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Update:  09.06.2020

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Umfassendes Nachschlagewerk zu Kompensatoren




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Kompensator


Kompensator

Auslegung von Stahlkompensatoren

Kompensatoren in ihren verschiedenen Bauformen dienen dem Ausgleich von LĂ€ngenĂ€nderungen oder Versatz in Rohrleitungen, hervorgerufen durch Temperaturunterschiede, Montagetoleranzen oder Fundamentabsenkungen. KernstĂŒck eines jeden Kompensators ist der Metallbalg, der durch seine Wellengeometrie und dĂŒnnwandige AusfĂŒhrung als Feder wirkt.

Die Kompensatoren sind fĂŒr folgenden Bewegungsformen geeignet:

Kompensatorbewegung Kompensator
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Torsionsbewegung sind bei Kompensatoren unbedingt zu vermeiden.

Die Auslegungsdaten in den technischen DatenblÀttern von Stahlkompensatoren beziehen sich auf folgende Festlegungen:
- Temperatur 20°C
- Lastspielzahl 1000
Bei abweichenden Werten sind folgende Werte mit Abminderungsfaktoren zu beaufschlagen:
- Nenndruck PN
- Nominale Dehnungsaufnahme
- Lebensdauer
- Kompensatorsteifigkeit

Die hier genannten Abminderungsfaktoren beziehen sich fĂŒr den Balgwerkstoff 1.4541. Je nach Balgwerkstoff bzw. Hersteller können die Werte abweichen. Im speziellen Anwendungsfall sind die Werte aus den DatenblĂ€ttern der Hersteller zu entnehmen.

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Temperatureinfluss auf den Nenndruck

Bei Einsatztemperaturen > 20°C ist der Nenndruck mit einem Abminderungsfaktor K p zu beaufschlagen.


Kompensatornenndruck Formel
PN Rt = Nenndruck (bar) bei 20°C
p Bt = max. Druck (bar) (PrĂŒfdruck)
K p = Abminderungsfaktor bei erhöhter Temperatur
PN Rt = Nenndruck (bar) bei 20°C
p Bt = max. Druck (bar) (PrĂŒfdruck)
K p = Abminderungsfaktor bei erhöhter Temperatur
Temp­eratur (°C) 20 100 200 300 400 500 600
K p 1,00 0,83 0,74 0,67 0,62 0,60 0,57
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Einfluss der Lastspielzahl auf die BewegungsgrĂ¶ĂŸe

Die Auslegungsdaten aus den DatenblĂ€ttern beziehen sich auf eine Lastspielzahl von 1000. Bei einer grĂ¶ĂŸeren Lastspielzahl ist die BewegungsgrĂ¶ĂŸe mit dem Abminderungsfaktor K L zu beaufschlagen.
Ein Lastspiel ist die gesamte Bewegung des Kompensators aus einer Anfangsstellung zum Extremwert auf der einen Seite, zurĂŒck ĂŒber den Ausgangspunkt hinaus zum Extremwert auf der anderen Seite und wieder in die Ausgangsstellung.


Kompensatorlastspielzahl Formel
N e = geforderte Lastspielzahl (-)
K L = Abminderungsfaktor bei erhöhter Lastspielzahl
N e = geforderte Lastspielzahl (-)
K L = Abminderungsfaktor bei erhöhter Lastspielzahl
Last­spiel­zahl 1000 5000 10000 50000 100000
K L 1,00 0,63 0,51 0,32 0,26



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Temperatureinfluss auf die BewegungsgrĂ¶ĂŸe

Die zulÀssige Bewegung ist bei Einsatztemperaturen > 20°C mit einem Abminderungsfaktor K T zu beaufschlagen.


Temp­eratur (°C) 20 100 200 300 400 500 600
K T 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70
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BewegungsgrĂ¶ĂŸe des Kompensators bei erhöhter Temperatur und Lastspielzahl

Die bei Raumtemperatur Rt ermittelten BewegungsgrĂ¶ĂŸen entsprechen den Daten aus den technischen DatenblĂ€ttern.


Kompensatorbewegung Formel
K B = Abminderungsfaktor fĂŒr BewegungsgrĂ¶ĂŸe
K L = Abminderungsfaktor bei erhöhter Lastspielzahl
K T = Abminderungsfaktor bei erhöhter Temperatur
Δ ax, Rt = Axialbewegung bei 20°C (mm)
Δ ax, Bt = Axialbewegung bei erhöhter Belastung (mm)
Δ lt, Rt = Lateralbewegung bei 20°C (mm)
Δ lt, Bt = Lateralbewegung bei erhöhter Belastung (mm)
Δ α, Rt = Angularbewegung bei 20°C (Grad)
Δ α, Bt = Angularbewegung bei erhöhter Belastung (Grad)
Rt   = Raumtemperatur 20°C = Nominalwert = Wert aus Datenblatt.
Bt   = Betriebstemperatur (°C)
K B = Abminderungsfaktor fĂŒr BewegungsgrĂ¶ĂŸe
K L = Abminderungsfaktor bei erhöhter Lastspielzahl
K T = Abminderungsfaktor bei erhöhter Temperatur
Δ ax, Rt = Axialbewegung bei 20°C (mm)
Δ ax, Bt = Axialbewegung bei erhöhter Belastung (mm)
Δ lt, Rt = Lateralbewegung bei 20°C (mm)
Δ lt, Bt = Lateralbewegung bei erhöhter Belastung (mm)
Δ α, Rt = Angularbewegung bei 20°C (Grad)
Δ α, Bt = Angularbewegung bei erhöhter Belastung (Grad)
Rt   = Raumtemperatur 20°C = Nominalwert = Wert aus Datenblatt.
Bt   = Betriebstemperatur (°C)
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Temperatureinfluss auf die Kompensatorsteifigkeit

Bei höheren Temperaturen verÀndern sich die VerstellkrÀfte und Verstellmomente der Kompensatoren um folgende Abminderungsfaktoren.


Kompensatorsteifigkeit Formel
C i, Bt = Kompensatorsteifigkeit bei Betriebstemperatur (N/mm - Nm/Grad)
C i, Rt = Kompensatorsteifigkeit bei Raumtemperatur (N/mm - Nm/Grad)
K c = Abminderungsfaktor (siehe Tabelle)
C i, Bt = Kompensatorsteifigkeit bei Betriebstemperatur (N/mm - Nm/Grad)
C i, Rt = Kompensatorsteifigkeit bei Raumtemperatur (N/mm - Nm/Grad)
K c = Abminderungsfaktor (siehe Tabelle)
Temp­eratur (°C) 100 200 300 400 500 600
K c 1,00 0,93 0,90 0,86 0,83 0,80

Berechnungsprogramm - Kompensatorsteifigkeit

Berechnung der Kompensatorsteifigkeit in AbhÀngigkeit der Temperatur und Lastspielzahl.


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Vorspannung eines Kompensators

Um die volle DehnungsfĂ€higkeit eines Kompensators zu nutzen, ist eine Vorspannung erforderlich. Jeder Kompensator kann von der Neutralstellung (Lieferzustand) aus in beide Richtungen gleich große Bewegungen ausfĂŒhren. Die optimale Vorspannung wĂ€re demnach 50% der Gesamtbewegung.


Kompensatorvorspannung Formel
Δ V  = Vorspannung bei Einbautemperatur (mm - Grad)
Δ x = Rohrleitungsbewegung bei Temperaturdifferenz Tmax − Tmin (mm - Grad)
T Einb = Einbautemperatur (°C)
T min = minimale Temperatur (°C)
T max = maximale Temperatur (°C)
Δ V  = Vorspannung bei Einbautemperatur (mm - Grad)
Δ x = Rohrleitungsbewegung bei Temperaturdifferenz Tmax − Tmin (mm - Grad)
T Einb = Einbautemperatur (°C)
T min = minimale Temperatur (°C)
T max = maximale Temperatur (°C)
Kompensatorvorspannung Bild

Hubverteilung bei kombinierter axial und lateral Bewegung

Bei Niederdruckkompensatoren in Abgasleitungen werden Kompensatoren verwendet die axiale und laterale Bewegungen gleichzeitig zulassen. Die in den DatenblĂ€ttern aufgefĂŒhrten axialen und lateralen Bewegungen sind Maximalwerte.Zum Erreichen der geforderten Lebensdauer darf nur einer der beiden Bewegungen maximal ausgenutzt werden. Treten Axial- und Lateralbewegung gleichzeitig auf, muss die erlaubte Bewegungskombination mit folgendem Diagramm ermittelt werden:
Die aus dem Datenblatt gelesenen Maximalbewegungen bilden die Eckpunkte des Hubdreieckes (resp. der Hubbegrenzungslinie), innerhalb dessen Grenzen beliebige Bewegungskombinationen fĂŒr die entsprechende Lebensdauer gebildet werden können.

Kompensator kombinierte Last Diagramm


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Berechnungs-Beispiel:
Datenblattwerte bei 20°C und Lastspielzahl 1000 : axial 80 mm − lateral 60 mm
Betriebstemperatur 300°C − Abminderungsfaktor Temperatur K T = 0,85
Lastspielzahl 2000 - Abminderungsfaktor Lastspielzahl K L = 0,82
Abminderungsfaktor bei Betriebszustand K B = 0,85 * 0,82 = 0,7
ZulÀssige axiale Bewegung im Betriebszustand D ax, Bt = 80 * 0,7 = 56 mm
ZulÀssige laterale Bewegung im Betriebszustand D lt, Bt = 60 * 0,7 = 42 mm
Innerhalb diesem Lastdreieck (roter Bereich) können alle möglichen Bewegungskombinationen gebildet werden.
Bei einer Axialbewegung von 28 mm ist zum Beispiel eine Lateralbewegung von 20 mm zulÀssig.


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