专利名称：用于热负载环境中的螺栓的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有底端和顶端的螺栓，用于将第一构件与第二构 件连接，其中螺栓包括沿其纵向方向的空腔。此外本发明还涉及一种具 有底端和顶端的螺栓，用于将第一构件与第二构件连接，其中螺栓包括孔。
背景技术：
螺栓连接组件用在机械制造的许多领域中。尤其在涡轮机的构造 中，螺栓连接组件扮演特别重要的角色，因为在较高温度下出现的压力 和应力^艮高。
涡轮机这一名称涵盖了水轮机、蒸汽轮机和燃气轮机、风力涡轮机、 离心泵和离心压缩机、以及螺旋桨推进器。所有这些机器的共同之处在 于，它们都从液体中提取能量以驱动其他机器，或者反过来给液体供给 能量以提高其压力。
在前述领域中使用了负担很高应力的螺栓连接组件。在许多情况下 这些螺栓除了较高应力外还须承受很高的热负载。特别是在蒸汽轮机或 燃气轮机中，螺栓连接组件部分负担很高的温度。
在蒸汽轮机构造中使用的蒸汽阀通常设有同样负担很高热负载的 螺栓连接组件。对于螺栓连接组件而言已知由铁素体螺栓材料制成的螺 栓。由于铁素体材料的材料特性例如强度随着增长的温度改变，所以这 类材料仅可以在到达上限温度之前使用。
力图通过强化当地冷却来扩大所述螺栓连接组件的使用范围。现有 技术中已知给螺栓设置孔，其中冷却介质流过孔并从而使得螺栓冷却。 对于该冷却原理来说，冷却介质必须通过仪器借助循环体系导向螺栓。 这种冷却循环的结构成本#:高，因为冷却介质必须通过例如泵、过滤器、 管路或类似物引导。
另外 一 种对螺栓进行调整以使它们可以用在高的热负载中的可能 性是使用适于高温的材料。就此而言考虑过例如出自镍基合金领域的材 料。然而选择并使用新的材料既耗时又费钱。通常这些材料还具有不利
的特性，例如"负蠕变"。
根据现有技术已知让螺栓连接组件由特殊合金构成。这些螺栓连接 组件可以因此在高温下使用。不过这种合金的成本相对较高。此外这种 螺栓的制造较为复杂，这导致了较低的可用性。
当使用由镍基合金制成的螺栓时，由于不利的热膨胀这一缘故原则 上需要抗疲劳套管。这种抗疲劳套管的设计需要准确地获知螺栓的当地 温度特性。
发明内容
本发明的目的在于，提供 一 种能够在高的热负载下使用的螺栓。 该目的通过一种用于将第一构件与第二构件连接的、具有底端和顶 端的螺栓得以解决，其中该螺栓包括沿其纵向方向的空腔。空腔可以在 底端处具有用于形成杯形空腔的底部，其中空腔是为了注入介质而构成 的。空腔也可以是贯通的，乂人而可以插入注有介质的特殊管子。
本发明利用了热管原理的效应。热管原理根据热动力学是基于"介 质在长形构成的空腔内在热端处蒸发和在冷端处凝结"。当封闭空腔内 的末端之间具有较小温度差时就已经有较大的热量在传导。热管的原理
如下液体在较热的管端蒸发并吸收蒸发热。液体在冷端凝结并将蒸发 热放出。该原理还可以用在水平设置方式下。在这种情况下，壁设有毛 细管。冷凝液通过内壁的毛细作用再度返回到较热的管端。由于高的蒸 发热函的缘故，热管与例如钢相比可以大大改善热传导。
用在受热环境中的螺栓通常具有温度梯度。例如底端可以比顶端 冷。通过热管原理可以将较热的底端的热量导向较冷的顶端并在那里导 出。通过这种从底端向顶端的热传导可以使螺栓整体冷却。螺栓因此可 以用在受热环境中。螺栓可以相应地在较高的温度下使用，因为传递到 螺栓底端的热可以快速地在顶端处导出。
在一种优选的改型中，空腔构造成孔。热管原理在不是作为管子构 成的空腔中、也就是说在具有圆形截面情况下也是有效的。当热管截面 采用三角形、四角形或者类似几何形状时，这种热管显出和具有圆形截 面的热管相同的物理^:应。孔当然也可以相对于三角形、四角形或类似 截面而言更为简单地构成。由此获得的优点是，螺栓可以廉价地设有构 造成孔的空腔。通常在现有技术中使用的螺栓在用作膨胀螺栓时已然具
有确定的孔。
在另一种优选的改型中，空腔的一部分壁从顶端凸出。利用热管在 螺栓顶端上方的延长可以实现的效用是，使得被下方热端吸收的热能够 被传导到可以特别容易冷却的热管区域中。该冷却不必主动实施，而是 可以仅通过与较热构件在空间上的分离由于相对于环境的温差而进行。 如果说空腔的一部分壁从顶端凸出，那么这一部分比起热管的其余部分 承受较低的温度，从而可以实现更好的冷却作用。
在另外一种优选的改型中，从顶端凸出的壁至少要和壁的处于螺栓 中的部分一样长。"从螺栓凸出的部分至少要和处于螺栓中的部分一样 长"这一空间上的设计显出了特别有效的冷却作用。
该目的还通过一种用于将第一构件与第二构件连接的、具有底端和 顶端的螺栓得以解决，其中该螺栓包括孔，孔内设有热管，其中热管是 为了注入介质而构成的。
在这里也是利用了热管原理。按照发明可以设置这样一种螺栓，即 热管设置在该螺栓的孔中。冷却作用按照与上述相同的物理原理实现。 设有孔内热管的螺栓当然可以较为简单地制造。从而减小了成本。螺栓 在该实施例中包括至少两个组成部分。例如一个i殳有孔的螺栓和一个插 入该孔的热管。热管就此而言可以由与螺栓相同的材料形成，当然也可 以为热管和螺栓选用不同的材料。
在另外一种优选的改型中使用液态钠或液态钾作为介质。在蒸汽轮
机结构中温度甚至超过500°C。液态钠或液态钾因此是该温度区域中的 合适选用物。
下面借助附图对本发明的实施例做详细描述。其中设有相同附图标 记的元件具有相同的工作原理。其中
图1是用于蒸汽涡轮机的蒸汽阀的透视图2是图1所示蒸汽阀的俯视图3是螺栓连接结构的截面图4是按照替代实施例的螺栓连接结构的截面图5是按照替代实施例的螺栓连接机构的截面图。
具体实施例方式
图1以透视图示出蒸汽阀1。该蒸汽阀1的基本特征在于入流区3, 在那里流入具有很高温度的蒸气。蒸气通过未在图1中示出的通道导向 出流区2。蒸汽阀1基本呈圆柱形并包括第一构件4和第二构件5。第 二构件5作为盖子构成。第一构件4呈圆柱形。第一构件4借助螺栓6 与第二构件5连接。由于尤其在蒸汽涡轮机结构中蒸汽阀1受到具有很 高压力的水蒸气的加载，所以为了承受很高的应力而设有多个螺栓6以 用于连接笫 一构件与第二构件5。
本发明并不局限于蒸汽阀的第一构件4与第二构件5的连接。第一 构件4或第二构件5也可以是蒸汽涡轮机内壳的顶部件与底部件。第一 构件4和第二构件5还可以是蒸汽涡轮机的外壳。
图2是图l所示蒸汽阀的俯视图。盖子5作为第二构件的实施例圆 形地构成并包括多个孔，螺栓6插入这些孔内。在第一构件4中设有与 孔对准的螺紋。
图3中可以看到螺栓6的截面。螺栓6将第一构件4与第二构件5 连接。螺栓6在其纵向方向7上设有空腔8。螺栓6具有顶端9和底端 10。空腔8在底端10处具有形成杯形空腔8的底部11。杯形空腔8用 于注入介质12。在螺栓的顶端9处，空腔8的一部分壁13从顶端凸出。 壁13可以作为套管构成，该套管被设计成可以使得从螺栓顶端9凸出 的腔室净皮封闭。空腔8可以构造成孔。其他实施例例如三角形或四角形 截面也是可以的。
空腔8的壁13可以配设沿纵向方向的毛细管26,这样做可以使得 冷却介质即使在不垂直的安装位置下也可^L输向底部11。
乂人顶端9凸出的壁13可以恰好如位于螺栓6中的那部分壁14那么 长，也可以更长或更短。
空腔8是封闭的。
螺栓6可以作为螺杆16构成并具有处于顶端9的螺母17。第二构 件5包括孔18。在第一构件4中设有另外一个孔19,其具有与在第二 构件中的孔18对准的螺紋。首先将螺杆16旋入具有螺紋25的孔19中。 接着将螺母17安置在螺杆16的顶端9并以高的扭矩旋紧。就此而言还 可以将螺栓预热，以产生确定的紧固力。
位于空腔8中的介质12可以例如是液态钠或液态钾。在工作状态下，热量沿着热流20流动。螺栓的底端IO就此而言变热，这使得介质 12可以热到被蒸发并在顶端的壁13处再度累积并凝结。其中释放出热 量，该热量被环境或其他外部冷却介质带走。
围绕螺栓6还可以附加设置绝缘件15以用于对构件进行热绝缘。 在这种情况下管子必须至少长到使得具有需冷却管子端部的壁13处于 绝缘之外。
对于螺栓而言可以由于冷却的原因使用较低材料等级的材料。在高 温区域内例如用高4各钢替代4臬基合金(例如X19CrMoNbVN11-1替代尼孟 合金(Nimonic))。在低温下可以用更为经济且更好用的1%-铬钢替代 高铬钢(例如21CrMoV5-7替代X19CrMoNbVN11-1)。
在尺寸方面有利的是，螺栓具有150至800mm的长度，螺紋按照DIN 在M56和M180之间。
图4中示出了螺栓6的替代实施例。图4所示螺栓6与图3所示螺 栓6的区别在于，螺栓底端10处的底部11由杯形的套管22形成。空 腔8由此作为从螺栓6的顶端9至底端10的通孔构成。具有杯形底部 11的套管22被熔焊、铆接或钎焊接在螺栓的底端10上。其他的连接方 式也是可以考虑的。螺栓的功能原理和其他组成部分与图3中是一样的。 因此在这一方面可以引用对图3的阐释。
图5中示出螺栓6的另外一个替代实施例。螺栓6按照下述方式构 成，即，封闭的热管23 ;波置入到具有比热管23直径略大直径的孔24 中。热管23比螺杆16长并从顶端9和底端10凸出。热管23不必非要 在底端10处凸出。热管可以在底端10处与螺杆16齐平地终止。孔不 必是贯通的，而是可以延伸直到底端10。此外，螺栓6的作用方式与图 3和4所述螺栓6的作用方式近似一致。因此在这一方面可以引用对图 3和4的阐释。
权利要求
1. 具有底端(10)和顶端(9)的螺栓(6)，用于将第一构件(4)与第二构件(5)连接，其中螺栓(6)包括沿着其纵向方向(7)的空腔(8)，其特征在于，空腔(8)在底端(10)处具有用于形成杯形空腔(8)的底部(11)，其中空腔(8)构造用于注入介质(12)。
2. 按权利要求l所述的螺栓(6),其中，空腔(8)构造成孔。
3. 按权利要求2所述的螺栓(6),其中，空腔(8)的一部分壁 (13)从顶端(9)凸出。
4. 按权利要求3所述的螺栓(6),其中，从顶端(9)凸出的壁 (13)至少和处于螺栓(6)中的部分壁(14) 一样长。
5. 按权利要求1、 2、 3或4所述的螺栓(6),其中，空腔(8) 是封闭的。
6. 具有底端(10)和顶端(9)的螺栓(6)，用于将笫一构件(4) 与第二构件(5)连接，其中螺栓(6)包括孔(24),其特征在于，在 孔(24)内设有热管(23),其中热管(23)构造用于注入介质(l2)。
7. 按权利要求6所述的螺栓(6)，其中，孔(24)具有毛细管(26)。
8. 按权利要求6所述的螺栓(6 ),其中，孑L ( 24 )从顶端(9 ) 至底端(10)贯通地构成，并且热管U3)从底端(10)凸出。
9. 按权利要求6、 7或8所述的螺栓，其中，热管(23)从顶端(9) 凸出。
10. 按前述权利要求之一所述的螺栓(6)，所述螺栓包括螺杆(16) 和螺母(17)。
11. 按前述权利要求之一所述的螺栓(6 ),以液态钠或液态钾作 为介质(12)。
12. 按前述权利要求之一所述的螺栓(6),所述螺栓由材料X19 CrMoVNll-l或21CrMoV5-7或尼孟合金Nimonic制成。
13. 按前述权利要求之一所述的螺栓(6),所述螺栓具有150至 800mm的长度。
14. 按前述权利要求之一所述的螺栓(6),所述螺栓具有按照DIN 在M56与M180之间的螺紋。
全文摘要
本发明涉及一种具有底端(10)和顶端(9)的螺栓(6)，用于将第一构件(4)与第二构件(5)连接。在螺栓(6)中构造有沿纵向方向(7)延伸的空腔(8)。在空腔(8)中注入介质(12)。空腔(8)构造成热管(23)，从而可以很好地对螺栓(6)进行冷却。
文档编号F16B33/00GK101379306SQ200780004062
公开日2009年3月4日 申请日期2007年1月15日 优先权日2006年2月2日
发明者T·蒂曼 申请人:西门子公司