DE10225260A1

DE10225260A1 - Fügeverband

Info

Publication number: DE10225260A1
Application number: DE2002125260
Authority: DE
Inventors: Armin Busekros; Thomas Kollnberger; Vladimir Navrotsky; Matthias Rothbrust
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2001-09-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2003-03-27

Abstract

Bei einem insbesondere als Flanschverbindung ausgebildeten Fügeverband, beispielsweise zur Verschraubung von Schaufelträgern von Gasturbinen, wird eine mitverspannte Hülse (6) derart ausgeführt, dass sie einen möglichst geringen Wärmeaustausch mit der Außenströmung aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuseoberteil (1) eines Schaufelträgers einer Gasturbine mit einer Senkung (11) versehen, in welche die Hülse (6) eingesetzt ist. Die Hülse ist dabei mit einem Steg (12) versehen. Dieser ist so ausgeführt, dass sich an der Umfangsfläche des Steges in der Senkung eine möglichst enge gasdichte Passung einstellt. Zwischen dem Gehäuse (1) und der Hülse (6) ist ein isolierendes Gaspolster (10) ausgebildet. Aufgrund der Abschirmung der Hülse gegenüber der Umgebung werden starke zeitliche Temperaturgradienten der Hülse und damit einhergehende Spannungsüberhöhungen des Verbindungsbolzens (3) minimiert.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Fügeverbände gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere Flanschverbindungen. Sie betrifft auch eine Hülse zur Verwendung in Fügeverbänden gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Fügeverbindungen zwischen Bauteilen, welche durch eine Anpresskraft zusammengefügt werden, sind dem Fachmann geläufige Konstruktionselemente. Beispielhaft sind Niet- und Schraubverbindungen zu nennen. Für feste Verbindungen werden Verbindungsbolzen so montiert, dass sie im Einbauzustand eine Zugspannung aufweisen. Die Zugspannung wird durch geeignete Mittel als Presskraft auf die zu verbindenden Bauteile übertragen, und sorgt auf diese Weise für eine gegenseitige Anpressung der zu verbindenden Bauteile.

Insbesondere bei Flanschverbindungen, welche auch eine Dichtfunktion ausüben, muss dabei immer eine Mindestkraft gewährleistet werden.

In der überwiegenden Anzahl der Fälle ist der Verbindungsbolzen deutlich weicher als die zu verbindenden Bauteile. Aufgrund der elastischen Verformungen der beteiligten Bauelemente neigen solche Bolzenverbindungen unter Belastung zum Lösen, was durch eine geeignet hohe Vorspannung des Verbindungsbolzens bei der Montage zu berücksichtigen ist. Das unterschiedliche Verformungsverhalten wird im bekannten Verspannungsdreieck dargestellt, mittels welchem sich notwendige Vorspannungen der Verbindungen grafisch ermitteln lässt.

Durch Beifügen von Federscheiben, druckweichen Hülsen und dergleichen kann die Steifigkeit der zu verbindenden, druckbelasteten Bauelemente herabgesetzt und - wenigstens teilweise - an die Zugsteifigkeit des Verbindungsbolzens angepasst werden.

Der Einsatz mitverspannter elastischer und federnder Elemente ist daher bei Bolzenverbindungen wie insbesondere Flanschverschraubungen auch zur Sicherung der Schraubverbindung durch Gewährleistung einer Mindestvorspannung üblich. Die Mitverspannung einer vergleichsweise weichen Hülse ist weiterhin auch hilfreich, um unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der zu verspannenden Bauteile und des Bolzens zu kompensieren.

Ein weiterer Aspekt ergibt sich, wenn die Bauteilverbindung thermischen Wechselbeanspruchungen unterliegt. Beispielhaft zeigt sich die hierbei auftretende Problemstellung bei Verschraubungen von Gehäuseteilen, insbesondere den Schaufelträgern, von Gasturbinen oder anderen Strömungsmaschinen. Im Betrieb werden die Schaufelträger von heissen Gasen umströmt. Beim Start einer solchen, kalten Maschine erwärmen sich die Komponenten aufgrund der unterschiedlichen thermischen Trägheit und der unterschiedlichen Kontaktflächen mit dem Heissgas unterschiedlich schnell. Bei einer Verschraubung nach dem Stand der Technik wird die in der Flanschverschraubung mitverspannte Hülse unmittelbar von Heissgas umströmt, und erwärmt sich daher sehr schnell, während die Erwärmung des Verbindungsbolzens wesentlich langsamer vonstatten geht. Durch die so entstehenden thermischen Differenzdehnungen wird der Verbindungsbolzen einer zusätzlichen, häufig schwer quantifizierbaren, Zugbelastung ausgesetzt. Dies kann es notwendig machen, den Verbindungsbolzen überzudimensionieren, mit allen daraus erwachsenden konstruktiven Konsequenzen. Umgekehrt lockert sich die Verbindung, wenn die zu verbindenden Bauteile schneller abkühlen als der Verbindungsbolzen.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Bauteilverbindung der eingangs erwähnten Art die Probleme des Standes der Technik zu vermeiden.

Erreicht wird dies durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1.

Erfindungsgemäss wird also ein Fügeverband mit wenigstens zwei mit einer Anpresskraft zu verbindenden Bauteilen; wenigstens einem zugbelasteten, die Anpresskraft vermittelnden Element, und wenigstens einer im montierten Zustand druckbelasteten Hülse, durch welche das zugbelastete Element hindurchgeführt ist, so ausgeführt, dass die Hülse an einer äusseren Mantelfläche mit Mitteln zur thermischen Isolation in Wirkverbindung steht.

Als zugbelastetes Element kommt insbesondere ein Verbindungsbolzen in Frage, welcher beispielsweise als Schraube oder als Niete ausgeformt sein kann.

Kern der Erfindung ist es also, eine einen Fügeverband, insbesondere eine Flanschverbindung, so auszugestalten, dass der Wärmeübergang zwischen einem die Flanschverbindung umgebenden Fluid und einer in der Flanschverbindung mitverspannten Hülse minimiert wird. Dadurch wird der Temperaturgradient der Hülse bei Temperaturveränderungen des umgebenden Mediums verringert und besser an den der anderen Elemente der Flanschverbindung angepasst. Durch diese Massnahmen kann die thermische Differenzdehnung zwischen dem Verbindungsbolzen und den verspannten Bauteilen - das heisst, zwischen den zu verbindenden Bauteilen und allen mitverspannten elastischen und/oder federnden Bauelemente sowie gegebenenfalls vorhandenen Dichtungen oder sonstigen mitverspannten Bauteilen - zumindest deutlich verringert werden.

In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist die Hülse in eine Ausnehmung eines ersten der zu verbindenden Teile eingesetzt, wobei die Mittel zur thermischen Isolation zwischen der äusseren Mantelfläche der Hülse und der Innenkontur der Ausnehmung angeordnet sind. Unter den Mitteln zur thermischen Isolation ist in diesem Zusammenhang beispielsweise auch ein dort eingeschlossenes Luftposter zu verstehen. Die Ausführungsform hat den Vorteil, dass einerseits ein Kontakt oder eine Umströmung der Hülse mit dem umgebenden Fluid weitgehend vermieden wird, andererseits aber auch aufgrund der zwischen Hülse und der Innenkontur der Ausnehmung angeordneten Isolation der Wärmeein- und -austrag über die zu verspannenden Bauteile klein gehalten wird. In einer Ausführungsform weist die Hülse in Wirkverbindung mit der Innenkontur der Ausnehmung eine Kontaktfläche auf, welche im Einbauzustand mit dem ersten Bauteil in Berührung ist, während die restliche, nicht als Kontaktfläche vorgesehene äussere Mantelfläche der Hülse von dem ersten Bauteil beabstandet ist, wobei es weiterhin vorteilhaft ist, wenn diese Kontaktfläche, welche vorteilhaft im Bereich der der Umgebung zugewandten Stirnseite der Hülse angeordnet ist, im wesentlichen gasdicht abschliesst. Damit wird das Eindringen von umgebendem Fluid in den Bereich der Isolation verhindert, und die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung werden weiter verstärkt. Die Kontaktfläche kann insbesondere durch einen auf der äusseren Mantelfläche der Hülse oder an der Innenkontur der Ausnehmung angeordneten Steg hergestellt werden, wobei erstere Ausführungsform in der Regel fertigungstechnisch einfacher zu handhaben ist. Eine besonders einfache Ausführung ergibt sich, wenn ein zwischen der Innenkontur der Ausnehmung und der Mantelfläche der Hülse ausgebildetes Luftpolster, welches durch den wesentlich gasdichten Sitz an der Kontaktfläche von der Umgebung isoliert ist, unmittelbar als Mittel zur thermischen Isolation dient.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Hülse als Verbundhülse ausgeführt. Es ist eine innere im Einbauzustand druckbelastete Hülse von einer Überwurfhülse umgeben, wobei zwischen der inneren Hülse und der Überwurfhülse Mittel zur thermischen Isolation angeordnet sind. In dieser Ausführungsform ist es, im Gegensatz zur ersten angeführten Vorzugsvariante, nicht notwendig, den gesamten Fügeverband an die Erfindung anzupassen, so, dass die Verbundhülse gemäss dem Anspruch 12 für sich genommen, in Verbindung mit jedem Fügeverband gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die erfindungsgemäss vorteilhaften Wirkungen entfaltet.

Als Mittel zur thermischen Isolation können in jedem Fall dem Fachmann geläufige Isolationsmaterialien dienen; es kann sich aber auch ein die druckbelastete Hülse umgebendes abgeschlossenes Gas- oder Luftpolster als vollkommen ausreichend zur Erzielung des erfindungsgemäss vorteilhaften Effektes erweisen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Anwendungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 8 bis 11 angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Verschraubung des Schaufelträgers einer Gasturbine gemäss den Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemässen Bauteilverbindung zur Verbindung des Schaufelträgers einer Gasturbine.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemässen Bauteilverbindung zur Verbindung des Schaufelträgers einer Gasturbine.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einem Querschnitt durch die Trennstelle des Schaufelträgers einer Gasturbine wie sie nach dem Stand der Technik ausgeführt ist, dargestellt. Eine obere Gehäusehälfte 1 als erstes zu verbindendes Bauteil und eine untere Gehäusehälfte 2 als zweites zu verbindendes Bauteil sind durch eine Flanschverschraubung miteinander verbunden. In die untere Gehäusehälfte ist eine Stiftschraube 3 als Verbindungsbolzen eingeschraubt. Die Stiftschraube 3 ist durch eine Durchgangsbohrung 4 der oberen Gehäusehälfte 1 hindurchgeführt. Eine Mutter 5 ist auf die Stiftschraube 3 aufgeschraubt und bevorzugt mit einem definierten Moment angezogen, wodurch die Gehäusehälften 1 und 2 mit einer definierten Anspresskraft gegeneinander verspannt sind. In dem gesamten Fügeverband ist auf dem Fachmann geläufige Weise und aus den einleitend diskutierten Gründen eine Hülse 6 mitverspannt. Der gesamte Fügeverband und der aus den Gehäuseteilen 1 und 2 bestehende Schaufelträger sind von einem Fluid 7 umgeben; im Betrieb der Gasturbine ist dies ein Heissgas. Das Anzugsmoment der Mutter 5 bestimmt die statische Vorspannkraft der Verbindung. Diese resultiert einerseits in einer elastischen Dehnung der Stiftschraube 3, und andererseits in einer elastischen Setzung der verspannten Elemente 1, 2, und 6. Die Elastizität der Stiftschraube 3 und die der Gehäusehälften 1 und 2 sind im Allgemeinen aufgrund der unterschiedlichen Geometrie und der meist auch unterschiedlichen Werkstoffe - beispielsweise Gussgehäuse und Stahlschrauben - deutlich voneinander verschieden: Meist sind die Gehäuseteile wesentlich steifer als der Verbindungsbolzen. Diese Verhältnisse werden in einem dem Fachmann geläufigen Verspannungsschaubild oder Verspannungsdreieck dargestellt, in dem sich auch die Veränderungen der Kräfte- und Spannungsverhältnisse beim Angreifen äusserer Kräfte grafisch ermitteln lassen. Wenn nun eine bestimmte Kraft in der beispielsweise so auf die Flanschverbindung einwirkt, dass es zu einer zusätzlichen Zugbelastung des Verbindungsbolzens 3 kommt, führt dies zu einer zusätzlichen elastischen Dehnung des Verbindungsbolzens 3 und damit des gesamten Bauteilverbandes, also auch zu einer Veränderung der elastischen Verformung der verspannten Elemente. Wenn diese aber steifer sind als der Verbindungsbolzen, so führt dies gemäss dem Hooke'schen Gesetz zu einem überproportionalen Verlust an Anpresskraft in der Fügestelle zwischen den Gehäusehälften 1 und 2. Hier ist nunmehr der konventionelle Nutzen der Hülse 6 oder anderer zusätzlich verspannter elastischer Elemente wie beispielsweise Federringe und dergleichen dem Fachmann geläufiger Mittel zu sehen: Die Gesamtsteifigkeit der über den Verbindungsbolzen 3 verspannten Elemente wird verringert, womit der Verlust an Anpresskraft in der Fügestelle oder in den Fügestellen vermindert wird.
Zu berücksichtigen ist im beispielhaft dargestellten Fall ebenfalls, dass die Bestandteile des Fügeverbandes unterschiedliches Temperaturdehnungsverhalten aufweisen, und bei Betrieb und Stillstand, wechselnden Temperaturen ausgesetzt sind. Insbesondere sind die Temperaturen bei der Montage selbstverständlich deutlich von denen im Betrieb verschieden. Dies muss bei der Bestimmung des Anzugsmomentes der Verbindung berücksichtigt werden, was für die stationären Zustände unproblematisch ist. Bei transienten Betriebszuständen der Gasturbine, insbesondere beim Start und beim Abfahren, ändert sich die Temperatur des Fluides 7 - in Bezug auf die thermische Trägheit der Elemente des Fügeverbandes - nahezu sprungartig. Dabei werden die Hülse 6 und der Schaufelträger von dem Fluid 7 um- oder durchströmt, was zu einem intensiven Wärmeübergang führt. Gerade die Hülse 6 weist aufgrund der kleinen Masse und der vergleichweise grossen Oberfläche ein gutes Temperatur- Folgevermögen auf. Der Bolzen 3 hingegen weist nur geringen Kontakt mit dem Fluid 7 auf, und folgt den Temperaturänderungen deutlich langsamer. Die so entstehenden thermischen Differenzdehnungen führen zu den unerwünschten und schwer quantifizierbaren Schwankungen der Vorspannkraft der Verbindung.
Dieses Problem des Standes der Technik wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Hülse an der äusseren Mantelfläche, über welche der Wärmeeintrag respektive -austrag in erster Linie erfolgt, mit Mitteln zur thermischen Isolation in Wirkverbindung steht. In Fig. 2 ist ein erstes Beispiel für die erfindungsgemässe Ausführung einer Fügeverbindung beziehungsweise einer Hülse dargestellt. Im Unterschied zum Stand der Technik ist die Hülse als Verbundhülse 8 aufgebaut. Dabei stellt die eigentliche im Montagezustand mitverspannte Hülse 6 eine innere Hülse der Verbundhülse dar. Diese ist von einer Überwurfhülse 9 umgeben, die in diesem Beispiel mit der inneren Hülse verschweist ist. Dabei hat die innere Hülse nur eben im Bereich der Schweissnähte Kontakt mit der Überwurfhülse. Der zwischen der inneren Hülse und der Überwurfhülse gebildete Hohlraum 10 ist mit einem herkömmlichen Isolationsmaterial, beispielsweise einer Mineralwolle, gefüllt; auch dann, wenn der Hohlraum leer bleibt, also nur mit einem abgeschlossenen Luftvolumen gefüllt ist, wird eine erfindungsgemäss ausreichende Isolationswirkung erzielt, so, dass im Rahmen der Erfindung auch ein im wesentlichen gegen das Heissgas 7 abgeschlossenes Luftvolumen ein Mittel zur thermischen Isolation darstellt.
Die in Fig. 2 dargestellte Verbundhülse 9 kann ohne weiteres für sich genommen in herkömmlichen Flansch- und anderen Fügeverbindungen zur Erzielung der erfindungsgemässen vorteilhaften Wirkungen verwendet werden, und bedarf keiner unmittelbaren Wirkverbindung mit speziell ausgestalteten weiteren Elementen der Fügeverbindung.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel für die erfindungsgemässe Ausführung der Fügeverbindung. Das Gehäuseoberteil 1 weist eine Ausnehmung 11 auf, in welche die Hülse 6 eingesetzt ist. Dabei sind die Hülse und die Ausnehmung so bemessen, dass zwischen ihnen zumindest kein vollflächiger Kontakt entsteht, und ein Spalt oder Hohlraum 10 zwischen der äusseren Mantelfläche der Hülse und der Innenkontur der Ausnehmung ausgebildet ist. Im Bereich einer dem Heissgas 7 zugewandten Seite weist die Hülse 6 einen umlaufenden Steg 12 auf, der so bemessen ist, dass am Umfang des Steges eine Kontaktfläche mit der Innenseite der Ausnehmung entsteht. Dieser Steg ist so bemessen, dass er in Wirkverbindung mit der Innenkontur der Ausnehmung eine möglichst enge und im Wesentlichen gasdichte Passung bildet. Selbstverständlich kann die Kontaktfläche auch durch andere geometrische Ausgestaltungen erreicht werden; beispielsweise könnte die Hülse zylindrisch sein, und die Innenkontur der Ausnehmung könnte einen nach innen ragenden Steg aufweisen. Aus fertigungstechnischer Hinsicht wird es jedoch in der Regel einfacher sein, die Innenkontur möglichst einfach auszugestalten, während auch komplexe Geometrien am Aussenmantel der Hülse vergleichsweise einfach zu realisieren sind. Die gute Führung der Hülse in der Ausnehmung hat einerseits in diesem Rahmen nicht näher zu diskutierende mechanische Vorteile. Andererseits wird ein Eindringen von Heissgas 7 in den als Mittel zur thermischen Isolation dienenden Hohlraum vermieden; es kann auf ein Füllen des Hohlraums mit Isolationsmaterial verzichtet werden, wobei im Rahmen des Erfindungsgedankens selbstverständlich auch Isolationsmaterial zwischen der Hülse 6 und der Innenkontur der Gehäuseausnehmung 11 vorgesehen werden kann.
Zusätzlich weist die in Fig. 3 dargestellte Ausführung nur geringe Kontaktflächen zwischen dem Gehäuseoberteil 1 und der Hülse 6 auf, wodurch auch der Wärmeeintrag und -austrag in die Hülse und aus der Hülse über das Gehäuse minimiert wird.
Im Lichte der so erläuterten Erfindungsidee eröffnen sich dem Fachmann ohne weiteres von den dargestellten Ausführungsbeispielen abweichende Ausführungsformen der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung. Bezugszeichenliste 1 erstes zu verbindendes Bauteil, Gehäuseoberteil
2 zweites zu verbindendes Bauteil, Gehäuseunterteil
3 zugbelastetes Element, Verbindungsbolzen, Stiftschraube
4 Durchgangsbohrung
5 Mutter
6 Hülse
7 Fluid, Heissgas
8 Verbundhülse
9 Überwurfhülse
10 Hohlraum, Mittel zur thermischen Isolation
11 Ausnehmung
12 Steg

Claims

1. Fügeverband mit den folgenden Elementen:
wenigstens zwei mit einer Anpresskraft zu verbindende Bauteile (1, 2);
wenigstens ein zugbelastetes, die Anpresskraft vermittelndes Element (3);
wenigstens eine im Montagezustand mitverspannte Hülse (6), durch welche das zugbelastete Element (3) hindurchgeführt ist;
dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse an einer äusseren Mantelfläche mit Mitteln zur thermischen Isolation (10) in Wirkverbindung steht.

2. Fügeverband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (6) in eine Ausnehmung (11) eines ersten der zu verbindenden Bauteile (1) eingesetzt ist, wobei die Mittel zur thermischen Isolation (10) zwischen der äusseren Mantelfläche der Hülse und der Innenkontur der Ausnehmung angeordnet sind.

3. Fügeverband nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (6) in Wirkverbindung mit der Innenkontur der Ausnehmung an einer äusseren Mantelfläche wenigstens eine definierte Kontaktfläche aufweist, welche Kontaktfläche im Einbauzustand mit dem ersten Bauteil (1) in Berührung ist, und dass die restliche äussere Mantelfläche der Hülse, welche nicht als Kontaktfläche ausgebildet ist, von dem ersten Bauteil beabstandet ist.

4. Fügeverband nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche in der Ausnehmung im wesentlichen gasdicht abschliesst.

5. Fügeverband nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche durch einen Steg (12) ausgebildet ist.

6. Fügeverband nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Hülse als Verbundhülse (8) ausgeführt ist, welche aus einer inneren druckbelasteten Hülse (6), wenigstens einer diese umgebenden Überwurfhülse (9), sowie zwischen der inneren Hülse und der Überwurfhülse angeordneten Mitteln (10) zur thermischen Isolation besteht.

7. Fügeverband nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur thermischen Isolation ein im wesentlichen hermetisch abgeschlossenes Luftvolumen dient.

8. Fügeverband nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zugbelastete Element ein Verbindungsbolzen ist.

9. Fügeverband nach Anspruch 8, wobei der Verbindungsbolzen mit wenigstens einem Gewinde versehen ist.

10. Fügeverband nach einem der vorstehenden Ansprüche als Flanschverbindung.

11. Fügeverband nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Verbindung von Gehäusesegmenten, insbesondere Schaufelträgern, einer Turbomaschine.

12. Verbundhülse (8) zur Verwendung in einem Fügeverband nach einem der vorstehenden Ansprüche, welche aus einer inneren Hülse (6), wenigstens einer Überwurfhülse (9), und zwischen der inneren Hülse und der Überwurfhülse angeordneten Mitteln (10) zur thermischen Isolation besteht.