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Vorrichtung zum elastischen Verbinden zweier gegeneinander beweglicher
Bauteile Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum elastischen Verbinden
zweier gegeneinander beweglicher Bauteile, von denen mindestens einer ein Hohlkörper
ist, der unter dem Druck eines durch ihn hindurchgeleiteten Mediums steht.
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Vorrichtungen, bei denen zum elastischen Verbinden zweler gegeneinander
beweglicher Bauteile ein Balg Verwendung findet, werden auf vielen Gebieten der
Technik in weitem Umfang benutzt. Als Beispiel sei hier die Verwendung einer solchen
Vorrichtung als Wärmedehnungsausgleicher bei Heißdampfleitungen genannt. Ein anderer
Anwendungsfall betrifft beispielsweise die längsverschiebbare und stopfbüchsenlose
Abdichtung des Ventilträgers eines Hochdruckventils. Darüber hinaus gibt es noch
eine Reihe weiterer bekannter Anwendungsmöglichkeiten für solche Ausgleichsvorrichtungen
zum elastischen Verbinden zweier gegeneinander beweglicher Bauteile. Die Bälge können
die axialen Verschiebungen und/oder die Winkelbewegungen der miteinander verbundenen
Teile elastisch aufnehmen und sind auch durch ihre röhrenförmige Gestalt in der
Lage, holle Druckdifferenzen zwischen innen und außen aufzunehmen. Meist werden
solche Bälge außerdem thermisch sehr hoch beansprucht.
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Bei sehr großen Nennweiten der Bälge kann man bekanntlich die Wand
mehrschichtig ausbilden und damit erreichen, daß ein solcher Balg außer der Aufnahme
elastischer Formänderungen auch sehr hohe Druckdifferenzen und Temperaturdifferenzen
zwischen innen und außen aushalten kann. Bei mittleren und kleineren Nennweiten
dagegen ergeben sich Schwierigkeiten, weil einschichtige Bälge nur begrenzten Druck-
und Temperaturdifferenzen standhalten können.
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Um diesen Nachteil zu beseitigen, ist es bereits bekannt, zwei solche
Bälge koaxial zueinander anzuordnen, den zwischen den beiden Bälgen gebildeten ringförmigen
Hohlraum beidseitig zu schließen und mit einem Druckmittel zu füllen, dessen Druck
so bemessen ist, daß die Druckdifferenz sowohl zum Innenraum des Doppelbalges als
auch zur äußeren Umgebung das zulässige Maß nicht überschreitet. Da sich jedoch
beim Zusammendrücken des Doppelbalges das eingeschlossene Volumen zwischen den beiden
Bälgen verkleinert, steigt der Druck des darin eingefällten Druckmittels beträchtlich
an, so daß die Grenze der Beanspruchbarkeit der Bälge rasch erreicht wird.
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Es sind auch schon Vorrichtungen zum elastischen Verbinden zweier
gegeneinander beweglicher Bauteile bekannt, von denen mindestens ein Bauteil ein
Hohlkörper ist, der unter dem Druck eines durch ihn hindurchgleitenden Mediums steht,
unter Verwendung von mindestens einem Paar den ersten Bauteil konzentrisch umschließender,
axial hintereinander angeordneter Bälge (axial zusammendrückbare und - /oder
krümmbare Wellrohre oder Faltenbälge), deren einander entgegengesetzt liegende Enden
geschlossen und mit dem ersten Bauteil fest verbunden sind, während ihre einander
zugewandten offenen Enden miteinander und mit dem zweiten Bauteil fest verbunden
sind.
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Eine derartig aufgebaute bekannte Vorrichtung stellt ein stopfbuchsenloses
Rohrventil dar, bei dem der erste, unter dem Druck eines durch ihn hindurchgeleiteten
Mediums stehende Bauteil durch das rohrförmige Ventilgehäuse, der zweite Bauteil
durch die auf dem Ventilgehäuse axial verschiebbare, den Ventilkörper betätigende
Muffe gebildet wird. Die Bälge sind innen durch Leitungsdruck, außen durch Umgebungsdruck
beaufschlagt; die Erhaltung einer Volumenkonstanz in dem zwischen den Bälgen und
dem rohrförmigenVentilgehäuse eingeschlossenen leitungsmitteldruckbeaufschlagten
Raum bei Axialverschiebung der Muffe ist eine rein konstruktive Zufälligkeit.
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Eine andere derartig aufgebaute bekannte Vorrichtung stellt eine Rohrdurchführung
durch eine Wand dar, bei der der erste unter dem Druck eines durch ihn hindurchgeleiteten
Mediums stehende Bauteil durch den durch die Wand geführten Rohrstutzen, der zweite
Bauteil durch einen mit der Wand verschraubten Flanschring gebildet wird. Der eine
Balg ist außen von dem vor der Wand herrschenden Umgebungsdruck, der andere Balg
ist außen von dem hinter der Wand herrschenden Mediumsdruck, beide Bälge sind innen
vom Druck eines Kühlmittels beaufschlagt,
das über eine ti'ntritts-
und eine Austritts-Öffnung im Flanschling durch die zwischen demRohrstutzen und
den Balgen gebildete Kühlkammer geleitet wird. Eine zufällige Erhaltung der Volumenkonstanz
der Kühlkammer ist lediglich bei Bewegung des Rohrstutzens von der Wand weg gegeben;
eine Vorschrift über die Ab#dtimmung des Kühlmitteldruckes auf die Außendrücke der
Bälge ist nicht gegeben.
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Die Erfindung geht von einer ebenso aufgebauten Vorrichtung aus und
löst an ihr die Aufgabe, wesentlich höhere Druckdifferenzen als die bekannten Vorrichtungen
zwischen innen und außen bei gleicher Elastizität der'Verbindüng zu überbrücken.
Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die gemeinsame Anwendung folgender
Merkmale gelöst: a) Durch den zweiten, in an sich bekannter Weise als Hohlkörperausgebildeten
und eine konzentrische Druckkammer bzw. Druckmittelkammer um den Balg bildenden
Bauteil ist nur ein Balg des ersten Balgpaares umschlossen; bei Anwendung weiterer
äxial hintereinander und hinter dem ersten Balgpaar angeordneter Balgpaare schließt
sich an die Druckkammer bzw. Druckmittelkammer eine entsprechende Anzahl
ge-
schlossener Druckmittelkammem an, die ihrerseits nur je einen Balg
des einen Balgpaares und den anschließenden Balg des nächsten Balgpaares konzentrisch
umschließen.
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b) In den aus den Bälgen je eines Balgpaares und dem
ersten Bauteil gebildeten geschlossenen Hohlräumen und in den Druckmittelkammern
ist in zur Balgwandabstützung an sich bereits vorgeschlagener Weise ein Druckmittel
eingeschlossen, wobei der auf die Balginnenflächen wirkende Druck in den Hohlräumen
mit dem auf die Balgaußenflächen wirkenden Druck in der Druckkammer und/oder in
den Drucknüttelkammern auf die maximale zulässige Belastung der Bälge abgestimmt
ist.
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Sofern die Vorrichtung eine Druckkammer aufweist, die nur einen Balg
eines Paares übergreift, kann diese Druckkammer nach dem Innenraum des zweiten Bauteiles
offen sein und damit unmittelbar unter dem im Innern des zweiten Bauteiles herrschenden
Druck stehen.
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Zweckmäßig kann auch die nur einen Balg eines Paares übergreifende
Druckmittelkammer gegen den Innenraum des zweiten Bauteiles durch einen weiteren
Balg abgeschlossen sein, der mit seinen Enden an den gegeneinander beweglichen Bauteilen
befestigt ist.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung läßt sich in besonders vorteilhafter
Weise als Wärmedehnungsausgleicher für Hochdruckleitungen, insbesondere für Heißdampfleitungen,und
alslängsverschiebbare stopfbüchsenlose Abdichtung des Ventilträgers eines Hochdruckventils
verwenden, wobei der erste Bauteil als Ventilträger und der zweite Bauteil als Ventilgehäuse
mit Ventilsitz ausgebildet ist.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt.
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Fig. 1 bis 4 zeigen im Längsschnitt in schematischer Darstellung
das Prinzip der Anordnung der Bälge und der durch sie gebildeten Hohlräume, Druckkammern
und Druckmittelkammern; Fig. 5 zeigt die Anwendung der Vorrichtung als Wärmedehnungsausgleicher
für eine Heißdampfleitung; Fig. 6 zeigt ein Anwendungsbeispiel für die längsverschiebbare
stopfbüchsenlose Abdichtung des Ventilträgers eines Hochdruckventils an Hand eines
Längsschnittes durch ein solches Hochdruckventil.
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In den Fig. 1, 3 und 4 ist der erste Bauteil als Rohr dargestellt
und mit 1 bezeichnet, während in Fig. 2 dieser erste Bauteil als starrer
Körper dargestellt und mit 1 a bezeichnet ist. Der zweite, als Hohlkörper
ausgebildete Bauteil ist in allen vier Figuren mit 2 bezeichnet.
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Auf dem ersten Bauteil 1 bzw. la in Fig. 1 und 2 sind
in axialer Richtung hintereinander zwei Bälge 3
und 4 angeordnet, die den
Bauteil 1 bzw. la umschließen. An ihren einander entgegengesetzten Enden
5 und 6 sind die Bälge 3 und 4 geschlossen und fest und druckdicht
mit dem ersten Bauteil 1
bzw. la verbunden. An ihren einander zugewendeten
offenen Enden 7 und 8 sind die beiden Bälge 3 und 4 miteinander
und mit einem Flansch 9 des Bauteiles 2 verbunden. Dadurch ist durch den
Bauteil 1 bzw. la und die beiden Bälge 3 und 4 ein den ersten Bauteil
unischließender Hohlraum a gebildet. An den Flansch 9 des Bauteiles 2 schließt
sich ein rohrföriniges Stück 10 an, welches den zweiten Balg 4 übergreift.
Dadurch ist eine Druckkammer b gebildet, die in unmittelbarer Verbindung
mit dem Innenraum C des zweiten Bauteiles 2 steht.
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Werden die Bauteile 1 bzw. la und 2 in axialer Richtung gegeneinander
bewegt, dann wird einer der Bälge des Balgpaares 3, 4 in axialer Richtung
zusammengedrückt, während gleichzeitig der andere Balg um das gleiche Maß gedehnt
wird. Das von den Bälgen 3 und 4 und dem ersten Bauteil 1 bzw. la
eingeschlossene Volumen des Hohlraumes a bleibt daher konstant. Es sei angenommen,
daß die verwendeten Bälge 3 und 4 eine Druckdifferenz von 100 atü
aushalten können. Wird nun bei der beschriebenen Anordnung der Hohlraum a mit einem
Druckmittel von 100 atü Druck gefüllt, dann ergibt sich eine Druckdifferenz
nach außen, die von dem Balg 3 aufgenommen werden muß, von 100 atü.
Wird der Innenraum c des Bauteiles 2 mit einem Druck von 200 atü beaufschlagt,
dann ergibt sich zwischen dem Hohlraum a und der in den Innenraum c des zweiten
Bauteiles 2 mündenden Druckkammer b ebenfalls nur eine Druckdifferenz von
100 atü, die vom Balg 4 aufgenommen wird. Die Beanspruchung des Balges 4
erreicht auch dann keine höheren Werte, wenn der Druck im Innenraum des Bauteiles
2 von 200 atü auf 0 atü fällt. Die Bauteile 1 bzw. la und 2 können
in axialer Richtung und/oder auch winklig zueinander bewegt werden, weil die Verschiebungen
von den Bälgen elastisch aufgenommen werden. Da sich aber das Volumen des Hohlraumes
a trotz der Verschiebung der Bauteile nicht ändert, bleiben die oben geschilderten
Druckdifferenzen unverändert erhalten.
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Fig. 3 zeigt eine Weiterentwicklung des oben beschriebenen
Anordnungsprinzips mit dem Ziel, insgesamt eine Druckdifferenz zu überbrücken, die
dreimal so hoch ist wie die für den einzelnen Balg zugelassene Druckdifferenz. Hier
sind in gleicher Weise, wie oben beschrieben, auf den Bauteil 1 zwei Bälge
3 und 4 angeordnet, deren geschlossene Enden 5 und 6 mit dem
Bauteil 1 und deren offene Enden 7 und 8 miteinander und mit
einem Flansch 9 des Bauteiles 2 fest verbunden sind. Hierdurch ist wieder
ein geschlossener Hohlraum a gebildet. Der sich an den Flansch 9
anschließende
röhrenförmige Teil 10 des Bauteiles 2
übergreift wieder den
Balg 4. Im Gegensatz zur Ausführung nach Fig. 1 ist durch einen weiteren
Balg 11,
der mit seinem einen Ende 12 am Bauteil 1 und mit seinem anderen
Ende 13 am Bauteil 2 befestigt ist, eine gegen den Innenraum c den Bauteiles
2 abgeschlossene Druckmittelkammer b' gebildet. Wird wieder vorausgesetzt,
daß die Bälge eine Druckdifferenz von 100 atü aushalten können, dann kann
in diesem Fall der Hohlraum a mit einem Druck von 100 atü, die Kammer
b' mit einem Druck von 200 atü gefüllt werden, während der Innenraum c des
Bauteiles 2 mit einem Druck von 100 bis 300 atü beaufschlagt sein
kann. Es tritt dann ebenfalls nirgendwo eine größere Druckdifferenz als
100 atü auf, welche von den Bälgen aufgenommen werden müßte. Auch hier lassen
sich die Bauteile 1 und 2 gegeneinander bewegen, ohne daß die Drücke in dem
Hohlraum a und der Druckmittelkammer b' geändert würden.
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In der beschriebenen Weise lassen sich noch beliebig viele weitere
Hohlräume und Druckmittelkammein hintereinanderschalten.
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Fig. 4 veranschaulicht den nächsten Schritt. Wieder ist auf dem Bauteil
1 ein Hohlraum a durch das Balgpaar 3 und 4 gebildet, deren einander
entgegengesetzte Enden 5 und 6 am Bauteil 1 und deren gegeneinander
gerichtete Enden 7 und 8 über den Flansch 9
mit dem Bauteil
2 verliunden sind. Anschließend an den Hohlraum a ist ein weiterer abgeschlossener
Hohlraum a' in der gleichen Weise wie der Hohlraum a gebildet durch ein Balgpaar
14 und 15, deren einander entgegengesetzte Enden 16 und
1.7 am Bauteil 1 und deren einander zugewendete offene Enden
18 und 19 mit einem weiteren Flansch 20 des Bauteiles 2 verbunden
sind. Durch den rohrförmigen Teil 10 des Bauteiles 2 ist eine Druckkammer
b gebildet, welche nur den Balg 4 des ersten Paares übergreift und in den
Innenraum c des zweiten Bauteiles mündet. Die Fortsetzung 10a dieses rohrfönnigen
Teiles 10 des Bauteiles 2 bildet eine Druckmittelkammer b", welche den Balg
3 des ersten Paares und den Balg 15 des zweiten Paares übergreift.
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Der nächste Schritt wäre, die Druckkammer b gegen den Innenraum
c des Bauteiles 2 durch einen weiteren Balg abzuschließen, wie dies in Fig.
3 gezeigt ist.
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Es sei bei der Ausführung nach Fig. 4 auch wieder angenommen, daß
alle Bälge eine Druckdifferenz von 100 atü aushalten können. Dann kann der
Hohlraum a' mit einem Druck von 100 atü, die Druckmittelkammer Y' mit einem
Druck von 200 atü, der Hohlraum a mit einem Druck von 300 atü gefüllt werden,
und der Innenraum c des Bauteiles 2 und damit die Druckkammer b können dann
mit einem Druck von 200 bis 400 atü beaufschlagt werden, ohne daß an irgendeiner
Stelle ein Balg eine größere Druckdifferenz als 100 atü auszuhalten hätte.
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Durch die beschriebene Anordnung kann also eine elastische Verbindung
zweier gegeneinander beweglicher Bauteile geschaffen werden, wobei die Gesamtdruckdifferenz
zwischen innen und außen ein Mehrfaches der zulässigen Druckbeanspruchung der einzelnen
Bälge beträgt.
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Fig. 5 zeigt einen Axial-Dehnungsausgleicher für eine Heißdampfleitung
1, 2, dessen Aufbau völlig dem Schema nach Fig. 3 entspricht.
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Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch ein Hochdruckventil als
Beispiel für die Anwendung der in Fig. 2 schematisch dargestellten Vorrichtung.
Im Ventilgehäuse 2, welches dem Bauteil 2 der Fig. 2 entspricht, ist in bekannter
Weise ein Ventilsitz 21 angeordnet, mit dem ein Ventilkörper 22 zusammenarbeitet.
Dieser Ventilkörper kann durch eine Gewindespindel 23 mit Handrad 24 auf
den Ventilsitz 21 zu und von ihm weg bewegt werden, wodurch das Ventil geschlossen
und geöffnet wird. Die durch Drehung des Handrades 24 erzeugte Längsbewegung der
Gewindespindel 23 wird auf einen starren, stabförmigen Ventilträger la übertragen,
der dem Bauteil la der Fig. 2 entspricht und am einen Ende einen Flansch
25 und am anderen Ende den Ventilkörper 22 trägt. Am Flansch 25 und
am Ventilkörper 22 ist das Ende 5 bzw. 6 je eines Balges
3 bzw. 4 starr und druckdicht befestigt. Die beiden einander zugewendeten
Enden 7 und 8 der beiden Bälge sind untereinander und mit dem Ventilgehäuse
2 durch einen ringförmigen Körper 26 verbunden, der zugleich den unteren
Teil des Ventilgehäuses 2 druckdicht gegen den Oberteil 2ä des Gehäuses abschließt.
Die Bälge 3 und 4 bilden zusammen mit dem Flansch 25 und dem Ventilkörper
22 einen Hohlraum a, dessen Volumenkonstanz durch den starren Ventilträger la gesichert
ist. Die äußere Seite des Balges 4 steht unter dem Druck des durch das Ventil strömenden
Mediums, während die äußere Seite des Balges 3 unter dem Druck der Außenluft
steht. Wird wieder angenommen, daß die Bälge 3 und 4 eine Druckdifferenz
von 100 atü überbrücken können, dann kann das durch das Ventil strömende
Medium einen Druck von 0 bis 200 atü haben, wenn der von den beiden Bälgen,
dem Flansch 25 und dem Ventilkörper 22 eingeschlossene Hohlraum a mit einem
Druckmittel gefüllt wird, dessen Druck 100 atü beträgt. Bei der Längsverschiebung
des Ventilträgers la zum öffnen und zum Schließen des Ventils dehnt sich der eine
Balg um das gleiche Maß, um das der andere Balg zusammengedrückt wird. Der Hohlraum
a behält deshalb immer das gleiche Volumen, so daß das im Hohlraum a eingeschlossene
Druckmittel, beispielsweise Druckflüssigkeit, bei der Verschiebung des Ventilträgers
la keinerlei Druckänderung erfährt.
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Die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nicht auf die
beiden in Fig. 5 und 6 dargestellten Anwendungsbeispiele beschränkt.
Vielmehr läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung überall dort einsetzen, wo Bälge
als elastische Verbindung zweier gegeneinander beweglicher und durch Druck beaufschlagter
Bauteile Verwendung finden können. In vielen Fällen lassen sich einfache, aber sehr
hoch beanspruchte Bälge durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ersetzen. An die
Stelle eines hochbeanspruchtenBalges treten dann zwei oder mehr hintereinandergeschaltete,
aber geringer beanspruchte Bälge. Dadurch läßt sich der Preis verringern und/oder
der Sicherheitsfaktor erhöhen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung schafft auch dort
Abhilfe, wo bisher die einfachen Bälge die auftretenden Druckdifferenzen nicht mehr
überbrücken konnten.