Häufige Konstruktionsfehler und wie Sie sie vermeiden #4

Dies ist eine Fortsetzung meines Blogs über häufige Konstruktionsfehler.

Fehler #4:
Behinderung thermomechanische Spannungen

BrennkammerDen Herstellern von Triebwerken, Motoren, Abgasanlagen und Brennern ist klar, dass thermische Dehnungen im Hochtemperaturbereich nur bedingt behindert werden dürfen, da es sonst zu Rissen kommt.

Aus der Schulphysik ist noch der Versuch geläufig, bei dem ein massiver Bolzen bricht, wenn ein Stab erhitzt wird und dann das Zusammenziehen durch den Bolzen behindert wird.

Den beiliegenden Versuch hat fast jeder Schüler im Physikunterricht gesehen.

Moderate Temperaturerhöhungen

Wie aber sieht es aus, wenn die Temperaturerhöhungen vergleichsweise gering sind?

Hier gibt es bei Baugruppen, die aus einem Material bestehen, im Regelfall nur wenig Probleme.

Anders sieht es aber aus, wenn z.B. Bauteile wie Laufräder von Ventilatoren oder Turbomaschinen aus Aluminium gefertigt werden und mit Stahlwellen bzw. Flansche verbunden werden.

Hier reichen schon geringe Temperaturerhöhungen von etwa 60°C aus, um hohe Spannungen zu erzeugen, wenn die thermischen Dehnungen behindert werden.

Der Klassiker, der mir in meiner beruflichen Laufbahn mehrmals begegnet ist, besteht aus einer Laufradanbindung, bei der neben den Schrauben noch Passbolzen eingesetzt werden.

Stahllaufräder werden im Rahmen eines Redesigns bei erhöhten Anforderungen aufgrund des Gewichtes durch Aluminium / Silumin ersetzt. Der Versuch zeigt, dass die Verbindung Welle / Laufrad gleitet bzw. nach dem Betrieb Unwuchten auftreten, obwohl das System vorher perfekt ausgewuchtet wurde. Nun setzt man Bolzen, um die Verschiebungen zu unterbinden und beobachtet Risse in den Bohrungen.

Der Konstruktionsfehler ist hier, dass versucht wird, thermische Dehnungen zu behindern.

Der Ausdehnungskoeffizient von Aluminium ist etwa doppelt so hoch wie der von Stahl.

Lösungen können hier z.B. sein, dass man ein Medium zwischen Stahl und Aluminium bringt, welches in der Lage ist, die Dehnungen ohne gleitende Bewegungen auszugleichen. Auch eine Reduzierung des Durchmessers des Lochkreises reduziert die thermischen Spannungen.

Thermoschock

Oftmals führen auch Temperaturschocks beim Aufheizen oder Abkühlen einer Maschine zu Rissen. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn ein heißes Bauteil z.B. beim Reinigen mit kaltem Wasser durchströmt wird oder ein kaltes Bauteil mit einem heißen Fluid in Kontakt kommt.

Auch hier gibt es wieder den klassischen Schulversuch im Physikunterricht, bei dem ein erhitzter Stein beim Übergießen mit kaltem Wasser zerspringt. In diesem Fall sind die thermischen Spannungen durch die starken Temperaturgradienten innerhalb des Steins so hoch, dass die Bruchspannung überschritten wird.

Ausdehnung

Ein Missverständnis was häufiger von mir bei Konstrukteuren beobachtet wurde ist, dass ein Körper, der gleichmäßig (d.h. sehr langsam) erwärmt wird, Spannungen aufweist oder sich ungleichmäßig ausdehnt. Dies ist erst der Fall, wenn mehrere Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten verbunden sind. Ansonsten wird ein Körper bei höheren Temperaturen einfach gleichmäßig d.h. geometrisch ähnlich, größer. Spannungen treten hierbei erst auf, wenn die Ausdehnung z.B. durch die Anbindungsumgebung behindert wird.

Bauteile mit unterschiedlichen Wandstärken

Werden Bauteile mit unterschiedlichen Wandstärken erhitzt oder abgekühlt, nehmen die dünneren Bauteile schneller die Endtemperatur an als die dicken, wodurch ebenfalls hohe Spannungen entstehen können.

Viele von uns untersuchte Schadensfälle konnten im Wesentlichen auf unzulässig hohe thermomechanische Spannungen insbesondere auch beim An- und Abfahren von Anlagen zurückgeführt werden.

Die oben beschriebenen Effekte können alle über transiente (zeitliche) FE-Simulationen abgeschätzt und bewertet werden.

Ich freue mich auf Ihr Feedback.

Stefan Merkle

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