되는 것을 특징으로 하는 나사선.
제 3항에 있어서,

상기 나사선 구조(3)가 적어도 나사선 영역(6)에서 축(2)에 대한 원추각(β)과 원추형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 나사선.
제 5항에 있어서,

상기 원추각(β)이 0.1°와 1.0°사이이고, 특히 대략 0.3°인 것을 특징으로 하는 나사선.
제 5항 또는 6항에 있어서,

상기 원추형 나사선 영역(6)에는 일정한 직경(D)의 실린더형 나사선 영역(7)이 연결되는 것을 특징으로 하는 나사선.
상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 축(2)을 따라 변경된 부분을 갖는 적어도 하나의 나사선 영역(8)을 갖는 것을 특징으로 하는 나사선.
제 8항에 있어서,

상기 변형된 부분(3)을 갖는 나사선 영역(8)에는 일정한 부분을 갖는 나사선 영역(9)이 연결되는 것을 특징으로 하는 나사선.
상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 나사선(1)이 변형된 나사선 프로파일을 갖는 적어도 하나의 나사선 영역(10)을 갖는 것을 특징으로 하는 나사선.
제 10항에 있어서,

플랭크(11)의 플랭크각(γ)이 축(2)을 따라 변형되는 것을 특징으로 하는 나사선.
제 10항 또는 11항에 있어서,

나사선 톱니(3A)의 하강하는 플랭크(11A) 및 상승하는 플랭크(11B)가 각각 상이한 플랭크각(γA, γB)을 갖는 것을 특징으로 하는 나사선.
제 11항 또는 12항에 있어서,

변형되는 나사선 프로파일을 갖는 나사선 영역(10)에는 일정한 나사선 프로파일을 갖는 특히 실린더형 나사선 영역(9)이 연결되는 것을 특징으로 하는 나사선.
상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 나사선(1)이 수나사선 또는 암나사선인 것을 특징으로 하는 나사선.
상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 나사선(1)이 500℃ 이상, 특히 580℃ 이상의 온도에서 사용되기 위해 설계되는 것을 특징으로 하는 나사선.
상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 나사선(1)이 니켈을 기초로 한 합금, 코발트를 기초로 한 합금 또는 오오스테나이트 강으로 이루어진 나사(13)에 연결된 수나사선인 것을 특징으로 하는 나사선.
상기 항들 중 어느 한 항에 따른, 나사선(1)을 갖는 고온용 나사 조립체에 있어서,

상기 나사선(1)과 역나사선(4)의 결합시 사용 온도 보다 낮은 정상 온도에서 삽입 시작 영역(14)은 부하를 받지 않으며, 특히 상기 영역(14)에서 나사선 구조(3)와 역나사선 구조(5) 사이에는 간격이 존재하는 것을 특징으로 하는 나사 조립체.
증기 터빈의 플랜지(12)에 연결된, 상기 항들 중 어느 한 항에 따른 나사선(1)을 갖는 고온용 나사 조립체.
제 18항에 있어서,

상기 플랜지(12)가 9 중량.% 내지 12 중량.% 크롬을 갖는 크롬강으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나사 조립체.