專利名稱：螺紋和用于高使用溫度的螺紋連接的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有一種螺紋結(jié)構(gòu)的沿螺紋軸線延伸的螺紋，用于與具有相配螺紋結(jié)構(gòu)的相配螺紋嚙合以構(gòu)成螺紋連接。本發(fā)明還涉及用于高使用溫度的螺紋連接。
由具有螺紋的螺栓與相配螺紋(螺母螺紋)組成的螺紋連接應(yīng)用于許多工程領(lǐng)域中，如機(jī)械制造、設(shè)備制造，和電子技術(shù)中。它們通常將兩個(gè)零件互相連接并固定在一起。在這方面有一種極端情況是小型螺紋連接，它應(yīng)用于室溫和只須傳遞小的力，而另一個(gè)極端是大型螺紋連接，它們必須在高的溫度下傳遞大的力。
由Illgner，K.H.和Blume，D.所著“Schraubenvademecum”(1976年，Bauer & Schaurte Karcher公司，Neuss，德國)尤其3.5節(jié)已知，在螺紋連接的螺紋彈性變形時(shí)，在不同的切口部位存在不同的缺口應(yīng)力集中系數(shù)，它們影響耐疲勞強(qiáng)度。在其中螺紋和相配螺紋沿負(fù)荷方向互相嚙合的起始區(qū)決定耐疲勞強(qiáng)度。為了在螺紋和相配螺紋的螺紋結(jié)構(gòu)相同時(shí)減小在此起始區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的過大負(fù)荷，可以改變螺母螺紋的形狀。這種形狀改變在于，螺母的外徑在起始區(qū)最小，以及逆負(fù)荷方向單調(diào)增加(拉拔螺母，環(huán)形車削螺母)。用于起始區(qū)卸荷的其他方法包括，在起始區(qū)采用重疊的螺母螺紋、螺母螺紋锪孔以及開卸荷槽。
由EP 0008766B1已知在具有不同的線膨脹系數(shù)的零件之間的螺紋連接。為了減小螺紋連接內(nèi)的應(yīng)力以及為了在更高的工作溫度使用螺紋連接，規(guī)定在環(huán)境溫度下制成錐形。這種錐形通過徑向間隙沿螺紋軸線線性變化形成，在這種情況下徑向間隙沿具有較大線膨脹系數(shù)的零件的負(fù)荷方向增大。采用這種沿螺紋全長呈錐形收縮的設(shè)計(jì)，螺紋連接只能在熱態(tài)下有可靠的應(yīng)力。相反，在冷態(tài)，亦即處于環(huán)境溫度時(shí)，不能將擰緊力有效地傳給螺紋連接，也不能可靠地承受預(yù)緊力。
本發(fā)明的目的是為一個(gè)構(gòu)件提供一種沿螺紋軸線延伸的螺紋，它沿螺紋軸線有基本上均勻的負(fù)荷分布。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種用于高使用溫度的螺紋連接。
按本發(fā)明針對螺紋提出的目的通過第一個(gè)構(gòu)件的一種螺紋達(dá)到，此螺紋沿螺紋軸線延伸并有一種螺紋結(jié)構(gòu)，用于與具有相配螺紋結(jié)構(gòu)的第二個(gè)構(gòu)件的相配螺紋嚙合，以構(gòu)成螺紋連接，在這里第一個(gè)構(gòu)件和第二個(gè)構(gòu)件的彈性和/或熱變形特性彼此不同，其中此螺紋結(jié)構(gòu)有預(yù)期的變形，以補(bǔ)償在預(yù)定的熱機(jī)械負(fù)荷下的彈性和/或熱變形，以及有一個(gè)直徑恒定的圓柱形螺紋區(qū)。
在這里不同的變形特性可通過例如即使構(gòu)件材料基本相同和有相同的彈性模量但構(gòu)件仍可有不同的剛度實(shí)現(xiàn)，甚至在構(gòu)件的冷態(tài)也是如此。第一構(gòu)件在螺紋的周圍有第一種材料，而第二個(gè)構(gòu)件在相配螺紋的周圍有第二種材料。這兩種材料可以有相同、類似或明顯不同的彈性、塑性和/或熱力學(xué)的材料特性。優(yōu)選地在這里涉及化學(xué)成分不同的材料或有至少不同材料性質(zhì)的合金。但也可以使用具有相同材料成分和相同材料性質(zhì)的合金。
采用按本發(fā)明的螺紋第一次實(shí)現(xiàn)有目的地預(yù)期變形，與迄今的實(shí)踐相比它們僅僅是采取措施實(shí)現(xiàn)減少可望發(fā)生的應(yīng)力過高，即，使螺母的剛度與螺栓的剛度相配。與此同時(shí)第一次保證即使在不變形的狀態(tài)，亦即在室溫的裝配狀態(tài)，也能通過螺紋可靠傳力和承受負(fù)荷。
有關(guān)熱變形，按本發(fā)明以下列認(rèn)識為出發(fā)點(diǎn)，即，對于螺紋旋接，在高溫時(shí)對使用的螺紋材料提出了嚴(yán)格的要求。在汽輪機(jī)中當(dāng)高于某個(gè)溫度極限，例如超過500℃，尤其超過580℃時(shí)，不再能使用或由于強(qiáng)度低而不再適合采用鐵基的螺紋材料。在這種情況下可考慮的螺紋材料有與在此溫度下通常采用的耐高溫鐵基螺母材料，例如法蘭材料相比不同的(大得多的)熱膨脹系數(shù)。在高溫下，由于熱膨脹差，在螺紋內(nèi)發(fā)生將負(fù)荷重新分配給本來就有高負(fù)荷的第一螺紋區(qū)(嚙合起始區(qū))。這就不允許使用熱膨脹大的螺紋材料，因?yàn)闀a(chǎn)生不允許的高應(yīng)力值。因此，按本發(fā)明第一次提供了螺紋的一種變形恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，從而抑制或至少降低了高溫時(shí)附加的螺紋應(yīng)力，并因而也允許螺紋和相配螺紋采用具有不同的熱膨脹特性的材料。
這尤其在應(yīng)用于蒸汽溫度超過550℃，特別是超過580℃的汽輪機(jī)中時(shí)是有利的。因此在這種高的使用溫度下可放棄法蘭與螺釘材料的材料配對，所謂材料配對就是使它們在其熱膨脹特性方面是同類型的，或者使它們的熱膨脹特性不會導(dǎo)致在高溫時(shí)螺紋應(yīng)力不允許地集中在某些部位。也就是說在按這種方式進(jìn)行材料配對時(shí)，當(dāng)溫度增加時(shí)要求采用更大的螺紋截面。這當(dāng)然受材料持久強(qiáng)度隨溫度增加而下降的限制以及受材料可能的使用極限的限制，例如由于出現(xiàn)材料技術(shù)方面的效應(yīng)，如持久缺口脆性。從現(xiàn)在起，同類材料的這種缺點(diǎn)通過可采用不同材料的可能性而得以消除。
在高溫和采用耐高溫的材料時(shí)，例如法蘭采用10％鉻鋼，螺栓采用鎳基例如Nimonic 80A，傳統(tǒng)的螺紋和相配螺紋產(chǎn)生熱膨脹差，它促使第一螺紋區(qū)(嚙合起始區(qū))由于負(fù)荷再分配而有更高的應(yīng)力。其原因是螺栓材料有比法蘭材料更大的熱膨脹；這使得從螺紋連接第一個(gè)承力的螺紋側(cè)面起，螺栓螺紋相對于螺母螺紋加長。這導(dǎo)致后繼的那些側(cè)面卸荷，以及在有些情況下由于溫度引起的螺距誤差導(dǎo)致位于螺紋連接深處的側(cè)面脫開嚙合，并因而使第一螺紋區(qū)(嚙合起始區(qū))的負(fù)荷進(jìn)一步增加。在有些情況下這可能要求顯著減小負(fù)荷以及在總體上懷疑螺紋連接的工作可靠性。通過按本發(fā)明考慮到不同熱膨脹的螺紋預(yù)期變形同樣解決了這一困難問題，所以嚙合起始區(qū)直至使用溫度和更高的溫度，負(fù)荷肯定小于允許的臨界負(fù)荷。
在這里，螺紋連接的螺紋變形恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)為，在使用溫度下由于熱膨脹形成有利的通過熱變形本身造成的支承特性。在這種情況下螺紋的熱變形事先補(bǔ)償。螺紋加工后與傳統(tǒng)的螺紋相比，例如在螺紋形狀、錐度、螺距或螺紋斷面形狀方面有目的地存在差異，這種差異在規(guī)定的使用溫度時(shí)通過熱膨脹全部或部分得到補(bǔ)償。因此，由于不同的熱膨脹形成均勻分布的支承特性。在任何使用溫度和針對任何相配螺紋的使用負(fù)荷(力的傳遞)下對熱膨脹的考慮，可通過分析或借助于可從市場上獲得的基于有限元法(FEM)、邊界元法(BEM)或有限差分法的計(jì)算程序事先方便地進(jìn)行。在這里，為了設(shè)計(jì)螺紋，計(jì)算方法可與眾所周知的熱機(jī)械學(xué)的材料方程有關(guān)，在這些方程中考慮不同的彈性模量和熱膨脹系數(shù)。具有這種螺紋形狀的螺紋加工，尤其對于通過切削制成的螺紋，可借助數(shù)控工具機(jī)床方便地實(shí)施。
顯然，按本發(fā)明的預(yù)期變形也可以使用在基本上恒定溫度下的純彈性變形以及彈塑性變形中。因此，即使在純彈性或彈塑性變形時(shí)也能改善嚙合起始區(qū)的耐疲勞強(qiáng)度，這對于整個(gè)螺紋連接的耐疲勞強(qiáng)度有決定性意義。根據(jù)設(shè)計(jì)，嚙合起始區(qū)的改善效果可達(dá)到兩倍，所以對螺紋連接的耐疲勞強(qiáng)度而言螺紋的另一區(qū)成為關(guān)鍵。因此這種螺紋也適合在尺寸比較小或結(jié)構(gòu)簡單的傳統(tǒng)螺紋技術(shù)的廣泛范圍內(nèi)應(yīng)用，在傳統(tǒng)螺紋技術(shù)中，螺紋構(gòu)件的螺紋和相配螺紋只存在不同的彈性變形特性。顯然，預(yù)期變形也可以考慮針對熱和彈性或彈塑性變形。
在冷態(tài)，亦即在正常溫度，基于要考慮到形狀改變后的幾何尺寸，因而螺紋有一種與傳統(tǒng)的螺紋不同以及也能集中在少量螺距上的支承特性。這無疑是允許的，因?yàn)槁菟ê头ㄌm材料的負(fù)荷能力在冷態(tài)比在高的使用溫度時(shí)強(qiáng)得多。此外，當(dāng)在汽輪機(jī)內(nèi)應(yīng)用時(shí)，螺紋的最大應(yīng)力通常在用螺栓壓緊的零件上(例如透平殼體、螺栓連接的蓋)只有在全壓力加載時(shí)才出現(xiàn)。在汽輪機(jī)中這種全部加載原則上在高溫下進(jìn)行，螺紋幾何尺寸有目的地針對這種情況加以改進(jìn)。
盡管如此，還可以采取一些措施，它們有目的地減少在冷態(tài)下應(yīng)力較高的影響。在這種情況下優(yōu)選地將一個(gè)螺紋區(qū)設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)螺紋，通過它在冷態(tài)可靠地支承螺紋擰緊力。在溫度提高時(shí)，此螺紋區(qū)由于其他預(yù)期變形的螺紋區(qū)而卸荷。采用這種設(shè)計(jì)使螺紋的支承特性在一個(gè)大的溫度范圍內(nèi)，亦即例如從室溫到使用溫度實(shí)現(xiàn)均勻化。
按另一種優(yōu)選的設(shè)計(jì)，螺紋沿螺紋軸線有一種至少區(qū)域性改變，尤其單調(diào)增加的直徑。在這里螺紋結(jié)構(gòu)可至少在一個(gè)螺紋區(qū)設(shè)計(jì)為隆凸的，在這種情況下螺紋包絡(luò)線的切線與螺紋軸線的平行線相交成一銳角。此角度連續(xù)地尤其單調(diào)減小。它可以趨向于零。此螺紋結(jié)構(gòu)也可以至少在一個(gè)螺紋區(qū)設(shè)計(jì)成相對于螺紋軸線成銳錐角的錐形。此錐角優(yōu)選地在0.1°與1.0°之間，尤其約0.3°。在錐形的螺紋區(qū)上優(yōu)選地逆負(fù)荷方向，亦即沿離開嚙合起始區(qū)的方向，連接一個(gè)直徑恒定的圓柱形螺紋區(qū)。
在這里優(yōu)選地實(shí)施第一個(gè)螺距沿徑向從螺紋出發(fā)有目的地回退(在螺紋起始區(qū)內(nèi)外螺紋的直徑減小或在此區(qū)域內(nèi)的內(nèi)螺紋直徑增大)。由此引起的螺紋齒側(cè)面沿徑向的回退，造成在第一螺紋區(qū)(嚙合起始區(qū))內(nèi)螺紋和相配螺紋兩個(gè)相鄰側(cè)面之間的間隙。對于未變形(理想)的螺紋，如此設(shè)計(jì)的螺紋齒沒有嚙合；在螺紋夾緊時(shí)側(cè)面可重新接觸，然而這不是必然的。因此，即使在純彈性變形的情況下也能實(shí)現(xiàn)負(fù)荷在螺紋內(nèi)沿螺紋軸線的均勻化。在適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)螺紋時(shí)，當(dāng)熱和/或彈性變形時(shí)，這些螺紋齒嚙合并承受部分螺紋力。因此，與冷態(tài)相比，在螺紋連接的內(nèi)部通過改變造型，負(fù)荷增大的側(cè)面被減輕了負(fù)荷。由此使第一螺紋區(qū)的螺紋應(yīng)力不再達(dá)到在標(biāo)準(zhǔn)的螺紋設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的值。
通過適當(dāng)選擇錐角或采用其他恰當(dāng)?shù)闹睆阶兓?，可良好地補(bǔ)償熱膨脹的影響。錐形螺紋區(qū)可有不同的螺距并與圓柱形螺紋區(qū)組合，以便例如獲得冷態(tài)下更好的支承特性。此外，由此可實(shí)現(xiàn)附加地補(bǔ)償在標(biāo)準(zhǔn)螺紋中出現(xiàn)的(由于彈性變形引起的)第一螺距高的負(fù)荷。對于用于陰螺紋的10％的鉻鋼和用于螺栓螺紋(600℃)的鎳基合金例如Nimonic 80A，在使用溫度約600℃時(shí)，為了熱補(bǔ)償優(yōu)選的錐角約為0.3°。錐角優(yōu)選地按這樣的方式選擇，即，在使用溫度下第一螺紋區(qū)(嚙合起始區(qū))嚙合并承力。
與那些錐螺紋相比，亦即與那些為了在螺紋內(nèi)獲得密封效果或通過徑向夾緊用于防松，以及為此其中要么兩個(gè)錐角相同的錐螺紋配對，要么一個(gè)錐形的與一個(gè)圓柱形的螺紋配對成隨著不斷旋入螺紋間隙變小的錐螺紋相比，上述錐形螺紋中螺紋間隙朝第一個(gè)螺紋齒方向增大，以便在工作狀態(tài)有目的地使它卸荷。
按另一種優(yōu)選的設(shè)計(jì)，螺紋有至少一個(gè)螺紋區(qū)具有沿螺紋軸線方向變化的螺距。另一項(xiàng)優(yōu)選的設(shè)計(jì)是，沿負(fù)荷方向在具有變化螺距的螺紋區(qū)上連接一個(gè)具有恒定螺距的螺紋區(qū)。
優(yōu)選地，在螺紋與相配螺紋之間有目的地引入螺距差異，以補(bǔ)償由于熱和/或彈塑性膨脹引起的螺距偏差。在這種情況下螺栓螺紋的螺距小于與之相配的陰螺紋的螺距，陰螺紋有較小的熱膨脹系數(shù)。在使用溫度，由于螺栓更大的熱膨脹導(dǎo)致螺距的均勻化。螺距可沿螺紋長度改變。優(yōu)選地，為了在冷態(tài)獲得有利的特性設(shè)一個(gè)螺紋區(qū)沒有螺距差異，以及在螺紋起始區(qū)內(nèi)設(shè)一個(gè)有較大螺距差異的螺紋區(qū)，以補(bǔ)償?shù)谝宦菁y區(qū)的附加負(fù)荷。
螺栓的裝配和分解，可例如通過在螺栓螺紋與螺母螺紋之間造成溫度差來保證，例如通過在旋入前加熱螺栓，或通過采用相應(yīng)地更大的側(cè)面間隙來保證。
按另一種設(shè)計(jì)，螺紋有一個(gè)螺紋區(qū)具有變化的螺紋斷面形狀。為此，側(cè)面的螺紋角可沿螺紋軸線改變。這種改變可單調(diào)地或階梯式地進(jìn)行，在后一種情況下兩個(gè)區(qū)以分別恒定的但各不相同的螺紋斷面形狀互相鄰接。同樣可以令一個(gè)螺紋齒下降的側(cè)面和上升的側(cè)面有各不相同的螺紋角。優(yōu)選地在具有改變的螺紋斷面形狀的螺紋區(qū)上連接一個(gè)尤其是具有恒定螺紋斷面形狀的圓柱形螺紋區(qū)。
螺紋斷面形狀的匹配狀況會影響剛度以及各側(cè)面的嚙合。為此例如可以改變螺紋角、采用不同的部分螺紋角或使螺紋齒有其他的幾何形狀變化。
同樣可以使螺紋包含用于預(yù)期變形的各項(xiàng)或全部措施的組合，如螺距變化、螺紋斷面形狀變化和直徑設(shè)計(jì)。它們可總是在一對螺紋(螺栓螺紋或螺母螺紋)的一個(gè)螺紋上或兩者上都實(shí)施。
優(yōu)選地，此螺紋設(shè)計(jì)用于在使用溫度超過500℃尤其超過580℃的情況下使用。優(yōu)選地螺栓螺紋是制在鎳基合金制的螺栓上。對于一個(gè)構(gòu)件可至少在螺紋或相配螺紋的周圍替換鎳基合金而采用鈷基合金或奧氏體鋼。
針對螺紋連接所提出的目的通過一種用于高使用溫度的螺紋連接來實(shí)現(xiàn)，它包括一種螺紋，其中，在此螺紋與相配螺紋互相嚙合的情況下，當(dāng)處于低于使用溫度的正常溫度時(shí)，在嚙合起始區(qū)內(nèi)此螺紋的螺紋結(jié)構(gòu)與相配的螺紋結(jié)構(gòu)之間留有間隙，或至少使處于接觸狀態(tài)的側(cè)面卸荷。這種螺紋連接優(yōu)選地制在汽輪機(jī)的法蘭上。此法蘭優(yōu)選地用鉻的重量百分比含量在9％至12％之間的鉻鋼制造。
下面借助附圖表示的實(shí)施例進(jìn)一步說明螺紋和螺紋連接，附圖中

圖1示出具有一個(gè)旋入法蘭中的螺栓的螺紋連接的縱剖面；圖2A、3A、4A、5A分別示出類似于圖1所示螺紋連接處于冷態(tài)下的局部剖面；以及圖2B、3B、4B、5B為在高的使用溫度下分別與圖2A、3A、4A、5A對應(yīng)的局部剖面圖。
在所有的附圖中相同的附圖標(biāo)記有同樣的含義。
圖1表示在未示出的汽輪機(jī)法蘭12中的螺紋連接的縱剖面。法蘭12有一設(shè)計(jì)為陰螺紋的相配螺紋4。在相配螺紋4(螺母螺紋4)中旋入沿螺紋軸線2延伸的螺栓13。螺栓13有設(shè)計(jì)為螺栓螺紋的螺紋1，它嚙合在螺母螺紋4內(nèi)。螺栓螺紋1有螺紋結(jié)構(gòu)3，螺母螺紋4有相配螺紋結(jié)構(gòu)5。由于螺栓13相對于螺紋軸線2旋轉(zhuǎn)對稱，所以螺栓13的縱剖面只表示了一半。螺栓13有一個(gè)垂直于螺紋軸線2的端面17，螺栓13將它旋在法蘭12中至最深位置。從這里開始螺栓13將從法蘭12的陰螺紋4伸出的區(qū)域表示為螺紋1在相配螺紋4中的嚙合起始區(qū)14。在傳統(tǒng)的螺紋中這一區(qū)域是決定螺紋連接耐疲勞強(qiáng)度的區(qū)域。
對于在圖1表示的螺紋連接包括螺栓13為M120×6以及假定當(dāng)溫度600℃時(shí)螺栓應(yīng)力為250N/mm2，獲得下列數(shù)字計(jì)算結(jié)果。在計(jì)算時(shí)法蘭12采用10％鉻鋼(X12CrMoWVNbN10-1-1)的熱膨脹特性。這種鋼當(dāng)溫度在20℃與600℃之間時(shí)平均熱膨脹系數(shù)為12.7×10-6/k。若螺栓13采用11％鉻鋼(X19CrMoVNbN11-1)，在嚙合起始區(qū)14顯示出局部應(yīng)力上升，當(dāng)然這對于在溫度低于耐高溫非奧氏體螺紋鋼約為560℃的極限溫度時(shí)螺紋1的支承特性沒有影響。這種局部應(yīng)力上升由螺栓13和法蘭12的不同剛度引起。
當(dāng)具有傳統(tǒng)螺紋的螺栓采用鎳基材料例如Nimonic 80A時(shí)，由于不同的熱膨脹系數(shù)，引起嚙合起始區(qū)14強(qiáng)烈的應(yīng)力上升。如計(jì)入材料塑性特性的有限元計(jì)算表明的那樣，這導(dǎo)致法蘭12中大的塑性伸長，它們可能等于法蘭材料的斷裂伸長。對于交變的熱負(fù)荷，在有些情況下這可能導(dǎo)致法蘭12中的螺紋線破壞。Nimonic 80A平均的熱膨脹系數(shù)在600℃時(shí)約為15×10-6/k。
當(dāng)采用具有錐形設(shè)計(jì)錐角約0.3°的螺紋1(螺栓螺紋1)、并由材料Nimonic 80A制成的螺栓13時(shí)，在嚙合起始區(qū)14造成一種與螺栓13采用11％鉻鋼時(shí)相同的應(yīng)力狀態(tài)。在這種情況下錐角約0.3°相當(dāng)于在嚙合起始區(qū)14直徑減小約0.6mm。支承特性的進(jìn)一步均勻化，亦即嚙合起始區(qū)14的卸荷，可通過小量增加錐角以補(bǔ)償螺栓13與法蘭12之間的剛度差達(dá)到。在螺紋1設(shè)計(jì)成錐形時(shí)，當(dāng)溫度較低約為20℃時(shí)(裝配狀態(tài))，在較深的螺距處，亦即在端面17區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生高的負(fù)荷，當(dāng)然由于螺栓材料和法蘭材料在冷態(tài)有較高的負(fù)荷能力，因而無關(guān)緊要。可以減小這種高的負(fù)荷，只要在端面17區(qū)域內(nèi)采用傳統(tǒng)的優(yōu)選具有恒定直徑D的圓柱形螺紋。
圖2A表示包括螺栓螺紋1和螺母螺紋4的螺紋連接處于冷態(tài)時(shí)的局部剖面，其中螺栓螺紋1的螺紋齒3A以側(cè)面11貼靠在螺母螺紋4相配螺紋齒5A的相關(guān)側(cè)面16上。在這里螺栓螺紋1用一種熱膨脹系數(shù)比螺母螺紋4材料大的材料制造。當(dāng)溫度升高時(shí)，例如提高到使用溫度600℃，則螺栓13相對于法蘭12不同的熱膨脹，導(dǎo)致在深處的螺紋齒3A將其側(cè)面11從螺紋齒5A相配的側(cè)面16脫開或至少卸荷(見圖2B)。這導(dǎo)致不再是所有的螺紋齒3A和5A都承載，而是使負(fù)荷幾乎全部由嚙合起始區(qū)14的螺紋齒3A和5A承擔(dān)。在高溫下這在有的情況下達(dá)到嚙合起始區(qū)14的臨界負(fù)荷。優(yōu)選地這種螺紋連接在冷態(tài)已預(yù)緊。
圖3A表示嚙合在相配螺紋4(螺母螺紋4)中具有直徑變化的螺紋1處于冷態(tài)的情況。在面朝端面17的螺紋區(qū)7中，螺紋1有具有恒定直徑D的圓柱形螺紋結(jié)構(gòu)。在螺紋區(qū)7內(nèi)背對端面17的螺紋齒3A的側(cè)面11直接貼靠在螺母螺紋4相配螺紋齒5A的相關(guān)側(cè)面16上。在嚙合起始區(qū)14的周圍，螺紋1有一錐形螺紋區(qū)6，它的錐角β根據(jù)在螺紋1預(yù)定的使用溫度下可望發(fā)生的熱和彈性應(yīng)變確定。在螺紋區(qū)6與螺紋區(qū)7之間存在螺紋區(qū)6A，在此區(qū)內(nèi)螺紋1同樣設(shè)計(jì)為錐形。在這里，相關(guān)的錐角根據(jù)可望發(fā)生的熱膨脹確定。在錐形螺紋區(qū)6、6A內(nèi)直徑D的變化為了看得清楚起見圖中作了很夸張的表示。當(dāng)溫度提高到尤其螺紋1的使用溫度時(shí)，螺栓13(有較大的熱膨脹系數(shù))和法蘭12(熱膨脹系數(shù)較低)發(fā)生不同的熱膨脹。在螺紋區(qū)6，側(cè)面11和16在彈性和熱變形的情況下完全嚙合(見圖3B)。在螺紋區(qū)6A，側(cè)面11和16在熱膨脹的情況下趨向于全面嚙合。因此達(dá)到支承特性的均勻化并因而實(shí)現(xiàn)嚙合起始區(qū)14局部或全部卸荷。在冷態(tài)下在螺紋區(qū)7內(nèi)承力的側(cè)面11和16，在溫度提高時(shí)互相脫開或至少卸荷。
圖4A表示了螺紋1有螺距變化的螺紋連接。在嚙合起始區(qū)14內(nèi)存在一個(gè)螺距變化的螺紋區(qū)8A，這種變化根據(jù)可望發(fā)生的熱和彈性應(yīng)變確定。螺紋區(qū)8A與螺紋區(qū)8B鄰接，后者的螺距根據(jù)可望發(fā)生的熱膨脹改變。螺紋區(qū)8A和8B構(gòu)成一個(gè)其中螺紋1的螺距改變的螺紋區(qū)8。在螺紋區(qū)8上朝端面17方向連接一個(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)螺距的螺紋區(qū)9，所以在冷態(tài)下側(cè)面11和16互相貼靠并因而承受預(yù)緊力產(chǎn)生的負(fù)荷。在螺紋區(qū)8內(nèi)的側(cè)面11和16至少(局部)卸荷或甚至互相隔開距離。為了看得清楚起見同樣夸大表示了螺距的變化。當(dāng)溫度提高時(shí)產(chǎn)生上面已說明的效果(見圖4B)，在螺紋區(qū)8內(nèi)的側(cè)面11、16由于彈性和熱應(yīng)變或僅由于熱膨脹而處于完全嚙合狀態(tài)，并因而獲得均勻的支承特性和嚙合起始區(qū)14的卸荷。在螺紋區(qū)9中的側(cè)面11和16當(dāng)溫度升高時(shí)卸荷或甚至互相脫開。
圖5A表示螺紋斷面形狀變化的螺紋1的局部剖面，在這里螺紋斷面形狀的變化通過采用螺紋齒3A不同的螺紋角實(shí)現(xiàn)。背對端面17的側(cè)面11B(上升側(cè)面)有螺紋角γB，它比面朝端面17的側(cè)面11A(下降側(cè)面)的螺紋角γA大。在與端面17鄰接的螺紋區(qū)15內(nèi)，螺紋1的螺紋斷面形狀選擇為傳統(tǒng)的，所以當(dāng)預(yù)緊后處于彈性狀態(tài)下時(shí)，側(cè)面11和16互相貼靠并承受因預(yù)緊引起的負(fù)荷。與螺紋區(qū)15連接的螺紋區(qū)10A、10B有具有不同螺紋角γ的螺紋齒。在配屬于嚙合起始區(qū)14的螺紋區(qū)10A內(nèi)，螺紋斷面形狀根據(jù)可望發(fā)生的熱或彈性應(yīng)變確定。在螺紋區(qū)10A與15之間的螺紋區(qū)10B內(nèi)，螺紋斷面形狀根據(jù)可望發(fā)生的熱膨脹確定。當(dāng)溫度提高時(shí)(見圖5B)，如上面已結(jié)合圖3B和4B說明的那樣，側(cè)面11和16在彈性和/或熱變形的同時(shí)完全嚙合，由此使得支承特性均勻化。在這種情況下在螺紋區(qū)15內(nèi)的側(cè)面11和16也卸荷或彼此完全脫開。
顯然，上述這些實(shí)施形式以及螺紋區(qū)其他的設(shè)計(jì)可能性可根據(jù)需要和所選擇的材料互相組合。按照螺栓13和法蘭12的設(shè)計(jì)，可采用具有斷面形狀不修改的螺紋區(qū)7、9、15以便在冷態(tài)下承載，可取消螺紋區(qū)7、9、15或按要求修改。
本發(fā)明的特征在于一種螺紋，它制造成至少在規(guī)定的使用溫度和/或規(guī)定的彈性負(fù)荷下有一種促使支承特性均勻化的形狀。由此達(dá)到通常有高負(fù)荷和對耐疲勞強(qiáng)度有決定意義的嚙合起始區(qū)的卸荷。此外，此螺紋優(yōu)選地有一個(gè)傳統(tǒng)類型的螺紋區(qū)，它保證在冷態(tài)下更好地傳遞螺紋擰緊力。由此保證在螺紋內(nèi)沿整個(gè)螺紋長度和在大的溫度范圍承載和負(fù)荷分布的均勻性。
權(quán)利要求
1.一種具有螺紋結(jié)構(gòu)(3)的第一個(gè)構(gòu)件沿螺紋軸線(2)延伸的螺紋(1)，用于嚙合在有螺紋結(jié)構(gòu)(5)的第二個(gè)構(gòu)件的相配螺紋(4)中以構(gòu)成螺紋連接，第一個(gè)構(gòu)件和第二個(gè)構(gòu)件的彈性和/或熱變形特性彼此不同，其中螺紋結(jié)構(gòu)(3)能預(yù)期變形，以便補(bǔ)償在預(yù)定的熱機(jī)械負(fù)荷下的彈性和/或熱變形，以及有一個(gè)直徑(D)恒定的圓柱形螺紋區(qū)(7)。
2.按照權(quán)利要求1所述的螺紋(1)，其中第一個(gè)構(gòu)件具有第一種材料以及第二個(gè)構(gòu)件具有第二種材料，在這種情況下第一種材料不同于第二種材料。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的螺紋(1)，它的直徑(D)沿螺紋軸線(2)至少區(qū)域性改變，尤其單調(diào)增加。
4.按照權(quán)利要求3所述的螺紋(1)，一條包絡(luò)線描繪了它的直徑(D)，包絡(luò)線的切線與一條螺紋軸線(2)的平行線相交成銳角(δ)，此角(δ)單調(diào)減小。
5.按照權(quán)利要求3所述的螺紋(1)，它的螺紋結(jié)構(gòu)(3)至少在螺紋區(qū)(6)設(shè)計(jì)成具有相對于螺紋軸線(2)成銳錐角(β)的錐形。
6.按照權(quán)利要求5所述的螺紋(1)，其中，錐角(β)在0.1°與1.0°之間，尤其約為0.3°。
7.按照權(quán)利要求5或6之一所述的螺紋(1)，其中，直徑(D)恒定的圓柱形螺紋區(qū)(7)與錐形的螺紋區(qū)(6)相連。
8.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的螺紋(1)，它沿螺紋軸線(2)有至少一個(gè)螺紋區(qū)(8)具有變化的螺距。
9.按照權(quán)利要求8所述的螺紋(1)，其中，一個(gè)具有恒定螺距的螺紋區(qū)(9)與有變化螺距(3)的螺紋區(qū)(8)連接。
10.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的螺紋(1)，它有至少一個(gè)螺紋區(qū)(10)具有變化的螺紋斷面形狀。
11.按照權(quán)利要求10所述的螺紋(1)，其中，側(cè)面(11)的螺紋角(γ)沿螺紋軸線(2)改變。
12.按照權(quán)利要求10或11所述的螺紋(1)，其中，螺紋齒(3A)下降的側(cè)面(11A)和上升的側(cè)面(11B)分別有不同的螺紋角(γA、γB)。
13.按照權(quán)利要求11或12所述的螺紋(1)，其中，一個(gè)具有恒定螺紋斷面形狀、尤其是圓柱形的螺紋區(qū)(9)與具有變化的螺紋斷面形狀的螺紋區(qū)(10)連接。
14.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的螺紋(1)，它是螺栓螺紋或螺母螺紋。
15.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的螺紋(1)，它設(shè)計(jì)用于使用溫度超過500℃，尤其超過580℃。
16.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的螺紋(1)，它是在用鎳基合金、鈷基合金或奧氏體鋼制的螺栓(13)上的螺栓螺紋。
17.一種具有按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述螺紋(1)用于高使用溫度的螺紋連接，其中，在螺紋(1)與相配螺紋(4)互相嚙合的情況下，當(dāng)處于低于使用溫度的正常溫度時(shí)，嚙合起始區(qū)(14)卸荷，尤其在那里在螺紋結(jié)構(gòu)(3)與相配螺紋結(jié)構(gòu)(5)之間留有間隙。
18.一種具有按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述螺紋(1)用于高使用溫度的螺紋連接應(yīng)用在汽輪機(jī)的法蘭(12)上。
19.按照權(quán)利要求18所述的螺紋連接，其中，所述法蘭(12)用鉻的重量百分比含量在9％至12％之間的鉻鋼制造。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種構(gòu)件的螺紋(1),該螺紋(1)沿螺紋軸線(2)延伸并具有螺紋結(jié)構(gòu)(3),用于與具有相配螺紋結(jié)構(gòu)(5)的第二個(gè)構(gòu)件的相配螺紋(4)嚙合,以構(gòu)成螺紋連接。第一個(gè)構(gòu)件和第二個(gè)構(gòu)件的彈性和/或熱變形特性彼此不同,其中螺紋結(jié)構(gòu)(3)能預(yù)期變形,以便補(bǔ)償在預(yù)定的熱機(jī)械負(fù)荷下的彈性和/或熱變形,以及有一個(gè)直徑(D)恒定的圓柱形螺紋區(qū)(7)。此外本發(fā)明還涉及一種用于高使用溫度的螺紋連接。
文檔編號F01D25/26GK1307667SQ99807914
公開日2001年8月8日 申請日期1999年6月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月26日
發(fā)明者德特萊夫·哈杰, 卡伊·維格哈特 申請人:西門子公司