Einrichtung zum Kühlen von durchbohrten Flanschschrauben Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Küh len von durchbohrten Flanschschrauben oder ähnli chen, einen durchgehenden Hohlraum aufweisenden Verbindungsteilen an den Flanschen von hocherhitz ten Druckbehältern, insbesondere von Dampf- oder Gasturbinengehäusen mit Hilfe eines Strömungsmit tels, welches durch den Hohlraum dieser Verbin dungsteile strömt.
Die zum Verbinden der Gehäuseteile von Dampf- oder Gasturbinen verwendeten Flanschachrauben oder -bolzen zählen zu den am höchsten beanspruch ten Bauteilen dieser Maschinen. Sie müssen die Kraft übertragen, die von dem an dem Gehäuse wirkenden Druckunterschied herrührt und zusätzlich noch die jenige Dichtkraft aufbringen, die zum völligen Abschluss der Gehäuseteilfuge erforderlich ist. Dabei sind diese Teile bei modernen Hochleistungsturbinen während des Betriebes häufig schon solch hohen Temperaturen ausgesetzt, bei denen die Dauerfestig keit auch besonders warmfester Stähle stark absinkt.
Um eine möglichst gleichmässige Abdichtung des Flansches bei allen Betriebszuständen zu gewährlei sten und überbeanspruchungen im Teilfugenflansch und in dessen Verbindungsteilen zu vermeiden, gilt es, die Änderungen der Temperaturdifferenz zwischen der Gehäusewand und dem Flansch einerseits und den Verbindungsteilen anderseits bei allen Betriebs zuständen der Turbine möglichst weitgehend auszu schliessen. In Hinsicht auf die Warmfestigkeit der Flanschschrauben ist es anderseits günstig, die Tem peratur dieser Verbindungsteile nach Erreichen der vollen Betriebstemperatur des Turbinengehäuses möglichst niedrig zu halten.
Zur Erfüllung dieser beiden Forderungen wur den schon verschiedene Verfahren und Ausführungen zur Heizung der Flansche und zur Kühlung oder Erwärmung der Flanschverbindungsteile vorgeschla- gen. Bei den meisten dieser Verfahren wird die Hei zung oder Kühlung dadurch erreicht, dass zweck mässig angeordnete Kanäle an diesen Bauteilen von einem flüssigen, dampf- oder gasförmigen Heiz- oder Kühlmittel durchströmt werden. Bei Flanschschrau- ben oder Flanschbolzen wird als Wärmeaustausch fläche im allgemeinen die Wandung des durch die Schraube in Längsrichtung verlaufenden Hohlrau mes benutzt.
Solche Hohlräume sind in erster Linie dazu angeordnet, um diese Teile vor ihrem Auf schrumpfen von innen erwärmen zu können.
So ist es bekanntgeworden, bei einer Dampftur bine, insbesondere einer Hochdruckturbine, mit durch Passbolzen gegeneinander verspannten Gehäuseteilen, die Passbolzen mit einer Bohrung zu versehen und an eine besondere Heizungsleitung anzuschliessen, zu dem Zwecke, durch Aufheizen mit strömendem Dampf beim Anwärmen der Turbine die Längen änderung der Passbolzen der Wärmeausdehnung des Gehäuses anpassen zu können.
Weiterhin wurde schon vorgeschlagen, in den zen tral gelegenen Bohrungen von Flanschverbindungs- schrauben ein koaxiales Rohr so anzuordnen, dass zwischen der Aussenwand des Rohres und der Wand der Bohrung ein freier Raum verbleibt. Ein an dem einen Ende des Schraubenschaftes in das Rohr ein geführtes Kühlmittel durchfliesst dieses Rohr bis zu seinem anderen Ende, wird dort umgelenkt, strömt hierauf im freien Raum ausserhalb des Rohres wie der an das erstgenannte Ende zurück und wird von dort nach aussen abgeführt.
Bei diesen oder ähnlichen Einrichtungen werden besondere Zuleitungen, Verbindungsleitungen zwi schen den einzelnen Flanschverbindungsteilen und Ableitungen zur Führung des Kühlmittelstromes benötigt. Da die Leitungen jeweils von der gesamten Menge des Kühlmittels durchströmt werden, müssen diese verhältnismässig gross ausgeführt sein. Wegen Raummangel bereitet deren Unterbringung, insbeson dere bei Dampf- oder Gasturbinengehäusen, häufig beträchtliche Schwierigkeiten.
Bei den üblichen Aus führungen dieser Einrichtungen ist es erforderlich, die gesamte Kühlmittelmenge durch eine Pumpe um zuwälzen, wozu eine entsprechend grosse Pumpen leistung aufzubringen ist.
Die Einrichtung der vorliegenden Erfindung zeichnet sich gegenüber diesen bekannten Kühlein richtungen dadurch aus, dass es bei ihr nicht mehr notwendig ist, die gesamte Kühlmittelmenge durch ein Leitungssystem zu- und abzuführen.
Die Erfindung besteht darin, dass an der nach unten gerichteten Seite der Verbindungsteile ein Ein- ström-Rohrstück und an der anderen Seite ein Aus- ström-Rohrstück angebracht ist, dass die freien Enden dieser Rohrstücke mit der Aussenatmosphäre in Ver bindung stehen, dass gegenüber dem freien Ende des Einström-Rohrstückes eine an eine Druckluftleitung angeschlossene Treibdüse so angeordnet ist, dass der aus dem Hohlraum und den beiden Rohrstücken gebildete Kanal als Mischrohr wirkt,
in dem die aus der Treibdüse ausströmende Druckluft die von der freien Atmosphäre angesaugte Luft mitreisst.
Als Mittel zur Kühlung dieser Verbindungsteile wird also Luft verwendet. Sie wird durch die aus der Treibdüse ausströmende Druckluft unmittelbar von der umgebenden Atmosphäre angesaugt und die ser wieder direkt zugeführt. Die zum Ansaugen not wendige Druckluftmenge beträgt nur einen Bruch teil der durch den Hohlraum der Verbindungs teile strömenden Gesamtluftmenge. Dementsprechend kann das Leitungssystem zur Zuführung der Druck luft wesentlich kleiner und wegen des niedrigeren Druckes und der niedrigeren Temperatur mit gerin gerer Festigkeit ausgeführt werden als die Zuführ- leitungen bei den bekannten Einrichtungen,
bei denen häufig Dampf als Kühlmittel verwendet wird. Verbindungsleitungen und Abführleitungen werden überhaupt nicht mehr benötigt. Die zur Aufrechter haltung der Strömung erforderliche Leistung wird dadurch bedeutend geringer.
Die durch die beiden Rohrstücke gewonnene Ver längerung des durchgehenden Hohlraumes bewirkt eine entsprechende Verstärkung der Zugwirkung die ses Kanals. Schon die auf diese Weise erreichte stär kere Strömung kann unter Umständen dazu genügen, um eine ausreichende innere Kühlung der Verbin dungsteile zu erzielen.
In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vor geschlagen, das freie Ende des Einström-Rohrstückes in Form einer Fangdüse auszubilden und das Aus ström-Rohrstück nach aussen diffusorförmig zu erwei tern. Beide Formgebungen tragen dazu bei, um für die als Strahlpumpe wirkende Kühleinrichtung einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen.
Eine weitere Erhöhung der Kühlwirkung lässt sich dadurch erreichen, dass am Eintritt in das Ein- ström-Rohrstück Zerstäubungsdüsen angeordnet wer den, durch welche Kühlwasser in den eintretenden Luftstrom eingesprüht wird. Der Zusatz von feinver sprühtem Kühlwasser bewirkt eine Erhöhung des Wärmeüberganges innerhalb des Strömungskanales. Ausserdem wird die zum teilweisen oder völligen Ver dampfen des Kühlwassers erforderliche Wärmemenge den zu kühlenden Verbindungsteilen entzogen.
Der wichtigste Vorteil der vorliegenden Erfindung jedoch besteht darin, dass es im Vergleich zu den schon bekannten Einrichtungen weitaus weniger Schwierigkeiten bereitet, diese Einrichtung bei Dampf- oder Gasturbinen auch während deren Betrieb, also im erhitzten Zustand des Turbinen gehäuses an die Flanschverbindungsteile anzubrin gen. Bis heute ist es noch nicht voll gelungen, die Abdichtung der Teilfuge von in Achsebene geteilten Gehäusen für Hochdruck-Hochtemperaturturbinen so auszuführen, dass auch nach beliebig langer Betriebszeit die vollständige Sicherheit gegen ein Undichtwerden dieser Teilfuge gewährleistet ist.
Tritt eine solche Undichtheit auf, so ist es zu deren siche ren Beseitigung unumgänglich, eine solche Turbine für längere Zeit ausser Betrieb zu nehmen und die betreffenden Stellen an den Auflageflächen der Teil fuge nachzuarbeiten oder sonstige Massnahmen zur Wiedererlangung der Dichtheit zu treffen. Insbeson dere bei solchen Dampfturbinen, die für die öffent liche Energieversorgung arbeiten, ist aber eine sofor tige Stillsetzung der Turbine nach Auftreten einer solchen Undichtheit in den meisten Fällen überhaupt nicht oder nur unter grossen Schwierigkeiten und hohen Verlusten möglich.
Für solche Fälle ist die Einrichtung gemäss der Erfindung ganz besonders dazu geeignet, um die Dichtheit der Teilfuge auch während des Betriebes der Turbine wiederherzustel len. Die durch die Einrichtung erzielte Abkühlung bewirkt eine entsprechende Schrumpfung der Flanschverbindungsteile. Diese Schrumpfung verur sacht eine Erhöhung der von diesen Verbindungstei len erzeugten Dichtkraft. Die um die Schrumpfspan nung erhöhte Beanspruchung kann im allgemeinen ohne weiteres von diesen Teilen aufgenommen wer den, da durch die Abkühlung eine Zunahme der Festigkeit des Werkstoffes erzielt wird.
Um die Montage der Kühleinrichtung während des Betriebes zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, die an die Druckluftleitung angeschlossene Treibdüse und die an eine Kühlwasserleitung angeschlossenen Zerstäubungsdüsen von der Flanschverbindung und dem Druckbehälter getrennt zu befestigen.
Es ist ohne weiteres möglich, den Druck und die Menge der zum Ansaugen und Beschleunigen der äusseren Kühlluft verwendeten Druckluft und die eingesprühte Kühlwassermenge durch an sich bekannte Armaturen so zu bemessen, dass eine für die vollkommene Abdichtung ausreichende Kühlung gewährleistet ist. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung gemäss der Erfindung in einem Längs schnitt durch eine Flanschverschraubung dargestellt.
Zum Verbinden des Oberteils 11 und des Unter teils 12 des von der Isolationsschicht 9 umgebenden Dampfturbinengehäuses 1 und zum Abdichten der zwischenliegenden Teilfuge 13 dienen Flanschbol- zen 2, deren Kraft über die Rohrmuttern 21 und die Abstandsrohre 22 auf die Flanschhälften über tragen wird. Die Flanschbolzen 2 weisen jeweils eine zentrisch angeordnete Durchgangsbohrung 3 auf, die in an sich bekannter Weise als Kühlkanal für ein strömendes Kühlmittel verwendet wird.
Entsprechend der Erfindung wird als Kühlmittel Luft verwendet, welche mit Hilfe der aus der Treibdüse 4 ausströ menden Druckluft unmittelbar aus der Umgebung in das an der Unterseite des Flanschbolzens 2 angeordnete Einström-Rohrstück 5 angesaugt wird. Die Treibdüsen 4 für die an den verschiedenen Flanschbolzen angeordneten Kühleinrichtungen kön nen an eine gemeinsame Druckluftleitung 45 ange schlossen sein.
Die Kühlluft durchströmt dieses als Mischrohr wirkende Einström-Rohrstück, nimmt beim Durchlaufen der Durchgangsbohrung 3 des Flanschbolzens 2 Wärme auf und gelangt über das an der Oberseite angeordnete Ausström-Rohrstück 6 wieder an die äussere Atmosphäre. Die trichterförmig verengte Fangdüse 55 des Einström-Rohrstückes 5 und die diffusorförmige Erweiterung 65 des Aus- ström-Rohrstückes 6 sind dazu vorgesehen, um den Bedarf an Druckluft zur Erzeugung einer ausreichen den Kühlluftströmung möglichst niedrig zu halten.
Die vor dem Einström-Rohrstück 5 angeordnete Kühlwasser-Ringleitung 7 weist Zerstäubungsdüsen 71 auf, über welche Kühlwasser in den eintretenden Luftstrom versprüht werden kann. Diese Kühlwas- sereinspritzung dient zur Erhöhung der Kühlwirkung.
Die eingezeichneten Pfeile zeigen die Strömungs richtung des Kühlluftstromes.