Verfahren zur Reduzierung der Spannungen in der Wand eines Hohlkörpers Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Redu zierung der Spannungen in der Wand eines Hohl körpers, der ein hohe Temperatur und hohen Druck aufweisendes Mittel enthält und aussen durch ein strömendes Mittel niedrigerer Temperatur gekühlt wird.
Es ist eine Rohrleitung bekannt, bei der ein ein heisse Gase oder Dämpfe führendes Seelenrohr unter Zwischenschaltung wärmeisolierender Stoffe umhül lendes, druckfestes Rohr zwecks Verringerung seiner Wärmedehnung im Abstand von einem Aussenrohr umhüllt ist, zur Bildung eines von einem Kühlmittel durchflossenen Hohlraumes.
Weiter ist es bekannt, dampfführende Teile einer Hochdruck-Heissdampf-Turbinenanlage, die hohem Druck und hoher Temperatur ausgesetzt sind, mit einem Kühlmantel zu umgeben, dessen Mantelräu men Kühldampf zugeführt wird. Es ist dabei beab sichtigt, Wärmedehnungen und Wärmespannungen klein zu halten.
Bei einem solchen Vorgehen sind jedoch allein die Spannungen infolge der Wärme berücksichtigt. Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu ver meiden und eine noch günstigere Beanspruchung hohen Temperaturen und hohen Drücken ausgesetzter Bauteile zu ermöglichen. Bei einem Hohlkörper der eingangs beschriebenen Art wird zu diesem Zweck erfindungsgemäss die Kühlung so bemessen, dass die sich aus dem Druck- und Temperaturunterschied der auf der inneren und äusseren Seite der Wand befind lichen Mittel ergebende Beanspruchung der Wand an deren äusseren Oberfläche zumindest angenähert gleich gross ist wie an deren inneren Oberfläche.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Spannungen bei einem Hohlkörper längs der Wanddicke stark unterschiedlich sind und für die Be anspruchung infolge Innendrucks von innen nach aussen abnehmen, während aus der Beanspruchung infolge Wärme innen Druckspannungen und aussen Zugspannungen entstehen, die Spannungen also von innen nach aussen zunehmen. Da der Spannungsver lauf in beiden Fällen angenähert geradlinig ist, wird als Folge der erfindungsgemässen Massnahme die Summe beider Spannungen über die ganze Wanddicke hin praktisch gleiche Höhe haben.
Für die Wand des Hohlkörpers ergibt sich so eine gleichmässige, sehr günstige Beanspruchung, was sich besonders bei dick wandigen Rohren und Gehäusen vorteilhaft auswirkt.
Der Bestimmung der genannten Beanspruchungen der Wand an der inneren und äusseren Oberfläche können beispielsweise die Tangentialspannungen oder die Vergleichsspannungen zugrunde gelegt werden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes in vereinfachter Darstellung veranschaulicht. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch eine Rohrleitung für hocherhitzten Hochdruckdampf und Fig.2 einen Ausschnitt aus der Wand der in Fig. 1 dargestellten Rohrleitung in grösserem Mass stab mit eingezeichneten Spannungen.
Die Rohrleitung weist ein Rohr 1 auf, das auf der Innenseite gegenüber dem heissen Dampf durch ein Seelenrohr 2 und durch zwischen diesem und dem Rohr 1 befindlichen, als Isoliermittel dienenden, stagnierenden Dampf isoliert ist. Um das Rohr 1 ist ein Mantelrohr 3 angebracht. Das Kühlmittel fliesst im Zwischenraum zwischen dem Mantelrohr 3 und dem Rohr 1. An Stelle des Mantelrohres 3 könnten jedoch auch andersartige Hohlräume für den Kühl mittelstrom bildende Elemente - angeordnet werden.
In der Fig. 2 sind über einem Radialstrahl x die verschiedenen Tangentialspannungen in der Rohr wand 1 aufgetragen. Die vom Innendruck (dem Druck des Dampfes) herrührende Zugspannung ist dabei mit aD, die von der Wärmebeanspruchung (Temperaturunterschied zwischen Dampf und Kühl mittel) bewirkte Spannung mit aw, die durch Über lagerung der beiden Spannungen 6D und a\v sich er gebende resultierende Spannung mit UR bezeichnet.
Die Kühlung ist beispielsweise durch Regelung der Menge und der Temperatur des Kühlmittels so bemessen, dass die Spannung aR an der äusseren Ober fläche der Wand gleich gross ist wie die Spannung GR an der inneren Oberfläche, womit die resultierenden Spannungen ap, über die ganze Wanddicke praktisch gleich gross sind.
Zur selbsttätigen Regulierung der Kühlung kön nen Einrichtungen vorgesehen werden, die die Tem peratur der äusseren undioder inneren Oberfläche der Wand messen, und Einrichtungen, die die Kühl wirkung, beispielsweise den Kühlmitteldurchsatz, den Messungen entsprechend regulieren.
Method for reducing the stresses in the wall of a hollow body The invention relates to a method for reducing the stresses in the wall of a hollow body, which contains a high temperature and high pressure agent and is cooled outside by a flowing agent of lower temperature.
A pipeline is known in which a core tube carrying a hot gases or vapors with the interposition of heat-insulating substances enveloping, pressure-resistant tube to reduce its thermal expansion at a distance from an outer tube to form a cavity through which a coolant flows.
It is also known to surround steam-carrying parts of a high-pressure superheated steam turbine system that are exposed to high pressure and temperature with a cooling jacket, the jacket of which is supplied with cooling steam. It is intended to keep thermal expansion and thermal stress small.
With such a procedure, however, only the stresses due to the heat are taken into account. The aim of the invention is to avoid this disadvantage and to allow components exposed to high temperatures and high pressures to be used even more favorably. In the case of a hollow body of the type described at the outset, for this purpose the cooling is dimensioned according to the invention so that the stress on the wall on its outer surface resulting from the pressure and temperature difference between the means on the inner and outer sides of the wall is at least approximately the same is like on their inner surface.
The invention is based on the knowledge that the stresses in a hollow body are very different along the wall thickness and decrease for the loading due to internal pressure from the inside to the outside, while the stress due to heat results in compressive stresses on the inside and tensile stresses on the outside, i.e. the stresses from the inside increase outwards. Since the tension curve is approximately straight in both cases, as a result of the measure according to the invention the sum of the two tensions will have practically the same height over the entire wall thickness.
For the wall of the hollow body, this results in a uniform, very favorable stress, which is particularly advantageous in the case of thick-walled pipes and housings.
The determination of the mentioned stresses on the wall on the inner and outer surface can be based, for example, on the tangential stresses or the equivalent stresses.
In the drawing, an embodiment of the subject matter of the invention is illustrated in a simplified representation. 1 shows a section through a pipeline for highly heated high-pressure steam and FIG. 2 shows a detail from the wall of the pipeline shown in FIG. 1 on a larger scale with the stresses drawn.
The pipeline has a pipe 1 which is insulated on the inside from the hot steam by a core pipe 2 and by stagnant steam that is located between this and the pipe 1 and serves as an insulating means. A jacket pipe 3 is attached around the pipe 1. The coolant flows in the space between the jacket tube 3 and the tube 1. Instead of the jacket tube 3, however, other types of cavities for the cooling medium flow elements could also be arranged.
In Fig. 2, the various tangential stresses in the pipe wall 1 are plotted on a radial beam x. The tensile stress resulting from the internal pressure (the pressure of the steam) is denoted by aD, the tension caused by the thermal stress (temperature difference between steam and coolant) is denoted by aw, the resulting tension resulting from the superposition of the two tensions 6D and a \ v marked with UR.
The cooling is dimensioned, for example, by regulating the amount and the temperature of the coolant, so that the tension aR on the outer surface of the wall is the same as the tension GR on the inner surface, so that the resulting tension ap is practically over the entire wall thickness are the same size.
For automatic regulation of the cooling, devices can be provided that measure the temperature of the outer and / or inner surface of the wall, and devices that regulate the cooling effect, for example the coolant throughput, according to the measurements.