Title:
CFK-Rohrelement
Kind Code:
U1


Abstract:

Rohrelement bestehend im Wesentlichen aus einem CFK-Rohr (1), aus einem ersten (3) und einem zweiten Verbindungselement (4) zum Verbinden mehrerer Rohrelemente miteinander, sowie aus einer ersten (2) und einer zweiten Gegenhülse (5) zum Befestigen der Verbindungselemente am CFK-Rohr,
wobei das erste Verbindungselement (3) auf der Innenseite (1.2) und die erste Gegenhülse (2) auf der Außenseite (1.1) des CFK-Rohres anliegt und das zweite Verbindungselement (4) auf der Außenseite (1.3) und die zweite Gegenhülse (5) auf der Innenseite (1.4) des CFK-Rohres anliegt,
und wobei das jeweilige Verbindungselement (3, 4) mit der jeweiligen Gegenhülse (2, 5) über eine zylindrische Verschraubung (2.1, 3.1; 4.1, 5.1) derart verschraubt ist, dass das jeweilige Ende des CFK-Rohres (1) zwischen dem Verbindungselement (3, 4) und der Gegenhülse (2, 5) verdrehsicher geklemmt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass an dem einen Ende des CFK-Rohres dessen Kontaktflächen (1.1, 1.2) konisch aufweitend zum Ende des CFK-Rohres hin ausgeführt sind und dass an dem anderen Ende des CFK-Rohres dessen Kontaktflächen (1.3, 1.4) konisch verjüngend zum Ende des CFK-Rohres hin ausgeführt sind.




Application Number:
DE202017102885U
Publication Date:
06/20/2017
Filing Date:
05/15/2017
Assignee:
Voith Patent GmbH, 89522 (DE)
Domestic Patent References:
DE102013207206A1N/A2014-10-23



Claims:
1. Rohrelement bestehend im Wesentlichen aus einem CFK-Rohr (1), aus einem ersten (3) und einem zweiten Verbindungselement (4) zum Verbinden mehrerer Rohrelemente miteinander, sowie aus einer ersten (2) und einer zweiten Gegenhülse (5) zum Befestigen der Verbindungselemente am CFK-Rohr,
wobei das erste Verbindungselement (3) auf der Innenseite (1.2) und die erste Gegenhülse (2) auf der Außenseite (1.1) des CFK-Rohres anliegt und das zweite Verbindungselement (4) auf der Außenseite (1.3) und die zweite Gegenhülse (5) auf der Innenseite (1.4) des CFK-Rohres anliegt,
und wobei das jeweilige Verbindungselement (3, 4) mit der jeweiligen Gegenhülse (2, 5) über eine zylindrische Verschraubung (2.1, 3.1; 4.1, 5.1) derart verschraubt ist, dass das jeweilige Ende des CFK-Rohres (1) zwischen dem Verbindungselement (3, 4) und der Gegenhülse (2, 5) verdrehsicher geklemmt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass an dem einen Ende des CFK-Rohres dessen Kontaktflächen (1.1, 1.2) konisch aufweitend zum Ende des CFK-Rohres hin ausgeführt sind und dass an dem anderen Ende des CFK-Rohres dessen Kontaktflächen (1.3, 1.4) konisch verjüngend zum Ende des CFK-Rohres hin ausgeführt sind.

2. Rohrelement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen des CFK-Rohres mit einem Konuswinkel zwischen 0,3° und 7° ausgeführt sind.

3. Rohrelement nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen an der jeweiligen Innenseite (1.2, 1.4) und der jeweiligen Außenseite (1.1, 1.3) mit dem gleichen Konuswinkel ausgeführt sind, so dass das Rohr in diesem Bereich eine konstante Wandstärke aufweist.

4. Rohrelement nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung an beiden Enden des Rohres (1) ein axialer Freiraum vorhanden ist, so dass das stirnseitige Ende des Rohres (1) keinen Kontakt mit einem der Verbindungselemente (3, 4) oder einer der Gegenhülsen (2, 5) hat, wobei der Freiraum bevorzugt zwischen 2 und 10 mm in axialer Richtung gemessen beträgt

5. Rohrelement nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das CFK-Rohr (1) als Verstärkungsfasern mehrere Lagen aus gewickelten Endlosfasern aufweist.

6. Rohrelement nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das CFK-Rohr (1) mindestens eine Lage mit einem Faserorientierungswinkel der Verstärkungsfasern zwischen 5° und 15° zur Rohrachse und mindestens eine Lage mit einem Faserorientierungswinkel der Verstärkungsfasern zwischen 70° und 80° zur Rohrachse enthält.

7. Rohrelement nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge der zylindrischen Verschraubung (2.1, 3.1; 4.1, 5.1) zwischen Verbindungselement und Gegenhülse im Wesentlichen genauso groß ist wie die axiale Länge des konischen Gewindes (3.3, 4.3) am Verbindungselement.

8. Rohrelement nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge der Kontaktflächen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) mindestens doppelt so groß ist wie die axiale Länge der zylindrischen Verschraubung (2.1, 3.1; 4.1, 5.1) zwischen Verbindungselement und Gegenhülse.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Rohrelement bestehend im Wesentlichen aus einem CFK-Rohr (CFK = Kohlenstoff-faserverstärkter Kunststoff), aus einem ersten und einem zweiten Verbindungselement zum Verbinden mehrerer Rohrelemente miteinander, sowie aus einer ersten und einer zweiten Gegenhülse zum Befestigen der Verbindungselemente am CFK-Rohr. Das erste Verbindungselement liegt dabei auf der Innenseite und die erste Gegenhülse auf der Außenseite des CFK-Rohres an. Und das zweite Verbindungselement liegt auf der Außenseite und die zweite Gegenhülse auf der Innenseite des CFK-Rohres an. Das jeweilige Verbindungselement ist mit der jeweiligen Gegenhülse über eine zylindrische Verschraubung derart verschraubt, dass das jeweilige Ende des CFK-Rohres zwischen dem Verbindungselement und der Gegenhülse verdrehsicher geklemmt ist.

Solche Rohrelemente sind beispielsweise als sogenannte Drill pipes für Bohrgestänge zur Erdölbohrung bekannt. Eine Ausführung zum Stand der Technik ist unter anderem in der DE 102013207206 A1 beschrieben. Es hat sich dabei allerdings herausgestellt, dass diese Rohrelemente relativ aufwändig in der Herstellung sind.

Die Aufgabe der Erfindung ist es ein einfacher herzustellendes und dennoch stabiles Rohrelement zu entwickeln.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Rohrelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführung, die die Vorrichtung zusätzlich verbessern, finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen. Das erfindungsgemäße Rohrelement zeichnet sich dadurch aus, dass an dem einen Ende des CFK-Rohres dessen Kontaktflächen konisch aufweitend zum Ende des CFK-Rohres hin ausgeführt sind und dass an dem anderen Ende des CFK-Rohres dessen Kontaktflächen konisch verjüngend zum Ende des CFK-Rohres hin ausgeführt sind.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass durch die spezielle Gestaltung des CFK-Rohres eine sehr einfache Fertigung durch Wickeln auf einem Wickeldorn möglich ist. Dadurch dass auf einer Seite ein konisch sich erweiterndes Rohrende vorhanden ist, kann der Wickeldorn gut zu dieser Seite hin entfernt werden. Es sind keine komplizierten mehrteiligen Wickeldorne notwendig. Des Weiteren kann über die konische Gestaltung der Enden eine bessere Klemmwirkung zwischen Gegenhülse und Verbindungselement erreicht werden, als bei gerade ausgeführten Rohren.

Das Rohrelement besteht im Wesentlichen aus dem CFK-Rohr, den Verbindungselementen und den Gegenhülsen; das heißt, dass insbesondere die Verbindung zwischen den CFK-Rohren keine weiteren tragenden Komponenten benötigen. Das Rohrelement kann allerdings durchaus noch die ein oder andere zusätzliche Komponente aufweisen, wie beispielsweise Dichtungen, Sicherungsstifte, Kabel für Energie- oder Kommunikationsverbindungen oder ähnliches.

Das CFK-Rohr wird bevorzugt aus Endlosfasern in Form von Bändern oder Rovings, die mit Harz imprägniert sind, auf einem Wickeldorn gewickelt. Anschließend wird das Harz ausgehärtet und der Wickeldorn entfernt. Das CFK-Rohr weist somit als Verstärkungsfasern mehrere Lagen aus gewickelten Endlosfasern auf.

Die Verbindungselemente und die Gegenhülsen weisen eine konische Kontaktfläche auf, die passend zur entsprechenden konischen Kontaktfläche des CFK-Rohres ausgebildet ist und insbesondere mit dem jeweils gleichen Konuswinkel.

Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Kontaktflächen des CFK-Rohres mit einem Konuswinkel zwischen 0,3° und 7° ausgeführt sind. So kann sowohl eine einfach Fertigung als auch eine gute Festigkeit der Verbindung und des Rohres erreicht werden. Zu große Konuswinkel würden die Zugfestigkeit und Scherfestigkeit des Rohres im Übergangsbereich beeinträchtigen. Und zu kleine Konuswinkel würden das Entfernen des Wickeldornes erschweren oder komplizierter aufgebaute Wickeldorne erfordern.

Besonders bevorzugt sind die Kontaktflächen an der jeweiligen Innenseite und der jeweiligen Außenseite mit dem gleichen Konuswinkel ausgeführt, so dass das Rohr in diesem Bereich eine konstante Wandstärke aufweist. Dadurch wird eine besonders gute Klemmwirkung erzielt.

Um die Klemmwirkung noch zuverlässiger zu machen, ist in axialer Richtung an beiden Enden des Rohres ein axialer Freiraum vorhanden, so dass das stirnseitige Ende des Rohres keinen Kontakt mit einem der Verbindungselemente oder einer der Gegenhülsen hat. So wird sicher vermieden, dass beim Montieren die Klemmung zwischen Gegenhülse und Verbindungselement durch ein axiales Anstoßen des CFK-Rohres an einem der beiden Teile beeinträchtigt wird. Der Freiraum hat dabei eine in axialer Richtung gemessene Länge von bevorzugt zwischen 2 und 10 mm.

Eine besonders bevorzugte Ausführung ist so gestaltet, dass das CFK-Rohr mindestens eine Lage mit einem Faserorientierungswinkel der Verstärkungsfasern zwischen 5° und 15° zur Rohrachse und mindestens eine Lage mit einem Faserorientierungswinkel der Verstärkungsfasern zwischen 70° und 80° zur Rohrachse enthält. So wird eine besonders hohe Festigkeit in axialer und in Umfangsrichtung erzielt und das vor allem auch im Übergangsbereich zwischen dem zylindrischen Mittelteil des Rohres und den konischen Kontaktflächen.

Weiterhin ist es von Vorteil für die Festigkeit des Rohrelements, wenn die axiale Länge der zylindrischen Verschraubung zwischen Verbindungselement und Gegenhülse im Wesentlichen genauso groß ist wie die axiale Länge des konischen Gewindes am Verbindungselement. Unter im Wesentlichen genauso groß wird hier angesehen, wenn die Längen nicht mehr als 10% voneinander abweichen.

Vorteilhaft für die Klemmung ist eine axiale Länge der Kontaktflächen, die mindestens doppelt so groß ist wie die axiale Länge der zylindrischen Verschraubung zwischen Verbindungselement und Gegenhülse. Dadurch wird eine ausreichend große Klemmkraft erreicht.

Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Ausprägungen der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die nicht maßstäblichen Zeichnungen. Die genannten Merkmale können nicht nur in der dargestellten Kombination vorteilhaft umgesetzt werden, sondern auch einzeln untereinander kombiniert werden. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

1 Schnittdarstellung des ersten Endes eines erfindungsgemäßen Rohrelements

2 Schnittdarstellung des zweiten Endes eines erfindungsgemäßen Rohrelements

Nachfolgend werden die Figuren detaillierter beschrieben. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen gleiche beziehungsweise analoge Bauteile oder Komponenten.

In 1 ist das erste Rohrende dargestellt. Das CFK-Rohr 1 ist zwischen dem innenliegenden Verbindungselement 3 und der außenliegenden Gegenhülse 2 geklemmt. Verbindungselement 3 und Gegenhülse 2 sind über die zylindrische Verschraubung 2.1, 3.1 verbunden. Das Verbindungselement 3 besitzt am äußeren Ende ein konisches Außengewinde 3.3. Darüber kann das Rohrelement mit einem weiteren Rohrelement, welches ein konisches Innengewinde aufweist zu einem Rohrgestänge verschraubt werden. Die äußere Kontaktfläche 1.1 des Rohres ist konisch nach außen aufweitend ausgeführt und liegt an der Kontaktfläche 2.2 der Gegenhülse an. Ebenso ist die innere Kontaktfläche 1.2 des Rohres konisch aufweitend ausgeführt und liegt an der entsprechenden Kontaktfläche 3.2 des Verbindungselements an. Die Wandstärke der CFK-Rohres ist in diesem Kontaktbereich konstant, da die Kontaktflächen den gleichen Konuswinkel besitzen – bevorzugt zwischen 0,3° und 7°. Gut zu erkennen ist auch der axiale Freiraum zwischen der Stirnfläche des CFK-Rohres 1 und dem Absatz des Verbindungselements 3.

2 zeigt das zweite Rohrende, bei dem die Gegenhülse 5 innen und das Verbindungselement 4 außen liegt. Das CFK-Rohr 1 ist wiederum dazwischen über die Kontaktflächen 1.3, 1.4 geklemmt. An diesem Rohrende sind die Kontaktflächen 1.3, 1.4 allerdings konisch nach innen verjüngend gestaltet. Die entsprechenden Kontaktflächen 4.2, 5.2 des Verbindungselements und der Gegenhülse sind passend im Konuswinkel ausgeführt. Wiederum sind Verbindungselement und Gegenhülse über eine zylindrische Verschraubung 4.1, 5.1 miteinander verbunden. Und das Verbindungselement 4 weist am äußeren Ende ein konisches Innengewinde 4.3 auf, passend zum konischen Außengewinde 3.3. des ersten Rohrendes.

Bezugszeichenliste

1
CFK-Rohr
1.1, 1.3
Kontaktfläche auf der Außenseite des Rohres
1.2, 1.4
Kontaktfläche auf der Innenseite des Rohres
2
erste Gegenhülse
2.1
zylindrische Verschraubung
2.2
Kontaktfläche der Gegenhülse
3
erstes Verbindungselement
3.1
zylindrische Verschraubung
3.2
Kontaktfläche des Verbindungselements
3.3
konisches Außengewinde
4
zweites Verbindungselement
4.1
zylindrische Verschraubung
4.2
Kontaktfläche des Verbindungselements
4.3
konisches Innengewinde
5
zweite Gegenhülse
5.1
zylindrische Verschraubung
5.2
Kontaktfläche der Gegenhülse
6
Sicherungsstift

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102013207206 A1 [0002]