DE3733243A1 - Verbindungsbolzen und verfahren zum einstellen der spannkraft des verbindungsbolzens - Google Patents
Verbindungsbolzen und verfahren zum einstellen der spannkraft des verbindungsbolzensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Verbindungsbolzen zum Verbin
den von Maschinenelementen. Insbesondere betrifft die Erfindung
einen Verbindungsbolzen, dessen Aufbau es ermöglicht,
auf einfache Weise die Spannkraft bei der Verbindung der
Elemente einzustellen. Ferner betrifft die Erfindung ein
Verfahren zum Einstellen der Spannkraft für die mit dem
erfindungsgemäßen Verbindungsbolzen zu verbindenden Elemente.
Üblicherweise werden Gehäuseteile und Flansche eines
Maschinensatzes, zum Beispiel einer Dampfturbine oder der
gleichen, mit Hilfe von Verbindungs- oder Befestigungsbolzen
miteinander verbunden, und die Spann- oder Anziehkraft
der Verbindungsbolzen wird vorab so eingestellt, daß unter
Berücksichtigung einer bestimmten Temperatur beim Betrieb
des Maschinensatzes eine vorbestimmte Spannkraft auf
rechterhalten bleibt.
Ein Beispiel dafür, wie die herkömmlichen Verbindungsbolzen
der oben genannten Art beim Verbinden von Gehäuseteilen einer
Dampfturbine eingesetzt werden, soll zunächst näher
erläutert werden.
Eine Dampfturbine ist im allgemeinen mit einem Paar unterer
und oberer Gehäuseteile des Innen- und Außengehäuses ausge
stattet, die durch Verbindungsbolzen miteinander verbunden
werden. Die auf die Verbindungsbolzen einwirkende Kraft
wird nicht nur durch Dampfdrücke im Innen- und Außenge
häuse beeinflußt, sondern außerdem spielt die in Axialrich
tung des Verbindungsbolzens wirkende Anziehkraft eine
Rolle, die dazu dient, obere und untere Gehäuseteile fest
miteinander zu verbinden. Außerdem muß die Widerstandskraft
gegenüber thermischen Verformungen berücksichtigt werden,
die aufgrund des eine sehr hohe Temperatur aufweisenden
Dampfs beim Betrieb der Turbine entstehen. Diese auf die
Verbindungsbolzen einwirkenden Kräfte und Beanspruchungen
nehmen beträchtliche Werte an.
Um derart hohe Belastungen aufnehmen und halten zu können,
werden Größe und Durchmesser des Verbindungsbolzens groß
gewählt; beispielsweise haben bei einer Generator-Dampfturbine
für die Leistung von 500 MW die Verbindungsbolzen zum
Verbinden der Gehäuseteile des inneren und des äußeren
Gehäuses einen Durchmesser von 165 mm. Deshalb ist es schwierig,
derart große Verbindungsbolzen unter Verwendung her
kömmlicher Anzieh-Werkzeuge zu spannen.
Aus diesem Grund wurde bereits ein Verfahren entwickelt,
bei dem in eine Durchgangsbohrung innerhalb des Verbin
dungsbolzens eine elektrische Heizvorrichtung eingebracht
wurde, um den Verbindungsbolzen aufzuheizen und ihn so vor
übergehend in axialer Richtung zu vergrößern. Der so expan
dierte Verbindungsbolzen wurde dann mit Hilfe von Spannmuttern
angezogen. Dieses Verfahren benötigt jedoch viel Zeit
und Arbeitsaufwand für das Einbringen und das Herausziehen
der Heizvorrichtung in bzw. aus der Bohrung des Verbin
dungsbolzens.
Bei einem anderen herkömmlichen Verfahren ist vorgesehen,
daß stark erhitzte Luft oder ein stark erhitztes spezielles
Gas hoher Wärmespeicherfähigkeit anstelle einer elektrischen
Heizvorrichtung in die Hohlbohrung des Verbindungs
bolzens eingeführt wird, um den Verbindungsbolzen axial
auszudehnen. Jedoch wirft auch dieses Verfahren Probleme
auf, da viel Zeit benötigt wird, den Verbindungsbolzen auf
die gewünschte Temperatur zu erwärmen. Vom technischen
Gesichtspunkt her basiert dieses Verfahren auf der unter
schiedlichen Wärmeausdehnung der Flanschteile des Gehäuses
der Dampfturbine einerseits und der zu deren Verbindung
verwendeten Verbindungsbolzen. Daraus folgt, daß man dafür
Sorge tragen muß, daß die Temperatur der Flanschabschnitte
nicht auch ansteigt. In der Praxis muß deshalb die Anzahl
gleichzeitig erwärmter Verbindungsbolzen beschränkt werden,
damit das Aufheizen der Bolzen lokal begrenzt durchgeführt
wird. Dies führt zu langen Teil-Arbeitsabschnitten, ist
also unwirtschaftlich.
Bei dem Verfahren, bei dem erhitzte Luft oder ein erhitztes
Gas verwendet wird, sind die betroffenen Teile und Elemente
mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit einer thermischen
Verformung ausgesetzt, da die Verbindungsbolzen auf eine
hohe Temperatur erhitzt werden. Das Material der Elemente
verschlechtert sich dadurch möglicherweise. Insbesondere
bei der Hochtemperatur-Gaserhitzung besteht eine hohe Wahr
scheinlichkeit für eine Korrosion der Innenfläche der Hohl
bohrung in dem Verbindungsbolzen, bedingt durch die Hoch
temperatur-Oxidation bei Verwendung des Gases. Dadurch
steht zu befürchten, daß die Festigkeit des Verbindungs
bolzens abnimmt.
Üblicherweise wurde das Verfahren des thermischen Verlän
gerns des Verbindungsbolzens und des Spannens des Verbin
dungsbolzens in dessen expandiertem Zustand dann einge
setzt, wenn das Anzugs-Drehmoment nicht "manuell" aufge
bracht werden konnte, zum Beispiel mehr als 50 kpm betrug.
Insbesondere bei Dampfturbinen wurde das Verfahren im
allgemeinen dann eingesetzt, wenn es sich um Verbindungs
bolzen mit Durchmessern von mehr als 50 mm handelte.
In dem Bestreben, das Verschrauben der Bolzen und die damit
verbundenen Arbeiten weitestgehend zu vereinfachen oder zu
beseitigen, wurde mit einem durch einen Hydraulikmechanismus
betätigten Drehmomentschlüssel gearbeitet, dabei wirkt
jedoch auf den Verbindungsbolzen eine Rückdrehkraft ein, so
daß bei der Auswahl der Stärke des Verbindungsbolzens die
kombinierte Beanspruchung berücksichtigt werden muß, die
sich zusammensetzt aus der Scherbeanspruchung aufgrund der
Rückdrehkraft und der Zugbeanspruchung aufgrund der Expan
sion des Verbindungsbolzens. Aus diesem Grund ist es erfor
derlich, bereits beim Entwurf die zulässige Zubeanspruchung
auf unterhalb etwa 83% der möglicherweise von dem
Verbindungsbolzen auszuhaltenden Kraft zu begrenzen, was
auf der allgemein bekannten Scherbeanspruchungsenergie-
Theorie beruht. Dies kann möglicherweise dazu führen, daß
in einigen Fällen keine angemessene Spannkraft für den
Verbindungsbolzen gewährleistet werden kann. Außerdem ist
zu bedenken, daß der mit einem Hydraulikmechanismus
ausgestattete Drehmomentschlüssel ein schweres Werkzeug
darstellt und erheblichen Arbeitsraum im Bereich um den
Verbindungsabschnitt herum benötigt. In einigen Fällen kann
es notwendig sein, einen Kran einzusetzen, um den
Drehmomentschlüssel zu manövrieren. Unter Umständen ist
keine ausreichende Manövrierfähigkeit gegeben.
Die oben aufgezeigten Probleme treten insbesondere beim
Zusammenbau oder Auseinanderbau der Dampfturbine anläßlich
regelmäßiger Wartungsarbeiten auf, es kommen jedoch noch
Probleme beim tatsächlichen Betrieb der Dampfturbine hinzu,
und zwar aus dem Gesichtspunkt der Beibehaltung der Festig
keit der miteinander verbundenen Teile.
Bei Maschinenanlagen wie Dampfturbinen, die üblicherweise
bei hohen Temperaturen betrieben werden, müssen Verbin
dungsmittel wie Schraubenbolzen und dergleichen nach Bedarf
nachgezogen werden können, da die Spannkraft oder der
Spannzustand der miteinander verbundenen Teile im Laufe der
Zeit variiert, bedingt durch thermische Expansion oder
durch Kriechdehnung.
Beim Entwurf wird im allgemeinen darauf geachtet, die Mate
rialien für die zu verbindenden Elemente und die Verbin
dungsbolzen so auszuwählen, daß die Wärmeausdehnungskoeffi
zienten der einzelnen Stoffe für beide miteinander zu ver
bindenden Elemente etwa gleich oder doch ähnlich sind,
damit die gegenseitige Beeinflussung der Teile aufgrund von
Wärmeausdehnungen aufgehoben werden.
Beim tatsächlichen Betrieb solcher Anlagen jedoch wird im
Gegensatz zu dem oben beschriebenen Idealzustand die Spann
kraft der Verbindungsbolzen, das heißt die auf den Verbin
dungsbolzen-Körper einwirkende Spann-Beanspruchung, häufig
im Laufe der Zeit durch Zusammenwirken der Kriechdehnung
und der Temperaturschwankungen, die in weiten Bereichen
auftreten, geringer. Insbesondere wird, wenn die
Wärmeausdehnung des Verbindungsbolzens größer ist als
diejenige des zu verbindenden Teils, die Spannkraft des
Verbindungsbolzens mit ansteigender Betriebstemperatur
sinken, was die Gefahr mit sich bringt, daß unter starkem
Druck stehende Fluide, zum Beispiel Dampf, als Leckage
austreten. Diese Erscheinungen wurden in besonderem Maße
beobachtet bei der Entwicklung von dem Tagesbedarf
entsprechend betriebenen Turbinen, bei denen die
Betriebstemperatur häufig in einem relativ kurzen
Zeitintervall variiert, entsprechend der benötigten Arbeit
der Dampfturbine.
Um dem Abnehmen der Spannkraft des Verbindungsbolzens auf
grund der Wärmeausdehnung zu begegnen, wurde bei einer her
kömmlichen Dampfturbine ein Dampf-Einleitrohr angeordnet,
welches mit einer Vielzahl von Bolzen-Löchern in den Flansch
abschnitten der Gehäuseteile in Verbindung stand, um auf
diese Weise den Verbindungsbolzen-Körper zu kühlen oder die
miteinander zu verbindenden Flanschabschnitte zu erhitzen,
indem Dampf einer vorbestimmten Temperatur durch das
Dampfeinleitrohr eingeführt wurde, um so dem Abnehmen der
Spannkraft vorzubeugen.
Allerdings sind die Flanschabschnitte im allgemeinen relativ
dick und besitzen eine große Oberfläche, so daß es
beträchtliche Schwierigkeiten bereitet, die Wärme ins Innere
der Flanschabschnitte zu übertragen. Unter gewissen
Betriebsbedingungen kann sich der Verbindungsbolzen-Körper
relativ kleiner Wärmekapazität zunächst ausdehnen, bevor
sich der Flanschabschnitt ausdehnt. Dies hat möglicherweise
zur Folge, daß die Spannkraft sinkt. Im umgekehrten Fall
steht zu befürchten, daß Dampf austritt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die oben aufgezeigten Nach
teile und Probleme zu beseitigen oder doch zumindest zu
mildern und einen verbesserten Verbindungsbolzen anzugeben,
dessen Aufbau eine spürbare Verbesserung der Arbeitseffizienz
beim Herstellen der Verbindungen ermöglicht, indem ver
mieden wird, daß sich die Qualität des Verbindungsbolzens
beim Herstellen der Verbindung verschlechtert, und indem
eine hohe Zuverlässigkeit für die Festigkeit des Bolzens
gewährleistet wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene
Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die Erfindung wird außer dem Verbindungsbolzen ein
Verfahren zur Einstellung der Spannkraft eines solchen Ver
bindungsbolzens geschaffen. Nach dem erfindungsgemäßen Ver
fahren läßt sich die Spannkraft sehr leicht und genau ein
stellen, abhängig von Betriebsänderungen der Maschine. Das
Einstellen ist zum Beispiel bei einer Dampfturbinenanlage
während deren Betrieb möglich.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verbindungsbolzens
besteht insbesondere in einer verbesserten Dichtungsanordnung,
mit deren Hilfe das Einstellen der Spannkraft mühelos
erreicht werden kann.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Vertikal-Schnittansicht eines erfindungs
gemäßen Verbindungsbolzens,
Fig. 2 bis 5 einen Teil des Verbindungsbolzens in Verbin
dung mit unterschiedlichen Arten von Dichtungen,
Fig. 6 eine Vertikal-Schnittansicht einer bevorzugten
Ausführungsform des Verbindungsbolzens im
eingesetzten Zustand,
Fig. 7 eine Vertikal-Schnittansicht eines Teils des
Verbindungsbolzens nach Fig. 6 in vergrößertem
Maßstab,
Fig. 8 eine vergrößerte Darstellung des Details A in
Fig. 7,
Fig. 9 eine Vertikal-Schnittansicht des Verbindungs
bolzens zur Veranschaulichung des erfindungs
gemäßen Bolzen-Spannverfahrens,
Fig. 10 eine schematische Skizze einer Einrichtung zum
Zuführen eines Wärmemediums zu dem Verbin
dungsbolzen,
Fig. 11 eine Vertikal-Schnittansicht des Verbindungs
bolzens, wobei sich auf der Außenfläche des
Bolzenkörpers ein Wärmeisoliermaterial befindet,
Fig. 12 eine Querschnittansicht eines Teils einer
Dampfturbine üblicher Bauart, bei der der
erfindungsgemäße Verbindungsbolzen eingesetzt
werden kann,
Fig. 13 eine Schnittansicht zu verbindender
Teile der in Fig. 12 gezeigten Dampfturbine,
Fig. 14 eine graphische Darstellung, die die zeitliche
Änderung der Spannkraft des Verbindungsbolzens
im Stand der Technik veranschaulicht,
Fig. 15 eine schematische Draufsicht auf einen Tempe
ratur-Einstellmechanismus herkömmlicher Art,
mit dessen Hilfe die Temperatur des Verbin
dungsbolzens sowie benachbarter Teile des
Bolzens eingestellt wird, und
Fig. 16 eine Schnittansicht entlang der Linie XII-XII
in Fig. 15.
Bevor bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutert
werden, soll zum besseren Verständnis der Erfindung der
technischen Hintergrund anhand der Fig. 12 bis 16 disku
tiert werden.
Fig. 12 zeigt eine Schnittansicht eines Hauptteils einer
Dampfturbine üblicher Bauart, wie sie zum Beispiel in der
Japanischen Patentanmeldung Nr. 78196/1983 beschrieben ist.
Bei dieser Dampfturbine befindet sich ein Innengehäuse 2 im
Inneren eines Außengehäuses 1, und es ist ein Rotor 4 mit
Turbinenschaufeln 3 in dem Innengehäuse 2 angeordnet. Das
Außengehäuse 1 besitzt einen Dampfeinlaß 5, an den ein
expandierbares Verbindungsrohr 6 angeschlossen ist, welches
einerseits mit einem ringförmigen Düsenkasten 7 im Innen
gehäuse 2 verbunden ist. Mit Düsen 8 ausgestattete Membranen
9 sind in die Innenwand des Innengehäuses 2 angepaßt.
Die Düsenmembranen 9 bilden zusammen mit den Turbinenschaufeln
3 eine Turbinenstufe. Stopfbüchsenpackungen 10 sind in
die beiden Endabschnitte des Außengehäuses 1 eingepaßt und
bilden eine Abdichtungsanordnung für die Welle des Rotors 4.
Bei der Dampfturbine mit dem oben beschriebenen Aufbau wird
Dampf hoher Temperatur und hohen Drucks über den Dampfein
laß 5 und das Verbindungsrohr 6 in den ringförmigen Düsen
kasten 7 eingeleitet und von dort durch die Düsenöffnung
des Düsenkastens 7 als Hochgeschwindigkeitsdampf geleitet,
der auf die Turbinenschaufeln 3 prallt. Das Aufprallen dieses
eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Dampfs verleiht
dem Rotor 4 über die Turbinenschaufeln 3 eine kinetische
Energie. Anschließend wird der Dampf gedrosselt und durch
die Düsen 8 der jeweiligen Membranen 9 in die anschließende
Turbinenstufe geleitet. Dieser Vorgang wird fortlaufend
wiederholt, und der schließlich die End-Turbinenstufe
passierende Dampf wird über einen Auslaß 11 der Hochdruck
Stufe nach Fig. 12 einer Zwischen- oder Niederdruck-Turbine
zugeführt.
Im allgemeinen werden das Außengehäuse 1 und das Innenge
häuse 2, die den Rotor 4 luftdicht in sich aufnehmen, als
untere bzw. obere Formhälften gemäß Fig. 13 zum Einsatzort
transportiert. Die oberen und unteren Gehäusehälften 1 a, 1 b
sowie 2 a, 2 b des Außengehäuses 1 bzw. des Innengehäuses 2
werden mit Hilfe von Spannmitteln verbunden, welche aus
Verbindungsschrauben 12 und Spannmuttern 13 bestehen, welche
die entsprechenden Schrauben oder Bolzen 12 an deren
beiden Enden verspannen.
Die miteinander zu verbindenden Abschnitte der jeweiligen
Gehäuseteile 1 a, 1 b bzw. 2 a, 2 b sind üblicherweise als
Flanschabschnitte 14 ausgebildet, von denen jeder eine
relativ große Dicke besitzt, damit starre Festigkeit der
Gehäuse gewährleistet ist. Die Gehäuse 1 und 2 werden dadurch
verschraubt, daß die Verbindungsschrauben 12 durch die
Flanschabschnitte 14 gestreckt und anschließend durch die
Spannschrauben 13 fest verspannt werden, um dadurch die
Luftdichtigkeit des Innendrucks der Gehäuse 1 und 2 sicher
zustellen.
Bei dem Verfahren zum Spannen der Dampfturbinen-Gehäuse,
wie es oben beschrieben wurde, wird jedoch die auf die Ver
bindungsbolzen einwirkende Kraft nicht nur beeinflußt durch
die Dampfdrücke in dem Innengehäuse 1 und dem Außengehäuse
2, sondern auch durch die Anziehkraft, die in Axialrichtung
der Schrauben 12 wirkt, um die oberen und die unteren
Gehäuseteile sicher zu befestigen. Ferner ist auch eine
Belastung zu berücksichtigen, die einen Widerstand gegen die
durch den Hochtemperaturdampf beim Betrieb der Turbine ent
stehende thermische Verformung darstellt. Diese auf die
Verbindungsbolzen einwirkenden Kräfte und Spannungen nehmen
beträchtliche Werte an.
Aufgrund der oben aufgezeigten Umstände ist im Stand der
Technik beim Verfahren zum Einstellen der Spannkraft der
Verbindungsbolzen mit verschiedenen Problemen und Nachteilen
zu rechnen.
Fig. 14 zeigt ein Beispiel für die Veränderung der Spann
kraft des Verbindungsbolzens mit verstreichender Zeit. Die
graphische Darstellung verdeutlicht die Tatsache, daß die
Spannkraft nach und nach abnimmt.
Eine demgegenüber als Verbesserung betrachtende Variante
gemäß Fig. 15 und 16 sieht vor, zur Vermeidung des Abnehmens
der Spannkraft der Verbindungsbolzen 12 aufgrund von
Wärmeausdehnung ein Dampfeinleitrohr 44 vorzusehen, welches
mit mehreren Bolzenlöchern 20 in den Flanschabschnitten 14
der Gehäuse 1 und 2 in Verbindung steht, um den Verbin
dungsbolzen-Körper 15 zu kühlen oder den zu verbindenden
Flanschabschnitt 14 zu erhitzen, indem Dampf mit einer vor
bestimmten Temperatur durch das Dampfeinleitrohr 44 mit dem
Ziel geleitet wird, so die Absenkung der Spannkraft zu ver
meiden.
Allerdings bleiben auch bei diesem verbesserten Verfahren
die oben aufgezeigten Probleme und Nachteile bestehen.
Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung
erläutert werden, so daß deutlich wird, daß und wie die dem
Stand der Technik anhaftenden Probleme und Nachteile beseitigt
werden.
Hierzu zeigt Fig. 1 eine Vertikal-Schnittansicht eines
erfindungsgemäßen Verbindungsbolzens. Durch eine durch Flansch
abschnitte 14 von Gehäuseteilen einer Dampfturbine
gebohrte Bolzen-Durchgangsöffnung 20 ist ein Verbindungsbolzen
12 gesteckt. Die beiden Enden des Verbindungsbolzens 12
sind durch Spannmuttern 13 a, und 13 b befestigt. In etwa dem
axialen Mittelabschnitt des Verbindungsbolzen-Körpers 15
ist eine axiale Hohl-Öffnung oder Bohrung 16 mit einem
Innendurchmesser d₂ ⌀ und einer Länge L₀ gebohrt, wobei der
Außendurchmesser des Bolzen-Körpers 15 D ⌀ beträgt. Von der
Bohrung 16 wird ein Kolben 17 aufgenommen, dessen Länge L₁
etwas geringer ist als die Länge L₀ der Bohrung 16. Wie
Fig. 1 zeigt, sind um das obere Ende des Kolbens herum
Dichtungsmittel 18 angeordnet, die die Aufgabe haben, den
Raum zwischen der Innenwand des Bolzens 12 und der Außen
fläche des Kolbens 17 abzudichten. Ein Blindstopfen 19 ist
in eine endseitige Öffnung der Bohrung 16 eingesteckt, um
diese zu verschließen. Der Blindstopfen 19 ist durch eine
Schraubverbindung oder durch eine Schweißverbindung be
festigt.
Der Verbindungsbolzen-Körper 15 besteht im allgemeinen aus
Chrom, Molybdän-Vanadium-Stahl (CrMoV-Stahl) oder aus 12-
Chrom-Vanadium-Wolfram-Stahl (12CrVW-Stahl). Diese Stähle
können jedoch dazu neigen, thermisch spröde zu werden, und
beim herkömmlichen Schweißvorgang kann es schwierig sein,
diese Stähle zu bearbeiten. Es kann zu Nadellöchern kommen,
verbunden mit der Schwierigkeit, eine vollständige Luft
dichtigkeit zu erreichen. Folglich ist es wünschenswert,
das Einsetzen des Blindstopfens 19 mittels Elektronen
strahlschweißung durchzuführen, was weniger Schweißhitze
erfordert und eine vollständige Luftdichtigkeit gewähr
leistet.
Das untere Ende des Kolbens 17 berührt, wie Fig. 1 zeigt,
den Boden der Bohrung 16 des Verbindungsbolzens 12, und
zwischen dem oberen Ende des Kolbens 17, das heißt, der
Oberseite der Dichtungsmittel 18, und dem Boden des einge
setzten Blindstopfens 19 ist ein Hohlraum 21 gebildet, in
welchen ein unter Druck stehendes Fluid eingeleitet wird.
Der Blindstopfen 19 ist mit einer axialen Durchgangsbohrung
ausgestattet, die einen Anschluß 24 für einen Schlauch 23
besitzt, durch den unter Druck stehendes Fluid aus einer
Fluid-Druckpumpe 22 in den Raum 21 eingebracht wird. In dem
Schlauch 23 kann ein (nicht gezeigtes) Kopfstück vorgesehen
sein, von dem aus viele Abzweigschläuche an die Anschlüsse
der jeweiligen Verbindungsbolzen 12 gehen, um so die
Möglichkeit zu haben, mehrere Bolzen gleichzeitig anzuspannen.
Zwischen der Innenwand des Verbindungsbolzens 12 und der
Außenwand des Kolbens 17 befindet sich auf der unteren
Seite der Dichtungsmittel 18 ein Ringraum 25 zum Einleiten
eines Heizmittels, welches dazu dient, die Temperatur des
Verbindungsbolzens 12 einzustellen. Ein Heizmitteleinlaß 26
und ein Heizmittelauslaß 27 zum Einleiten bzw. zum Ausleiten
des Heizmittels sind zum Beispiel an dem geschlossenen
Ende des Bodenabschnitts des Verbindungsbolzen-Körpers 15
vorgesehen, und diese beiden Anschlüsse 26 und 27 stehen
über Verbindungsnuten 28 bzw. 29 mit dem Temperaturein
stellraum 25 in Verbindung. Die Nuten sind im unteren
Endabschnitt des Kolbens 17 gebildet. Die Verbindungsnuten
28 und 29 können auch als Auslaßnuten dienen, die die Auf
gabe haben, aus dem Bolzen-Körper 15 das unter Druck stehende
Fluid auszulassen, welches aus dem Raum 21 in den
Ringraum 25 sickert. Die Anordnung dieser Räume 21 und 25
kann gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Anordnung umge
kehrt werden.
Im folgenden wird das Verfahren zum Verbinden der Flansch
abschnitte 14 der Dampfturbine mit Hilfe der Verbin
dungsbolzen 12 des oben beschriebenen Aufbaus erläutert.
Zunächst werden die Verbindungsbolzen 12 in die in den
Flanschabschnitten 14 der Gehäuse 1 und 2 der Dampfturbine
ausgebildeten Bohrungen 20 gesteckt, und beide Enden jedes
Verbindungsbolzens 12 werden mit Hilfe von Muttern 13 a und
13 b angezogen, wozu ein herkömmliches Spannwerkzeug einge
setzt wird. Der von der Druckfluidpumpe 22 kommende
Schlauch 23 wird an den Anschluß 24 des Blindstopfens 19
angeschlossen, und es wird unter Druck stehendes Fluid in
den Raum 21 bei jedem Verbindungsbolzen 12 eingeleitet.
Das in den Raum 21 eingeleitete, unter Druck stehende Fluid
drückt auf den Kolben 17, so daß dieser den Verbindungs
bolzen 12 in axialer Richtung ausdehnt. Die Druckkraft F 0
zum Ausdehnen des Verbindungsbolzens 12 drückt sich durch
folgende Gleichung aus:
F 0 = (f/4) d 2² × p (1)
wobei d 2 der Innendurchmesser der Bohrung 16 des Bolzens 12
und p der Druck des Druckfluids ist.
Eine Kraft F, die die Länge des Verbindungsbolzens 12,
welcher eine effektive Länge l, einen Außendurchmesser D und
einen Innendurchmesser d 2 in der Hohlbohrung aufweist, um
einen Längenabschnitt Δ 1 vergrößert, läßt sich wie folgt
ausdrücken:
F = (π/4) (D² - d 2²) · (Δ 1/1) × E (2)
wobei E der Elastizitätsmodul des Materials des Verbin
dungsbolzens 12 ist.
Der Fluiddruck, der den Verbindungsbolzen veranlaßt, sich
um Δ 1 auszudehnen, ergibt sich mithin aus den Gleichungen
(1) und (2) wie folgt:
P = [(D²/d 2²) - 1] × (Δ 1/1) × E (3)
Folglich wird beim Betrieb das unter Druck stehende Fluid
mit einem Druck gemäß Gleichung (3) zugeführt, um den Ver
bindungsbolzen-Körper 15 um einen Längenabschnitt Δ 1
axial auszudehnen, und anschließend wird das Heizmittel in
den Temperatureinstellraum 25 eingeleitet, um die
Temperatur des Verbindungsbolzens auf eine vorbestimmte
Temperatur einzustellen. Unter diesen Bedingungen wird der
Bolzen 12 mit den Muttern 13 mit einem üblichen Spannwerk
zeug gespannt. Das unter Druck stehende Fluid wird an
schließend abgelassen, um die axiale Zugspannung, die durch
das Druckfluid aufgebracht wurde, abzubauen. Nachdem die
Zugspannung nachgelassen hat, reduziert sich die axiale
Länge des Verbindungsbolzen-Körpers 14, jedoch wird dieser
Vorgang beschränkt durch die Dicke der miteinander zu
verbindenden Teile, so daß als Spannkraft eine Zugkraft
hervorgerufen wird, die einer Kraft entspricht, die zum
Ausdehnen des Bolzenkörpers 15 um den Längenabschnitt Δ 1
erforderlich wäre.
Beispielsweise wird bei einer Stromerzeuger-Dampfturbine
einer Leistung von 500 MW der Druck p für das unter Druck
stehende Fluid, das bei solchen Verbindungsbolzen einge
setzt wird, folgendermaßen berechnet:
Wenn der Außendurchmesser D des Verbindungsbolzens 159 mm
beträgt, der Innendurchmesser d 2 100 mm beträgt, der Wert
des Elastizitätsmoduls E 21 000 kp/mm² ist und die Längung
(Δ 1/1) etwa 0,2% beträgt, errechnet sich der Druck
p aus der obigen Gleichung (3) zu etwa 6420 kp/cm². In
anderen Worten: Man kann sagen, daß der Verbindungsbolzen
12 axial um 2/1000 der effektiven Länge ausgedehnt werden
kann, indem Druckfluid mit 6420 kp/cm² in den Druckraum 21
eingeleitet wird. Im allgemeinen läßt sich sagen, daß ein
Druck des unter Druck stehenden Fluids von etwa 12 000 kp/cm²
eine Entwurfsgrenze für Verbindungsbolzen der
vorliegenden Art darstellt.
Durch den oben erläuterten, erfindungsgemäßen Aufbau des
Verbindungsbolzens kann, da der Mechanismus zum Verlängern
des Verbindungsbolzen-Körpers in dessen axialer Richtung im
Verbindungsbolzen selbst angeordnet ist, die zum Anspannen
des Bolzens benötigte Verlängerung vorab auf den Bolzen-
Körper durch den Axial-Ausdehnungsmechanismus aufgebracht
werden, und unter diesen Umständen läßt sich der Verbin
dungs-Bolzen durch Anziehen der Spannmuttern an den beiden
Bolzenenden festspannen. Folglich läßt sich die Spannkraft
auf den Verbindungsbolzen aufbringen, indem lediglich die
einfache axiale Zugkraft aufgebracht wird, ohne daß Scher
kräfte hervorgerufen werden, verursacht beispielsweise
durch die auf den Bolzen-Körper einwirkende Rückstellspannung.
Das erfindungsgemäße Bolzen-Anspannen ist also gegen
über dem Stand der Technik wesentlich vereinfacht. Es
stellte sich heraus, daß man eine Verbindung der oben
beschriebenen Art in nur einigen Minuten herstellen kann. Im
Vergleich dazu braucht das Herstellen von Verbindungen mit
Verbindungsbolzen unter Verwendung des oben beschriebenen
Aufheizverfahrens drei Tage für ein Dampfturbinen-
Gehäuse. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in Verbin
dung mit den erfindungsgemäßen Verbindungsbolzen für eine
vergleichbare Arbeit lediglich ein Zeitraum von zwei bis
drei Stunden benötigt. Die Arbeitszeit für ein und dieselbe
Arbeit wird also durch die Erfindung auf etwa ein Zwanzigstel
verringert.
Beim Anziehen der Spannmuttern auf dem Verbindungsbolzen
lassen sich die Muttern mit relativ geringem Kraftaufwand
und unter Verwendung herkömmlicher Spannwerkzeuge anziehen,
so daß auf den Bolzen-Körper weniger Rückstellspannungen
einwirken. Dies bedeutet, daß als zulässige Spannung ledig
lich die Sicherheitsspannung gegenüber der Zugspannung des
Verbindungsbolzens betrachtet werden kann, verglichen mit
dem Stand der Technik, bei dem die zulässige Spannung anzu
sehen ist als zusammengesetzter Wert, umfassend die Zug
spannung und auf die die Rückstellkraft zurückzuführende
Scherspannung. Diese Umstände vereinfachen den Entwurf der
Verbindung.
Bei dem erfindungsgemäßen Spannverfahren wird das Überwachen
der Ausdehnung des Verbindungsbolzens vereinfacht, da
lediglich die Skala eines Druckmessers beobachtet werden
muß, welcher den Druck des Druckfluids anzeigt. Der
Arbeitsablauf wird also ebenso wie die Wartung vereinfacht.
Bei dem herkömmlichen Spannverfahren wird das Maß der Aus
dehnung des Verbindungsbolzen-Körpers vor und nach der
Wärmezufuhr oder nach der Abkühlung mit Hilfe eines Meßinstru
ments, wie zum Beispiel einem Dehnungsmesser, erfaßt, und
für den Fall, daß man einen unzureichenden Wert ermittelt,
wird der Verbindungsbolzen erneut erhitzt, um ihn zusätz
lich anzuziehen, und nach dem Ablöschen wird das Maß der
Ausdehnung erneut gemessen. Diese möglicherweise häufig zu
wiederholenden Abläufe sind mühevoll und kompliziert. Auch
in dieser Hinsicht stellt die Erfindung fraglos eine bedeutende
Vereinfachung dar.
Es ist noch ein anderer Gesichtspunkt zu berücksichtigen:
Da der Verbindungsbolzen mit Hilfe des unter Druck stehenden
Fluids ausgedehnt wird, läßt sich das Spannen des
Bolzens bei Zimmertemperatur durchführen. Durch diesen Vorteil
kann verhindert werden, daß sich der Verbindungsbolzen-Körper
thermisch verformt oder brüchig wird. Außerdem wird die
Zuverlässigkeit des Verbindungsbolzens und dessen Funktion
grundsätzlich verbessert, verglichen mit dem herkömmlichen
Spannverfahren, bei dem eine Hochtemperatur-Wärmequelle,
zum Beispiel eine elektrische Heizvorrichtung, verwendet
wird.
Die obige Beschreibung bezieht sich auf einen Verbindungs
bolzen, wie er beim Zusammenbau von Turbinengehäusen einge
setzt wird. Das beschriebene Verfahren läßt sich in umge
kehrter Abfolge auch zum Auseinanderbauen der Turbinenge
häuse verwenden. Beim Löschen der Spannmuttern und Entfernen
der Verbindungsbolzen aus den miteinander verbundenen Teilen
wird ein Druckfluid, dessen Druck geringfügig höher ist
als vorher beim Ausdehnen des Verbindungsbolzen-Körpers,
zugeführt, um den Bolzen noch weiter auszudehnen, und in
diesem Zustand werden die Spannmuttern mühelos abge
schraubt.
Als in den Druckraum des Verbindungsbolzen-Körpers einzu
speisendes Druckfluid sollte möglichst ein nicht kompressibles
Fluid eingesetzt werden, zum Beispiel Wasser oder
Hydrauliköl. Grundsätzlich sind aber auch andere Fluide
möglich.
Das Volumen des Druckraums wird so ausgelegt, daß es mög
lichst klein ist, um einen raschen und glatten Druckaufbau
zu erzielen. Hierzu ist es wünschenswert, die Dichtungsmittel
18 am Endbereich des Außenumfangs des Kolbens 17 in der
Nähe des Druckraums anzuordnen.
Bevorzugt wird außerdem, den Druckraum 21 etwa im Mittelab
schnitt der axialen Länge H der Spannmutter 13 a im gespannten
Zustand nach Fig. 1 zu definieren, und zwar im Hinblick
auf die Stärke des Verbindungsbolzens. Dies deshalb, weil
eine auf den Druck des in den Druckraum 21 eingespeisten
Druckfluids zurückzuführende Radialverformung des Verbin
dungsbolzen-Körpers 15 wirksam durch die Festigkeit der
Spannmutter 13 a unterdrückt werden kann.
Wie aus dem Beispiel der Verbindungsbolzen zum Verbinden
der Gehäuseteile der Dampfturbine hervorgeht, wird ein Ver
bindungsbolzen nicht nur beim Zusammenbau der Auseinander
bau der Turbine bei Normaltemperatur montiert, sondern sie
wird auch gehandhabt beim Einstellen der Spannkraft im
Hochtemperatur-Zustand. Es ist daher erwünscht, die den
Verbindungsbolzen bildenden Teile aus einem Material herzu
stellen, welches dieselben Wärmeausdehnungseigenschaften
besitzt, um den Raum oder die Lücke zwischen der in dem
Bolzen gebildeten Bohrung und dem darin befindlichen Kolben
aufrechtzuerhalten und so zu verhindern, daß Druckfluid
durch den abgedichteten Abschnitt austritt.
Fig. 2 bis 5 zeigen konkrete Strukturen von Dichtungsmitteln
für den erfindungsgemäßen Verbindungsbolzen.
Eine in Fig. 2 dargestellte Dichtung umfaßt einen Dichtungs
ring 30 mit etwa dreieckigem Querschnitt und einer
Stufe am Außenumfang des oberen Ende des Kolbens 17,
gerichtet auf die Innenwand der Bohrung 16 des Verbindungs
bolzens 12. Der Dichtungsring 30 besteht aus elastisch
verformbarem Metall wie zum Beispiel Silber oder Kupfer.
Außerdem umfaßt die Dichtung einen O-Ring 31 aus Hartgummi
oder Kohlenstoff. Ferner umfaßt die Dichtung einen
Dichtungsring 32 etwa rechteckigen Querschnitts. Die
Elemente 30, 31 und 32 sind in dieser Reihenfolge überein
ander geschichtet. Ein Anschlagring 33 hält den oberen
Dichtungsring 32 und verhindert so, daß die Dichtung mit
den genannten Teilen herausfällt. Der Anschlagring 33
besteht aus einem elastischen Material wie zum Beispiel
Kohlenstoff.
Der untere Dichtungsring 30 besitzt zwei Dichtungsflächen,
von denen eine eine äußere Dichtungsfläche 30 a und die an
dere eine innere, konische Dichtungsfläche 30 b ist, die in
enger Berührung mit der entsprechenden oberen konischen
Fläche des Kolbens 17 steht, wenn die Dichtung 18 eingebaut
ist. Die beiden Dichtungsflächen 30 a und 30 b des Dichtungs
rings 30 vermögen den axial auf den Kolben 17 durch die
Verformung des O-Rings 31 aufgebrachten Druck oder Zug auf
zuteilen in einen Druck, der senkrecht auf die konische
Fläche wirkt, und einen Druck, der senkrecht in Richtung
auf die äußere Umfangsfläche wirkt. Dadurch wird der
Abdichtungseffekt erhöht.
Bei dem oben beschriebenen Aufbau der Dichtung 18 erreicht
man eine Druckdichtigkeit von beispielsweise mehr als 10 000 kp/cm².
Wenn in so einem Fall eine Druckdichtigkeit von unterhalb
etwa 10 000 kp/cm² erforderlich ist, kann der obere
Dichtungsring 32 fortgelassen werden, um den gewünschten
Dichtungseffekt zu erreichen.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Dichtung 18,
bei dem mehrere Dichtungsringe 35 in einer Mehrschichtan
ordnung um die obere äußere Umfangsfläche des Kolbens 17
herum angeordnet ist, während an dem Kolben 17 ein Stemmab
schnitt 36 gebildet ist, der die Aufgabe hat, den am weitesten
oben befindlichen Dichtungsring 35 festzulegen, damit
sichergestellt ist, daß das in den Druckraum 21 eingeleitete
Druckfluid abgedichtet wird. In einem weiteren Beispiel
nach Fig. 4 kann die Dichtung 18 B eine elastische
Kohlenstoffpackung 37 enthalten, die sich zwischen der
Außenfläche des Kolbens 17 und dem Verbindungsbolzen-Körper
15 befindet. Die Kohlenstoffpackung 37 wird unter Druck
zerkleinert, um gegen die Innenseite des Druckraums 21 zu
drücken und so einen abgedichteten Zustand herbeizuführen.
Verschiedene Arten von Kohlenstoffpackungen können verwendet
werden, abhängig von der Temperatur in dem hohlen
Bereich des Verbindungsbolzen-Körpers.
In einem weiteren Beispiel der Dichtung 18 C gemäß Fig. 5
kann die Dichtung durch eine Membrandichtung 38 ringförmiger
Gestalt gebildet sein, bei der die Innen- und Außenkanten
in die Wände des Kolbens 17 bzw. des Verbindungsbolzen-
Körpers 15 eingelassen sind, um das Druckfluid abzudichten.
Die Membrandichtung 38 kann wegen ihrer relativ großen
Nachgiebigkeit gegenüber Verformungen des Kolbens bevorzugt
sein.
Bei den oben angegebenen Beispielen für Dichtungen bestimmen
sich die stapelförmig angeordneten Teile der Dichtungen
und/oder die Anzahl der Dichtringe nach Maßgabe des Drucks
des verwendeten Druckfluids.
Fig. 6 bis 8 zeigen Ansichten eines Beispiels eines Verbin
dungsbolzens in dessen tatsächlicher Ausführungsform.
Bei einer Stromerzeuger-Dampfturbine einer Leistung von
etwa 500 MW beträgt die Dicke jedes Flanschabschnitts 14
eines unterteilten Turbinengehäuses etwa 50 mm, und das mit
dem Flanschabschnitt ausgestattete Gehäuse einer Dicke von
etwa 500 mm bis etwa 700 mm ist entsprechend der Ausgangs
leistung der Dampfturbine bemessen.
Der Außendurchmesser Da und der Innendurchmesser Db
(Bohrungsdurchmesser) des Verbindungsbolzen-Körpers 15
bestimmen sich nach Maßgabe folgender Tabelle auf der
Grundlage der Größe und Abmessung des jeweiligen
Verbindungsbolzens 12.
Aus den veranschaulichten Beispielen geht hervor, daß die
innere hohle Bohrung 16 des Verbindungsbolzen-Körpers 15,
in der der Kolben 17 aufgenommen wird, mit zwei Endöffnungen
ausgestattet ist, die durch Blindstopfen 19 und 19 a
verschraubt verschlossen werden, wobei der eine
Blindstopfen (19) mit einer Durchgangsbohrung ausgestattet
ist, an die ein (nicht gezeigter) Schlauch angeschlossen
wird, um in den Druckraum 21 innerhalb des Lochs 16
Druckfluid einzuleiten. Die Dichtung 18 ist an der
Außenumfangsfläche des Kolbens 17 montiert, und eine
Dichtung 40, die im wesentlichen den gleichen Aufbau hat
wie die Dichtung 18, ist an der äußeren Umfangsfläche des
Blindstopfens 19 montiert, wie in den Fig. 7 und 8 zu sehen
ist. Die Dichtungen 18 und 40 haben ebenfalls etwa den
gleichen Aufbau wie die Dichtung 18 nach Fig. 2, welche im
wesentlichen den Dichtungsring 30 mit dreieckigem
Querschnitt, den O-Ring 31 aus Hartgummi und den
Dichtungsring 32 mit rechteckigem Querschnitt umfaßt, die
vertikal in der genannten Reihenfolge an dem Kolben 17
übereinandergeschichtet und mit dem Anschlagring 33 festge
legt sind.
Die Flanschabschnitte 14 der Turbinengehäuse können mit
Hilfe des oben beschriebenen Verfahrens unter Verwendung
der Verbindungsbolzen 12 befestigt und verspannt werden,
wobei lediglich die Zugkraft auf den Verbindungsbolzen-
Körper 14 aufgebracht wird, ohne daß aufgrund von Rückstell
spannungen Scherkräfte auftreten können. In diesem Fall ist
es im Hinblick auf den Entwurf einer Dampfturbine wichtig,
daß das Spannkraft-Verhältnis des Verbindungsbolzens 12
mehr als 0,75 beträgt und der Pumpendruck der Pumpe unter
halb von etwa 10 000 kp/cm² liegt.
Ein besonderes Merkmal der Verwendung der erfindungsgemäßen
Verbindungsbolzen ist darin zu sehen, daß man die Spann
kraft innerhalb kurzer Zeit mühelos einstellen kann, auch
während des Betriebs einer Energieversorgungsanlage wie zum
Beispiel einer Dampfturbine.
Wenn eine Dampfmaschine der oben beschriebenen Art im
Dauerbetrieb arbeitet, sich also über einen langen Zeitraum
hinweg in einem Hochtemperaturzustand befindet, kann in dem
Verbindungsbolzen eine Dehnungsermüdung erfolgen, so daß im
Laufe der Zeit die Spannkraft abnimmt. Dies macht eine
geeignete Gegenmaßnahme erforderlich, zum Beispiel das Abkühlen
der Verbindungsabschnitte.
In diesem Fall wird, wie Fig. 9 zeigt, ein Heizmittel, zum
Beispiel Niedrigtemperatur-Dampf, durch den Einlaß 26 im
unteren Ende des Verbindungsbolzen-Körpers 15 eingeleitet.
Der eingeleitete Dampf steigt unter Dehnung um den Kolben
17 in dem Temperatureinstellraum 25 auf und kühlt dabei den
Verbindungsbolzen-Körper 15 von dessen Innenseite her ab,
bevor er durch den Auslaß 27 wieder austritt. Der Verbin
dungsbolzen-Körper 15 zieht sich durch die Abkühlung in
axialer Richtung zusammen und zieht dadurch die Spannmuttern
13 auf beiden Seiten des Bolzens unter Erhöhung der
Spannkraft an.
Um den in einem großen Bereich stattfindenden Änderungen
der Betriebsbedingungen der Maschinenanlage, insbesondere
einer Dampfturbine, gezielt zu folgen, ist die Anordnung
einer Heizmittel-Mischvorrichtung 45 sinnvoll, wie sie zum
Beispiel in Fig. 10 gezeigt ist. Durch diese Einrichtung
wird das Heizmittel nach Bedarf unterschiedlich in seiner
Temperatur eingestellt, so daß der Temperatureinstellvor
gang erheblich vereinfacht wird. In die Heizmittel-Misch
vorrichtung 45 wird durch Dosierventile 46 und 47 Hochtem
peratur-Dampf bzw. Niedrigtemperatur-Dampf eingeleitet, damit
die Einrichtung je nach Bedarf das Heizmittel mit der
richtigen Temperatur abgibt. Das Hochtemperatur- und das
Niedrigtemperatur-Heizmittel werden im richtigen Verhältnis
gemischt, indem die Ventile 46 und 47 entsprechend geöffnet
werden. Dadurch wird eine gewünschte Temperatur erzielt,
und das Gemisch mit dieser Temperatur wird durch eine Leitung
48 und den Heizmitteleinlaß 26 in den Temperaturein
stellraum 25 eingeleitet, um den Verbindungsbolzen-Körper
15 abzukühlen oder zu erhitzen und so die Spannkraft zu
erhöhen bzw. zu verringern.
Wenn zum Beispiel zu befürchten steht, daß es während des
Betriebs der Dampfturbine zu einem Dampfaustritt kommt,
läßt sich ein Leck dadurch vermeiden, daß man das Niedrig
temperatur-Heizmittelgemisch in den Temperatureinstellraum
25 einleitet, um sofort die Spannkraft des Verbindungsbolzens
zu erhöhen. Es sei daran erinnert, daß bei notwendiger
Kühlung des Verbindungsbolzens der herkömmliche Aufbau des
Kühl- und Heizmechanismus für den Verbindungsbolzen gemäß
Fig. 15 und 16 die miteinander verbundenen Teile, zum
Beispiel die Flansche der Dampfturbine, ebenfalls gemeinsam
mit dem Verbindungsbolzen abgekühlt wurden, so daß es
schwierig war, einen deutlichen Temperaturunterschied
zwischen den Flanschen einerseits und dem Verbindungsbolzen
andererseits und mithin eine Erhöhung der Spannkraft zu
erzielen. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Erfindung das
Begrenzen der Kühlung auf lediglich den Verbindungsbolzen-
Körper, so daß nur relativ wenig Wärme benötigt wird für
eine ruhige und doch auch rasche Wärmeübertragung, welche
eine Erhöhung der Spannkraft in sehr kurzer Zeit gestattet.
Um weiterhin die Temperatureinstellung in dem Verbindungs
bolzen-Körper innerhalb einer kürzeren Zeit durchzuführen,
ist es möglich, die Beeinflussung der externen Wärmeüber
tragung zu beschränken, indem man ein Wärmeisoliermaterial
49, zum Beispiel ein Keramikmaterial, als Beschichtung auf
die Außenfläche des Verbindungsbolzen-Körpers 15 aufbringt,
wie in Fig. 7 gezeigt ist. Dadurch wird die Wärmeübertragung
von der Innenseite der Bolzen-Bohrung zum Bolzen-Körper
15 begrenzt und mithin die Wärmeübertragung von oder zu
der Umgebung des Bolzen-Körpers 15 herabgesetzt. Auch dies
trägt dazu bei, eine ruhige und rasche Temperatureinstellung
herbeizuführen.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist der erfin
dungsgemäße Verbindungsbolzen mit Mitteln ausgestattet, die
den Bolzen-Körper axial aufweiten, indem Druckfluid in den
Bolzen eingeleitet wird. Weiterhin sind Maßnahmen getroffen
zum Einstellen der Temperatur des Verbindungsbolzen-Körpers
auf einen vorbestimmten Wert, indem das Heizmittel in den
Bolzen-Körper eingeleitet wird, damit der Bolzen sich aus
dehnen kann. Auch dies geschieht, durch Einleiten von Druck
fluid mit einer vorbestimmten Temperatur. In diesem Zustand
läßt sich die Spannkraft des Verbindungsbolzens leicht ein
stellen, indem man die Spannmuttern leicht anzieht oder
löst. Die Arbeitszeit zum Anziehen und zum Lösen des Ver
bindungsbolzens ist im Vergleich zum Stand der Technik
erheblich reduziert. Dies resultiert außerdem in einer Ver
kürzung der periodisch durchzuführenden Wartungsarbeiten
der Anlage und in einer verbesserten Auslastung der Anlage.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren
zum Einstellen der Spannkraft der Verbindungsbolzen ge
schaffen, wobei die Spannkraft des Bolzens leicht und rasch
in Abhängigkeit der häufigen Änderungen der Betriebsbedin
gungen eingestellt wird, auch dann, wenn die zu verbindenden
oder verbundenen Teile gerade zusammengebaut oder aus
einandergebaut werden. Die Ansprechzeit der Anordnung auf
veränderte Betriebsbedingungen ist nur sehr kurz.
Da die Betriebsgröße, die maßgeblich ist für die Abwicklung
der Spannkraft-Einstellung bis zur Erzielung einer bestimmten
Spannkraft lediglich der Druck des Druckfluids ist,
läßt sich die erforderliche Spannkraft ohne den Einfluß
anderer Betriebsgrößen oder Parameter bestimmen. Aufwendige
Arbeiten sowie der Einsatz komplizierter Meßanordnungen
oder Instrumente, wie sie im Stand der Technik unerläßlich
sind, entfallen. Es können außerdem weniger geschulte
Kräfte eingesetzt werden.
Claims (15)
1. Verbindungsbolzen (12) zum Verspannen von miteinander
zu verbindenden Teilen (14) unter Verwendung von Spann
muttern (13 a, 13 b), gekennzeichnet durch
- einen Bolzenkörper (15) mit einer inneren Axial-Hohl bohrung (16), mit zwei Enden, von denen mindestens das eine Ende offen ist;
- ein Kolbenelement (17), das koaxial in der Hohlbohrung (16) mit Abstand zwischen der äußeren Umfangsfläche des Kolbenelements (17) und der Innenwand des die Hohlbohrung bildenden Bolzenkörpers angeordnet ist;
- eine Stopfenanordnung (19), die das offene Ende der Hohlbohrung (16) verschließt;
- eine Dichtung (18), die sich an der äußeren Umfangsfläche des Kolbenelements (17) befindet, um den Raum in einen als Druckraum dienenden ersten Raum (21), in den unter Druck stehendes Fluid eingeleitet wird, und einen als Temperatureinstellraum dienenden zweiten Raum (25), in den ein Wärmeträger eingeleitet wird, zu unterteilen;
- einen Anschluß (24) zum Einleiten des unter Druck stehenden Fluids in den ersten Raum (21); und
- einen Anschluß (26, 27) zum Einleiten des Wärmeträgers in den zweiten Raum (25).
- einen Bolzenkörper (15) mit einer inneren Axial-Hohl bohrung (16), mit zwei Enden, von denen mindestens das eine Ende offen ist;
- ein Kolbenelement (17), das koaxial in der Hohlbohrung (16) mit Abstand zwischen der äußeren Umfangsfläche des Kolbenelements (17) und der Innenwand des die Hohlbohrung bildenden Bolzenkörpers angeordnet ist;
- eine Stopfenanordnung (19), die das offene Ende der Hohlbohrung (16) verschließt;
- eine Dichtung (18), die sich an der äußeren Umfangsfläche des Kolbenelements (17) befindet, um den Raum in einen als Druckraum dienenden ersten Raum (21), in den unter Druck stehendes Fluid eingeleitet wird, und einen als Temperatureinstellraum dienenden zweiten Raum (25), in den ein Wärmeträger eingeleitet wird, zu unterteilen;
- einen Anschluß (24) zum Einleiten des unter Druck stehenden Fluids in den ersten Raum (21); und
- einen Anschluß (26, 27) zum Einleiten des Wärmeträgers in den zweiten Raum (25).
2. Verbindungsbolzen nach Anspruch 1, bei dem die Dichtung
(18) auf der äußeren Umfangsfläche des Kolbenelements
(17) an einem Ende auf der Seite des Druckraums (21) ange
ordnet ist, um dessen Innenvolumen möglichst zu reduzieren.
3. Verbindungsbolzen nach Anspruch 1, bei dem der
Druckraum (21) an einer Stelle ausgebildet ist, die der
jenigen Stelle entspricht, an der eine der Spannmuttern (13 a,
13 b) aufzuschrauben ist, und der Bolzenkörper durch
Einleiten von unter Druck stehenden Fluid in den Druckraum
(21) axial ausgedehnt wird.
4. Verbindungsbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem die Dichtung (18) einen Dichtungsring (30, 31)
und/oder eine Kohlenstoffpackung (37) und/oder eine
Membrandichtung (38) enthält.
5. Verbindungsbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei der die Dichtung (18) eine Kombination aus einem Dich
tungsring (30) mit etwa dreieckigem Querschnitt zur Erzielung
einer Zwei-Flächen-Abdichtung und einem O-Ring (31),
der auf dem Dichtungsring (30) angeordnet ist, umfaßt.
6. Verbindungsbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem die Dichtung (18) eine Kombination aus einem ersten
elastischen Dichtungsring (30) mit etwa dreieckigem Quer
schnitt zur Erzielung einer Zwei-Flächen-Dichtung, einem
aus Hartgummi bestehenden O-Ring (31) und einem zweiten
elastischen Dichtungsring (32) umfaßt, wobei die genannten
Ringe in der genannten Reihenfolge laminiert sind.
7. Verbindungsbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei dem der Anschluß zum Einleiten des unter Druck stehenden
Fluids in den Druckraum (21) eine Axial-Durchgangs
bohrung (24) in der Stopfenanordnung (19) ist.
8. Verbindungsbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
bei dem der Anschluß zum Einleiten des Wärmeträgers in den
Temperatureinstellraum (25) ein für das dem offenen Ende
gegenüberliegende Ende der Hohlbohrung (16) vorgesehener
Einlaß (26) ist.
9. Verbindungsbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
bei dem das Kolbenelement (17) an dem dem geöffneten Ende
der Hohlbohrung (16) gegenüberliegenden Ende mit einer Ver
bindungsnut (28, 29) ausgestattet ist, die zum Anlaß von
unter Druck stehendem Fluid aus dem Bolzenkörper dient, wobei
dieses Fluid aus dem Druckraum (21) in den Temperatur
einstellraum (25) leckt.
10. Verbindungsbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
bei dem die Stopfenanordnung (19) durch eine Schraubverbin
dung in dem offenen Ende der Hohlbohrung (16) befestigt
ist.
11. Verbindungsbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
bei dem die Stopfenanordnung (19) durch Elektronenstrahl
schweißung am offenen Ende der Hohlbohrung (16) befestigt
ist.
12. Verbindungsbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis
11, bei dem der Bolzenkörper (15) mit einem Wärmeisolier
material (49) beschichtet ist.
13. Verfahren zum Einstellen der Spannkraft eines Ver
bindungsbolzens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß in den Temperatureinstellraum (25) ein
Wärmeträger eingeleitet wird, um die Temperatur des Bolzen
körpers (15) auf einen vorbestimmten Temperaturwert einzu
stellen, daß eine axiale Ausdehnung des Bolzenkörpers
berechnet wird, wie sie verursacht wird, wenn auf den Bolzen
körper (15) eine für eine vorbestimmte Temperatur ausge
legte Spannkraft einwirkt, daß in den Druckraum (21) ein
unter Druck stehendes Fluid mit einem Druck eingeleitet
wird, welcher in der Lage ist, die vorberechnete Ausdehnung
hervorzurufen, um den Bolzenträger auszudehnen, daß die
Spannmuttern (13 a, 13 b) im ausgedehnten Zustand des
Bolzenkörpers (15) angezogen werden, bis sie in enger
Berührung mit den miteinander zu verbindenden Teilen (14)
stehen, und daß schließllich das unter Druck stehende Fluid
aus dem Druckraum (21) ausgelassen wird, so daß der Bolzen
körper (15) zusammengezogen und dabei eine Spannkraft eines
vorbestimmten Wertes eingestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das unter Druck
stehende Fluid Wasser oder Hydrauliköl ist.
15. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Wärmeträger
Dampf ist.
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