DE19618588A1 - Temperatursonde - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Temperaturmeß­ technik. Sie betrifft eine Temperatursonde, wie sie im Oberbegriff des ersten An­ spruchs beschrieben ist.

TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK

Beim Betrieb von Strömungsmaschinen, insbesondere Dampfturbinen, ist es meist notwendig, die betriebsmäßigen Temperaturen von Turbineninnen- und Turbinenaußengehäusen zu messen. Diese Temperaturmessungen dienen unter anderem der Überwachung von thermischen Differenzdehnungen zwischen dem Turbineninnen- und Turbinenaußengehäuse.

Temperatursonden für die Messung an Turbinenaußengehäusen sind im Ver­ gleich zu Temperatursonden für die Messung an Turbineninnengehäusen einfach und hinlänglich bekannt. Auch für die Temperaturmessung an Turbineninnenge­ häusen sind bereits Temperatursonden vorgeschlagen worden, die in entspre­ chende Öffnungen am Außengehäuse eingesetzt werden können. Allerdings weisen diese Temperatursonden eine aufwendige Konstruktion auf, da sie erheb­ lichen mechanischen Anforderungen unterworfen sind. Die Temperatursonden für Turbineninnengehäuse sind nämlich am Außengehäuse befestigt und ragen mit ihrem eigentlichen Temperaturmeßelement durch den von Dampf durchströmten Raum zwischen Außen- und Innengehäuse bis zu einer guten thermischen Kon­ taktstelle am Innengehäuse. Hierbei unterliegen die Temperatursonden dem Druck der Dampfströmung sowie weiteren mechanischen Belastungen durch thermische Differenzdehnungen zwischen Außen- und Innengehäuse. Diese Differenzdehnungen fordern von einer am Außengehäuse fixierten Temperatur­ sonde ein gewisses Maß an Bewegungsfreiheit für den in das Innengehäuse ragende Teil der Sonde. Um einer möglichen Bruchgefahr vorzubeugen ist die Temperatursonde nicht an beiden Gehäuseteilen, dem Außen- und dem Innen­ gehäuse, fixiert. Es ist deshalb üblich, das Meßelement einer Temperatursonde mit seiner planen Meßelementspitze lediglich auf einer ebenfalls planen Kontakt­ fläche in einer Bohrung des Innengehäuses aufliegt zu lassen. Die Kontaktfläche stellt hier zumeist einen Kreisflächenkontakt dar.

Treten nun aber beispielsweise Verschiebungen aufgrund thermischer Differenz­ dehnungen auf, so kann sich dieser Kreisflächenkontakt durch Abheben oder Schrägstellen der Meßelementspitze auf einen erheblich kleineren Punktkontakt reduzieren.

Dies kann zu einer Verzögerung und Verfälschung der Temperaturmessung füh­ ren, da der Wärmeübergangswiderstand des Punktkontaktes erheblich größer ist als ein Kreisflächenkontakt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Temperatursonde der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß selbst unter Bereitstellung der geforderter Bewegungsfreiheit und unter Berücksichtigung einer möglichen Verschiebung aufgrund thermischer Differenzdehnungen eine größere Be­ rührungskontaktfläche bereitgestellt wird, wodurch die oben genannten Probleme beseitigt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.

Der Kern der Erfindung ist also darin zu sehen, daß die Sondenspitze mit dem Bohrungsgrund selbst bei kleinen geometrischen Verschiebungen aufgrund ther­ mischer Differenzdehnungen dennoch eine ringförmige Berührungskontaktfläche aufweist.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Sondenspitze kegelstumpfförmig aus­ geformt ist. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist die Ver­ wendung einer ballig ausgeformten Sondenspitze, welche ebenfalls eine ringför­ mige Berührungskontaktfläche mit dem Bohrungsgrund aufweist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusam­ menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch ein Außen- und ein Innengehäuse ei­ ner Strömungsmaschine mit einer eingebauten Temperatursonde;

Fig. 2 eine vergrößerte Längsschnittdarstellung einer Sondenspitze der Temperatursonde mit kegelstumpfförmiger Form;

Fig. 3 eine vergrößerte Längsschnittdarstellung der Sondenspitze mit bal­ liger Form.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt ist beispielsweise der Einbauort der Temperatursonde entlang einer Strömungsmaschine mit Außen- und Innengehäuse. Desweiteren ist der Anschluß des Meßelementes außerhalb des Außengehäuses an eine Meß­ werterfassungseinheit nicht dargestellt.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt den eingebauten Zustand einer Temperatursonde 1 in einem doppel­ schaligen Turbinengehäuse, welches hier vereinfacht in einem Teilschnitt eines Turbineninnengehäuses 12, eines Dampfzwischenraumes 29 und eines Turbi­ nenaußengehäuses 13 dargestellt ist. Üblicherweise ist ein die Temperatursonde enthaltenes Meßelement 3 als Thermoelement ausgeführt. Im oberen Bereich ist das Meßelement 3 in einer Bohrung 11 einer Durchführung 8 fixiert. Das Meß­ element 3 und die Durchführung 8 sind hier mittels Hartlot verlötet.

Die Durchführung 8 weist an seinem Außenmantel ein Gewinde 10 auf und hat des weiteren an seinem unteren Ende einen Flanschansatz 9. Unmittelbar unter­ halb des Flanschansatzes 9 ist das Meßelement 3 derart gebogen angeordnet, daß sich eine schraubenförmige Wendel 7 ausbildet. Unterhalb der Wendel 7 ist das Meßelement 3 wieder koaxial zur Längsachse der Bohrung 11 in der Durch­ führung 8 angeordnet. Hintereinanderfolgend ist das Meßelement 3 unterhalb der Wendel 7 bis zu einer Meßelementspitze 4 umgeben von einer Schrauben­ druckfeder 6, einem Federteller 5 und einem Versteifungsrohr 2. Die Schrauben­ druckfeder 6 liegt auf dem Federteller 5. Der Federteller 5 ist fest mit dem Ver­ steifungsrohr 2 verbunden und ist somit in der Lage eine im Folgenden näher er­ läuterte Krafteinwirkung der Schraubendruckfeder 6 in Richtung der Längsachse des Meßelementes 3 auf das Versteifungsrohr 2 zu übertragen. Das Verstei­ fungsrohr 2 leitet diese Krafteinwirkung mittelbar bis zur Meßelementspitze 4 weiter. Hierfür ist die Meßelementspitze 4 in einer Sondenspitze 30 verlötet, wel­ che ihrerseits mit dem Versteifungsrohr 2 verlötet ist.

Bis zu einem Bohrungsgrund 19 ist die Temperatursonde 1 mit der Meßelement­ spitze 4 in einer Bohrung 18 des Turbineninnengehäuses 12 eingesetzt. Die Son­ denspitze 30, welche die Meßelementspitze 4 umgibt, weist dabei einen direkten Berührungspunkt mit dem die Temperaturmeßstelle darstellenden Bohrungs­ grund 19 auf.

Die Bohrung 18 ist so tief, daß einerseits die Temperaturmeßstelle, also der Bohrungsgrund 19, in unmittelbarer Nähe zu einer Innenwand 31 des Turbinenin­ nengehäuses gelegen ist, und daß andererseits der in der Turbine herrschende Druck ohne Deformation oder Zerstörung des Bohrungsgrundes 19 gehalten wer­ den kann. Die Temperaturmessung kann hierdurch bis auf eine Fehlerab­ weichung kleiner 1% des zu messenden Temperaturwertes für die Innenwand 31 des Turbineninnengehäuses 12 durchgeführt werden.

Die Bohrung 18 mündet nach oben in eine erweiterte Bohrung 17 des Turbinenin­ nengehäuse. In dieser Bohrung 17 ist ein erstes Ende eines Schutzrohres 14 mit einem balligen Sitz 15 angeordnet. Das Schutzrohr 14 ummantelt die Tempera­ tursonde 1 im gesamten Dampfzwischenraum 29 bis zu einer Bohrung 20 im Tur­ binenaußengehäuse 13. In dieser Bohrung 20 ist ein zweites Ende des Schutz­ rohres 14 ebenfalls mit einem balligen Sitz 16 angeordnet. Das Außengehäuse 13 und das Innengehäuse 12 sind üblicherweise aus einer ferritischen Stahlle­ gierung hergestellt und das Schutzrohr 14 aus einer austenistischen Stahlle­ gierung. Ziel dieser Materialwahl ist die Ausnutzung der unterschiedlichen thermi­ schen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien. Da sich mit stei­ gender Betriebstemperatur das Schutzrohr 14 aus der Austenit-Legierung stärker ausdehnt als die Gehäuseteile 12 und 13, dichten die balligen Sitze 15 und 16 gegen die Bohrungen 17 und 20 dampfdicht ab. Dennoch sind die Gehäuseteile in der Lage sich gegeneinander in üblicher Weise aufgrund thermischer Diffe­ renzdehnungen und mechanischer Belastungen zu verschieben, da diese Ver­ schiebungen von den balligen Sitzen 15 und 16 des Schutzrohres 14 ausgegli­ chen werden. Desweiteren weisen die balligen Sitze 15 und 16 mit den Gehäu­ seteilen 12 und 13 eine im Vergleich zur beschriebenen Ausführung im Stand der Technik derart kleine Berührungsfläche auf, daß eine Wärmeübertragung zwi­ schen dem Schutzrohr 14 und den Gehäuseteilen 12 und 13 stark eingeschränkt wird, und somit eine Beeinflussung der zu messenden Temperatur am Innenge­ häuse 12 weitestgehend vernachlässigbar ist.

Oberhalb des Schutzrohres 14 ist in der Bohrung 20 des Außengehäuses 13 eine Federbüchse 21 angeordnet, die mit einem Anschlagflansch 22 in einer weiteren Bohrung 32 des Außengehäuses 13 abschließt. Der Anschlagflansch 22 ist so ausgebildet, daß zum einen für die von der Federbüchse 21 umgebene Schraubendruckfeder 6 der Temperatursonde 1 eine Auflageringfläche vorhanden ist, und zum anderen eine Distanzhülse 23 über den Anschlagflansch 22 die Schraubendruckfeder 6 nach unten drückt und damit vorspannt.

Aus Montagegründen ist die Federbüchse 21 mit dem Anschlagflansch 22 in einer bezüglich der Zentralachse der Bohrung 20 axialen Ebene geteilt. Bei der Mon­ tage wird die zweiteilige Federbüchse 21 um die Schraubendruckfeder 6 gelegt wobei sich die Schraubendruckfeder 6 auf der Innenseite des Federbüchse 21 gegen den Anschlagflansch 22 abstützt.

Zwischen der Federbüchse 21 und dem Schutzrohr 14 ist in axialer Richtung der Bohrung 20 genügend Raum für die unterschiedliche thermische Ausdehnung des Außengehäuses 13, des Schutzrohres 14 und der Federbüchse 21 vorgesehen.

In der Bohrung 32 des Außengehäuses 13 ist die spiralförmige Wendel 7 der Temperatursonde 1 lokalisiert. Verschlossen wird diese Bohrung 32 mit einem eine Bohrung 33 aufweisenden Flansch 24. Mittels Verschraubungen 28 ist der Flansch 24 an dem Außengehäuse 13 fixiert, wobei mit dem Flansch 24 eine Distanzhülse 23, die die Wendel 7 in der Bohrung 32 umgibt, zwischen dem Flansch 24 und dem Anschlagflansch 22 eingefaßt ist. Das Verschrauben des Flanschs 24 an dem Außengehäuse 13 drückt also mittels Distanzhülse 23 den Anschlagflansch 22 in Richtung des Bohrungsgrund der Bohrung 32. Die Schrau­ bendruckfeder 6 welche sich auf der Unterseite des Anschlagflansches 22 gegen denselben abstützt, drückt nun die Temperatursonde 1 über den Federteller 5 gegen den Bohrungsgrund 19. Diese Maßnahme gewährleistet in jedem Be­ triebszustand der Turbine einen sicheren Berührungskontakt der Temperatur­ sonde 1 mit der Meßstelle am Innengehäuse 12.

Fig. 2 zeigt im vergrößerter Darstellung die Berührungskontaktfläche zwischen der Sondenspitze 30 und dem Bohrungsgrund 19 der Bohrung 18. Hierfür weist der Bohrungsgrund 19 eine kegelartige Form auf, und die Sondenspitze 30 ist als Kegelstumpf ausgebildet. Der Kegelwinkel des Bohrungsgrundes 19 und der Ke­ gelwinkel des Kegelstumpfes an der Sondenspitze 30 sind gleich, so daß die Berührungskontaktfläche zwischen beiden eine Ringform ausbildet. Führen nun thermische Differenzdehnungen zwischen dem Außen- und dem Innengehäuse, wie sie bereits beschrieben wurden, zu einer leichten Schrägstellung der Tempe­ ratursonde 1 bezüglich der Bohrung 18, so bleibt dennoch eine ringförmige Kon­ taktfläche zwischen der Sondenspitze 30 und dem Bohrungsgrund 19 erhalten. Diese Berührungskontaktfläche ist weiterhin groß genug, Meßfehler, die durch Abheben der Sondenspitze 30 von einer Meßstelle oder durch Reduktion des Berührungskontaktes auf einen Punktkontakt entstehen, zu eliminieren.

Fig. 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Sondenspitze 30. Hier ist die Sondenspitze 30 ballig ausgeformt, und bildet mit dem kegelförmi­ gen Bohrungsgrund 19 eine ringförmige Berührungskontaktfläche.

Zum Einsatz kommen für die Meßelemente 3 in der Temperatursonde 1 vor allem Thermoelemente mit einem Einsatzbereich bis zu mehreren 100°C. Dabei kön­ nen aus Redundanzgründen auch mehrere Thermoelemente in einer Temperatur­ sonde 1 angeordnet sein.

Als Einbauort solcher Temperatursonden 1 sind vor allem doppelschalig aufge­ baute Dampfturbinengehäuse vorgesehen. Desweiteren ist die Verwendung in anderen doppelschalig aufgebauten Gehäuse denkbar.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist beispielsweise auch ein Kegelwinkel der Sondenspitze 30 denkbar im Sinne der Erfindung, welcher sich vom Kegelwinkel des Bohrungsgrundes 19 unterscheidet.

Bezugszeichenliste

1 Temperatursonde
2 Versteifungsrohr
3 Meßelement
4 Meßelementspitze
5 Federteller
6 Schraubendruckfeder
7 Wendel
8 Durchführung
9 Flanschansatz
10 Gewinde
11 Bohrung
12 Innengehäuse
13 Außengehäuse
14 Schutzrohr
15 balliger Sitz
16 balliger Sitz
17 Bohrung
18 Bohrung
19 Bohrungsgrund
20 Bohrung
21 Federbüchse
22 Flanschansatz
23 Distanzhülse
24 Flansch
25 Dichtung
26 Mutter
27 Verdrehsicherung
28 Verschraubung
29 Dampfzwischenraum
30 Sondenspitze
31 Innenwand
32 Bohrung
33 Bohrung

Claims (3)

1. Temperatursonde (1), insbesondere für den Einsatz an einem Innengehäuse (12) einer Strömungsmaschine, welche aus dem Innengehäuse (12) und ei­ nem Außengehäuse (13) aufgebaut ist, wobei die Temperatursonde (1) ein Meßelement (3) mit einer Meßelementspitze (4) umfaßt, wobei die Meß­ elementspitze (4) in einer Sondenspitze (30) endet und die Sondenspitze (30) den Bohrungsgrund (19) einer Bohrung (18) des Innengehäuses (12) kontak­ tiert, dadurch gekennzeichnet,
daß die Bohrung (18) einen kegelförmigen Bohrungsgrund (19) aufweist, und
daß die Sondenspitze (30) mit dem kegelförmigen Bohrungsgrund (19) eine ringförmige Berührungsfläche aufweist.

2. Temperatursonde (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenspitze (30) kegelstumpfförmig ausgeformt ist.

3. Temperatursonde (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenspitze (30) ballig ausgeformt ist.