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.
Device for cooling pierced flange screws The invention relates to a device for Küh len pierced flange screws or similar chen, a continuous cavity having connecting parts on the flanges of hocherhitz th pressure vessels, in particular steam or gas turbine housings with the help of a fluid which passes through the cavity this connec tion parts flows.
The flange screws or bolts used to connect the housing parts of steam or gas turbines are among the most highly stressed components of these machines. You have to transfer the force that results from the pressure difference acting on the housing and also apply the sealing force that is required to completely close the partial joint of the housing. In modern high-performance turbines, these parts are often exposed to such high temperatures during operation that the fatigue strength of even particularly heat-resistant steels drops sharply.
In order to ensure that the flange is sealed as evenly as possible in all operating conditions and to avoid overstressing in the butt joint flange and in its connecting parts, the changes in the temperature difference between the housing wall and the flange on the one hand and the connecting parts on the other hand in all operating conditions of the turbine are as extensive as possible excluded. With regard to the heat resistance of the flange bolts, it is, on the other hand, beneficial to keep the temperature of these connecting parts as low as possible after the turbine housing has reached its full operating temperature.
To meet these two requirements, various methods and designs for heating the flanges and for cooling or heating the flange connection parts have already been proposed. In most of these methods, heating or cooling is achieved by using appropriately arranged channels on these components a liquid, vapor or gaseous heating or cooling medium are flowed through. In the case of flange screws or flange bolts, the wall of the hollow space running in the longitudinal direction through the screw is generally used as the heat exchange surface.
Such cavities are primarily arranged so that these parts can be heated from the inside before they are shrunk.
It has become known to provide the fitting bolts with a hole in a steam turbine, in particular a high-pressure turbine, with housing parts braced against each other by fitting bolts, and to connect them to a special heating line, for the purpose of cutting the lengths by heating with flowing steam when the turbine is heated Change the fitting bolts to be able to adapt to the thermal expansion of the housing.
Furthermore, it has already been proposed to arrange a coaxial tube in the centrally located bores of flange connecting screws so that a free space remains between the outer wall of the tube and the wall of the bore. A coolant fed into the tube at one end of the screw shaft flows through this tube to its other end, is deflected there, then flows back in the free space outside the tube like that at the first-mentioned end and is discharged from there to the outside.
With these or similar devices, special feed lines, connecting lines between tween the individual flange connection parts and discharge lines are required to guide the coolant flow. Since the entire amount of coolant flows through the lines, they must be designed to be relatively large. Because of the lack of space, their accommodation, especially in the case of steam or gas turbine housings, often causes considerable difficulties.
In the usual designs from these facilities, it is necessary to circulate the entire amount of coolant by a pump, for which a correspondingly large pump power must be applied.
The device of the present invention is distinguished from these known Kühlein directions in that it is no longer necessary to supply and discharge the entire amount of coolant through a line system.
The invention consists in that an inflow pipe section is attached to the downwardly directed side of the connecting parts and an outflow pipe section is attached to the other side, so that the free ends of these pipe sections are connected to the outside atmosphere, that opposite a driving nozzle connected to a compressed air line is arranged at the free end of the inflow pipe section in such a way that the channel formed from the cavity and the two pipe sections acts as a mixing tube,
in which the compressed air flowing out of the drive nozzle entrains the air sucked in from the free atmosphere.
Air is therefore used as the means for cooling these connecting parts. It is sucked in directly from the surrounding atmosphere by the compressed air flowing out of the motive nozzle and this water is fed back directly. The amount of compressed air required to suck in is only a fraction of the total amount of air flowing through the cavity of the connecting parts. Accordingly, the line system for supplying the compressed air can be made much smaller and, because of the lower pressure and temperature, less rigid than the supply lines in the known devices,
often using steam as a coolant. Connection lines and discharge lines are no longer required at all. The power required to maintain the flow is significantly lower.
The elongation of the continuous cavity obtained by the two pieces of pipe causes a corresponding increase in the tensile effect of this channel. Even the stronger flow achieved in this way may be sufficient to achieve adequate internal cooling of the connec tion parts.
In a further embodiment of the invention, it is proposed to form the free end of the inflow pipe section in the form of a collecting nozzle and to extend the outwardly diffuser-shaped pipe section to the outside. Both shapes contribute to achieving the highest possible efficiency for the cooling device acting as a jet pump.
A further increase in the cooling effect can be achieved by arranging atomizing nozzles at the entry into the inflow pipe section through which cooling water is sprayed into the incoming air flow. The addition of feinver sprayed cooling water increases the heat transfer within the flow channel. In addition, the amount of heat required for partial or complete evaporation of the cooling water is removed from the connecting parts to be cooled.
The most important advantage of the present invention, however, is that, compared to the already known devices, it is far less difficult to attach this device to the flange connection parts in steam or gas turbines even during their operation, that is to say when the turbine housing is heated Today it has not yet been fully possible to seal the parting line of housings split in the axial plane for high pressure, high temperature turbines in such a way that complete security against leakage of this parting line is guaranteed even after any long operating time.
If such a leak occurs, it is essential to remove it safely, to take such a turbine out of operation for a longer period of time and to rework the relevant points on the contact surfaces of the partial joint or to take other measures to restore the leakage. In particular in the case of steam turbines that work for the public energy supply, an immediate shutdown of the turbine after such a leak occurs is in most cases not possible at all or only with great difficulty and high losses.
For such cases, the device according to the invention is particularly suitable to restore the tightness of the parting line even during operation of the turbine. The cooling achieved by the device causes a corresponding shrinkage of the flange connection parts. This shrinkage gently increases the sealing force generated by these connecting parts. The stress increased by the shrinkage tension can generally easily be absorbed by these parts, since the cooling increases the strength of the material.
In order to enable the cooling device to be installed during operation, it is proposed that the driving nozzle connected to the compressed air line and the atomizing nozzles connected to a cooling water line be fastened separately from the flange connection and the pressure vessel.
It is easily possible to measure the pressure and the amount of compressed air used to suck in and accelerate the external cooling air and the amount of cooling water sprayed in using known fittings so that sufficient cooling is ensured for perfect sealing. In the drawing, an embodiment of the device according to the invention is shown in a longitudinal section through a flange screw connection.
To connect the upper part 11 and the lower part 12 of the steam turbine housing 1 surrounded by the insulation layer 9 and to seal the intermediate joint 13, flange bolts 2 are used, the force of which is transmitted to the flange halves via the pipe nuts 21 and the spacer pipes 22. The flange bolts 2 each have a centrally arranged through-hole 3, which is used in a manner known per se as a cooling channel for a flowing coolant.
According to the invention, air is used as the coolant, which is sucked in directly from the environment into the inflow pipe section 5 arranged on the underside of the flange bolt 2 with the aid of the compressed air flowing out of the drive nozzle 4. The drive nozzles 4 for the cooling devices arranged on the various flange bolts can be connected to a common compressed air line 45.
The cooling air flows through this inflow pipe section, which acts as a mixing tube, absorbs heat as it passes through the through hole 3 of the flange bolt 2, and returns to the outside atmosphere via the outflow pipe section 6 on the top. The funnel-shaped constricted catching nozzle 55 of the inflow pipe section 5 and the diffuser-shaped widening 65 of the outflow pipe section 6 are provided in order to keep the requirement for compressed air to generate a sufficient flow of cooling air as low as possible.
The cooling water ring line 7 arranged in front of the inflow pipe section 5 has atomizing nozzles 71 via which cooling water can be sprayed into the incoming air stream. This cooling water injection serves to increase the cooling effect.
The arrows shown show the flow direction of the cooling air flow.