DE3106932A1 - Tragkonstruktion in feststehender bauart (stator) fuer die speichermasse regenerativer luftvorwaermer mit senkrechter welle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verbesserung der Abdichtverhältnisse der Tragkonstruktion in feststehender Bauart für die Speichermasse regenerativer Luftvorwärmer mit senkrechter Welle.

Der regenerative Luftvorwärmer hat gegenüber dem rekuperativen Lufterhitzer neben seinen überragenden Vorteilen den Nachteil der grösseren Leckage. Es liegt also hier das Problem vor, die Undichtheiten so klein wie möglich zu halten. Bei Durchmessern bis 8 Meter lassen sich die Leckagen ohne Komplikationen in zulässigen Grenzen halten. Darüber hinaus macht sich die Verformung (Bombierung) des Stators im Betriebszustand so erheblich bemerkbar, dass besondere Massnahmen zur Verbesserung der Abdichtverhältnisse getroffen werden müssen.

Infolge Bombierung des Stators wird nämlich die gesamte Lagerung der sich drehenden Lufthauben und damit die Dichtleisten am Umfang um die Bombierungsgrösse gegenüber der Stirnseite des Stators verschoben. Es handelt sich hierbei je nach Durchmessergrösse, Temperaturverhältnissen und Statorhöhen um beachtliche Werte von 50 mm und mehr.

Man hat vorgeschlagen, die Tragkonstruktion aus mehreren konzentrisch ineinander angeordneten Teileinheiten zusammenzusetzen, bei denen untereinander Zwischenräume vorgesehen sind um Wärmespannungen auszugleichen mit dem Ziel, die Verformung des Stators im Betriebszustand zu verkleinern, was sich in der vorgeschlagenen

Form als nicht stichhaltig herausgestellt hat. Man hat auch die verschiedenartigsten Vorschläge gemacht, um die Spaltvergrösserung im Betriebszustand zu korrigieren. Man verwendet zum Beispiel von den Heizgasen umströmte Dehnungsstäbe mit hohem Ausdehnungskoeffizienten, die über eine Hebelübersetzung die Lage der Dichtleistenaufhängung und damit die Spaltgrösse beeinflussen. Leider haben diese Einrichtungen den Nachteil, dass sie nur auf der heissen Seite des Stators angewendet werden können, auf der kalten Seite nur mit komplizierten Zusatzeinrichtungen.

In ähnlicher Weise wirken geschlossene Metallfaltenbälge, die zusätzlich an den Federbolzen angebracht sind und deren Gasfüllung dem Temperatureinfluss der Betriebsgase unterliegen.

Man hat auch vorgeschlagen, die Dichtrahmen - Umfangsteile der Lufthauben mittels Zug - bezw. Stützanker an einem zentrisch zur Welle sich drehenden Lagergehäuse ortsfest aufzuhängen, um auf diese Weise die Abdichtungsspalte unabhängig von den der Bombierung unterliegenden Lufthauben konstant zu halten. Auch diese Lösung hat Nachteile und erfordert erheblichen Aufwand.

Bei der vorliegenden Erfindung wird von solchen zusätzlichen Hilfseinrichtungen Abstand genommen und das Problem an der Wurzel angefasst, nämlich den Stator so zu bauen, dass im Betriebszustand die Bombierung vermieden, bzw. regeltechnisch beeinflusst werden kann. Bei dem vorliegenden Vorschlag wird auch von einer an sich bekannten Unterteilung des Heizflächträgers ausgegangen, aber in der Weise, dass auch der Kern oder der Kern alleine von den Radialwänden getrennt und mit diesen verschiebbar verbunden wird, sodass sie sich unter Temperaturveränderungen frei ausdehnen können, um eine spannungsfreie Konstruktion zu erzielen.

Erfindungsgemäß wird nun der zylindrische Statormantel, der wie üblich auf der Aussenseite durch Isolation weitgehend gegen Wärmeverluste geschützt ist, auch auf der Innenseite durch zweckentsprechende Isolation den wärmeübertragenden Mittel so weit entzogen, dass im Betriebszustand die Kegelform des Statormantels mit dem Neigungswinkel der gekrümmten Radialwände übereinstimmt.

Im Montagezustand bilden die Stirnseiten des Heizflächenträgers jeweils eine genaue ebene Fläche, sodass die Dichtleistenrahmen der umlaufenden Lufthauben ihre abdichtenden Aufgabe einwandfrei erfüllen können, wenn sie wie üblich mittels Federbolzen elastisch am Haubenrahmen aufgehängt werden. Im Betriebszustand nimmt jedoch der Stator üblicher Konstruktion auf der Gaseintrittseite eine konvexe, auf der Lufteintrittseite eine konkave Oberflächenform an. Die Grösse dieser Bombierung hängt von dem Temperaturunterschied der ein- und austretenden Gase, der Stator Höhe und dem Stator Durchmesser ab. Bei der Bombierung wird bei dem Stator üblicher Konstruktion der Kern mit der Lagerung der Lufthauben um die Wölbungshöhe angehoben, das heisst, die Dichtleistenspalte werden am Umfang der Lufthauben auf der heissen Seite vergrössert und auf der kalten Seite auf das gleiche Mass verkleinert.

Bei der vorgeschlagenen Konstruktion findet keine Bombierung im bisherigen Sinne statt, der Kern bleibt relativ zum Statorflansch in der gleichen Höhe wie im kalten Zustand liegen. Bei der alten Konstruktion wölbt sich der Statordurchmesser, während sich bei der vorgeschlagenen Konstruktion nur die Radialwände von der Länge krümmen, wenn D = Statordurchmesser

K = Kerndurchmesser

bedeutet.

In der Praxis errechnet sich bei einem Statordurchmesser von 15 Meter und einem Temperaturunterschied von 260 °C und einer Statorhöhe von 2 Meter für die alte Konstruktion eine Bombierung von 43 mm, für die neue Konstruktion eine Krümmungs-Stichhöhe der Wände von 6 mm. Dieser Wert ist so geringfügig, dass er durch entsprechende Einstellung der radialen Teile der Dichtleisten leicht korrigiert werden kann.

Eine nähere Beschreibung der Erfindung wird in den folgenden Skizzen gegeben.

Es zeigen:

Fig. 1 Die Bombierung eines Stators üblicher Bauart.

Fig. 2 Die Krümmung der Radialwände bei einem Stator nach der vorgeschlagenen Bauart.

Fig. 3 Die Verformung der Radialwand bei einem Stator der vorgeschlagenen Bauart, bei dem der Kern mit der Radialwand nicht verbunden ist.

Fig. 4 Den oberen Teil des Statormantels mit isoliertem Flansch, gekühltem Mantelteil und dehnbarem Gehäuseanschlussflansch.

Fig. 5 Den isolierten Statormanteil mit Kühlzone und dem von den Radialwänden getrennten Kernteil.

Fig. 6 Die schiebbare Verbindung des Kernteiles mit den Radialwänden und die spannungslose Anordnung der Ringwände zwischen den Radialwänden.

In Fig. 1 bezeichnet 1 den Statormantel mit den Flanschen 2 und dem Kern 3, wobei die heissen Gase in Richtung "A" von oben in den Stator mit den eingelagerten Heizflächenpaketen 5 einströmen. Mit 4 sind die koaxial angeordneten Ringwände zwischen den vom Statormantel bis zum Kern verlaufenden Radialwänden 11 bezeichnet.

Die bei der Montage genau horizontal verlaufenden Stirnwände, mit 6 ist die untere und mit 7 die obere bezeichnet, wölben sich im Betriebszustand zu einer Kugelkalotte gemäss 6´ bzw. 7´ wie gestrichelt angedeutet. Die Stichhöhe dieser Verformung 8 verändert die Spaltgrössen der Umfangsdichtleisten um diesen Wert, woraus sich die Bedeutung dieser Verformung ergibt.

In der Fig. 2 ist dargestellt, wie sich die Verformung des Stators nach der vorgeschlagenen Methode ändert.

Es tritt nicht mehr eine kugelkalottenförmige Verformung über den gesamten Statordurchmesser ein, sondern die Verformung wird nur auf die Radialwände reduziert. Die Krümmungsstichhöhe ist mit 10 bezeichnet, ihr Wert reduziert sich auf eine unerhebliche Grösse gemessen an der Bombierungsstichhöhe 8.

Um dies zu erreichen, ist die erfindungsgemässe Massnahme in Fig. 3 erläutert. Sie zeigt eine Radialwand 11, die einerseits gegenüber dem Kern 3 ein Abstand "a" besitzt. Im Betriebszustand krümmt sie sich gemäss dem Bogen 9 mit der Stichhöhe 10. Die Seitenkanten der Radialwände nehmen eine schräge Lage ein und bilden mit der ursprünglichen Vertikalen den Winkel "kleines Alpha". Die Lösung der Erfindung besteht darin, dem Statormantel durch zweckmässige Innen-Isolation eine solche Konizität zu geben, dass er die gleiche Neigung aufweist. Ist das erreicht, so tritt keine Lagenveränderung des Kernes gegenüber den Statorflanschen ein, d.h. die im Kern gelagerten Lufthauben mit ihren Dichtleisten ändern ihre Abdichtungsspaltgrössen nicht. Die Längenänderung der Radialwand erfolgt ungehindert in Richtung zum Kern, wo ein Spalt "a" vorgesehen ist und nur der Reibungswert zwischen Kernbelastung und Radialwandauflagerung überwunden werden muss.

In der Fig. 5 ist auf der linken Seite die Isolierung des Statormantels und die Ausbildung seines Oberteiles dargestellt. Mit 1 ist der Mantel und mit 20 die Innenisolierung bezeichnet. Der untere Teil des Mantels mit dem unteren Flansch 2 ist ohne Innenisolierung gelassen, damit dieser Teil die an der unteren Stirnseite herrschende mittlere Gaslufttemperatur beibehält. Diese entspricht also der Temperatur eines Stators normaler Bauart. Die äussere Isolierung 18 wird man möglichst stark ausführen, um die Wärmeverluste klein zu halten. Der obere Flansch 2 wird ebenfalls von der Isolierung 20 umfasst, während der darüber befindliche Anschlussflansch 12, an dem das Rauchgasgehäuse 19 anschliesst, den Temperaturen der Gase ausgesetzt ist und sich frei dehnen kann wie in der Fig. 4 noch näher erläutert wird.

Wäre keine Innenisolierung 20 vorgesehen, so würde der Mantel eine um wenige Grade niedriger liegende Temperatur der Gas-Lufttemperatur annehmen. Der Wärmeübergangswert von den Gasen an die Statorwand liegt infolge der relativ hohen Geschwindigkeit sehr hoch. Die von den Gasen aufgenommene Wärme fliesst von dem Mantel über seine Versteifungen und Isolierung 18 an die Aussenluft und teilweise über den Mantel selbst in den unteren Teil zum Flansch 2 und den Statorpratzen 26 ab.

Die Innenisolierung wird nun so gemessen, dass der Mantel im oberen Teil und darunter eine niedrigere Temperatur annimmt, die der gewünschten Konizität der Radialwandneigung gemäss Winkel "kleines Alpha" entspricht. Bei der Nachrechnung wird sich ergeben, ob es zweckmässig ist, die Innenisolierung gestuft auszuführen wie in der Skizze angedeutet. Durch die Innenisolierung werden die Gesamt-Wärmeverluste in wünschenswerter Weise weiter verringert.

Ist die gewünschte Konizität des Statormantels erreicht, so bleibt die Oberkante des Kernes in der gleichen Höhe des Anschlussflansches 12 liegen. Das gleiche gilt für die untere Kernplatte 22 mit Bezug auf den unteren Satorflansch. Ist die Konizität zu stark, d.h. Winkel "kleines Alpha" zu gross, wird der Kern mit der Lagerung angehoben, was zur Folge hat, dass der Spalt der Umfangsdichtleiste grösser wird. Ist die Konizität zu schwach d.h. Winkel "kleines Alpha" zu klein, so wird der Dichtspalt am Umfang kleiner, d.h. die Umfangsdichtleiste schleift auf dem Anschlussflansch 12. Wenn der Spalt auf der oberen Stirnseite grösser wird, so vermindert er sich auf der unteren Stirnseite und umgekehrt.

Mit der Beeinflussung der Konizität hat man also ein Mittel in der Hand, den Dichtspalt von aussen zu ändern. Zu diesem Zweck ist der Obere Teil des Statormantels mit einer ringförmig den Mantel umfassenden Kammer 16 versehen, die auch die Unterseite des oberen Flansches 2 umfasst. Diese Kammer hat Anschlüsse 17, durch die man Kaltluft von der Eintrittseite des Lufterhitzers einführen kann, um den Manteloberteil zu kühlen und die Kühlluft über den Anschluss 15 an geeigneter Stelle abzuführen und sie den eintretenden Rauchgasen wieder zuzuführen, um die aufgenommene Wärme wieder nutzbar zu machen. Bei zu geringer Konizität könnte man umgekehrt auch heisse Luft der Kammer zuführen, um den

Statormantel stärker aufzuheizen und damit den Dichtspalt zu vergrössern.

Die Zufuhr und Abfuhr der Regelluft hat natürlich zweckmässig gut verteilt zu erfolgen, damit der Mantel über seinen ganzen Umfang wirkungsvoll und gleichmässig bestrichen wird. Dazu müssen die Strömungsquerschnitte der Kammer 16 so bemessen werden, dass durch hohe Geschwindigkeit der Kühlluft ein guter Wärmeübergang von Mantel zur Luft erzielt und eine möglichst geringe Kühlluftmenge benötigt wird.

In der Fig. 4 ist die Ausbildung des Statoroberteiles vergrössert gegenüber Fig. 5 dargestellt. Der Anschlussflansch 12 ist mit den Gelenken 13 mit dem Flansch 2 verbunden und kann sich auf diese Weise unabhängig von
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da er eine höhere Temperatur als der Flansch annimmt. Ausserdem sind zwischen den Teilen 12 und 2 verschiebbare Führungsleisten verteilt über den Umfang angeordnet wie mit 27 angedeutet wurde, um die Zentrierung beider Teile zu gewährleisten.

Die zylindrische Wand 30 des Ringkanales 16 ist mit dem Mantel 1 über ein dehnbares Bodenstück 29 verbunden um Spannungen infolge unterschiedlicher Temperaturen auszugleichen.

In der Fig. 5 ist im rechten Teil die Verbindung zwischen dem Kern und den Radialwänden dargestellt. Mit 21 sind Führungsstücke bezeichnet, die am oberen Ende des Kernes mit diesem festverbunden angeordnet sind. Der Kern wird mit diesen Führungsstücken von oben zwischen die freistehenden Radialwände herabgelassen, wie in der darunterliegenden Fig. 6 dargestellt ist. Die Radialwände werden mit den Führungsstücken verschiebbar verschraubt.

Am unteren Kernende sind die Führungsstücke an der Stirnplatte 22 befestigt, welche von unten eingeschoben und mit dem Kernende fest verbunden wird. Mit diesen Massnahmen wird der Kern relativ zu den Radialwänden zentriert und verschiebbar gehaltert.

In der Fig. 6 bezeichnet 24 eine aus Teilstücken bestehende von der unteren bis oberen Stirnwand durchgehende Ringwand, die die Aufgabe hat die mit Heizblechen gefüllten Zellen 28 dem Kern gegenüber abzudichten. Die Ringwand 24 ist mit den Radialwänden 11 verschweisst.

Die zwischen dem Statormantel und dem Kern strahlenförmig sich erstreckenden Radialwände sind in üblicher Weise durch Ringwände 4 unterteilt, um sektorförmige Kammern zu bilden, in denen die Heizbleche untergebracht sind. In der Fig. 6 ist eine solche Ringwand dargestellt. Die zwischen den Radialwänden liegenden Teilstücke sind aber nur auf einer Seite mit der Radialwand verschweisst, auf der anderen Seite aber mit einigen mm Abstand von der Radialwand schiebbar gehaltert, um Ausbeulungen infolge von auftretenden Druckspannungen zu vermeiden. Die Notwendigkeit dieser Massnahmen ergibt sich aus Folgendem:

Die Radialwände und Ringwände nehmen die Temperatur der mittleren Gas-Lufttemperaturen an. Die Statorwand ist aber infolge der Innenisolierung auf eine niedrigere Temperatur abgesenkt, was zur Folge hat, dass die Radialwände um ein gewisses Mass zum Kern verschoben werden, was ebenso mit den Ringwänden geschieht. Um die daraus entstehenden Druckspannungen in den Ringwänden zu vermeiden, gibt man den Teilwänden zwischen den Radialwänden etwas Spiel in der oben geschilderten Weise.

Da die Betriebstemperaturen des Lufterhitzers von der
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abhängig sind, wird es vorteilhaft sein die Konizität des Statormantels und damit die Dichtspaltgrösse der Umfangsdichtleisten automatisch zu überwachen. Ueber einen Fühler kann der Abstand der Umfangsdichtleiste von der Statorstirnfläche kontrolliert werden um mit Hilfe eines Relais die Regelluft entsprechend zu steuern.

Bei der vorgeschlagenen Tragkonstruktion übt jede Radialwand mit ihrer Belastung ein Biegemoment im Uhrzeigersinne auf den Statormantel aus, was dieser als geschlossener Ringkörper mit seinen kräftigen Flanschen und Versteifungen ohne Schwierigkeiten aufnehmen kann.

Im oberen Teil des Statormanteils herrschen Druckspannungen, im unteren Teil Zugspannungen, die neutrale Phaser liegt etwa auf halber Höhe des Statormantels.

Die Radialwände selbst unterliegen im oberen Teil und an ihren Befestigungen Zugspannungen und im unteren Teil Druckspannungen und sind eindeutig berechenbar.

Claims (12)

1. Tragkonstruktion in feststehender Bauart (Stator) für die Speichermasse regenerativer Luftvorwärmer mit senkrechter Welle, bei der die wärmeaustauschenden Materialien zwischen strahlenförmig verlaufenden und ringförmig angeordneten Wänden eingelagert sind und die Tragkonstruktion aus mehreren konzentrisch ineinander und mit ringspaltförmigen Zwischenräumen untereinander angeordneten Teileinheiten zusammengesetzt ist, wobei auch der Kern oder nur dieser alleine als Teileinheit zu betrachten ist dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Statormantel (1), der wie üblich auf der Aussenseite durch Isolation weitgehend gegen Wärmeverluste geschützt ist, auch auf der Innenseite durch zweckentsprechende Isolation (20) den wärmeübertragenden Mitteln soweit entzogen ist, dass im Betriebszustand die Kegelform des Statormantel (1) mit dem Neigungswinkel (kleines Alpha) der gekrümmten Radialwände (11) übereinstimmt.

2. Tragkonstruktion nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass auch der obere Ringflansch (2) der heissen Seite des Mantels (1) gegenüber den wärmeaustauschenden Mittel zweckentsprechend isoliert ist.

3. Tragkonstruktion nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der untere Statorflansch (2) der kalten Seite und ein anschliessender Teil zweckmässiger Grösse des Statormantels (1) ohne Innenisolierung gehalten ist.

4. Tragkonstruktion nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Innenisolationsstärke gestuft ausgeführt ist um die gewünschte Kegelneigung zu erzielen.

5. Tragkonstruktion nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des oberen Statorflansches (2) der heissen Seite ein Ringkanal (16) angeordnet ist, der die Unterseite des Flansches (2) und ein oberen Teil des Mantels (1) umschliesst und mit Anschlüssen versehen ist (15, 17), um je nach Erfordernis kühle oder erhitzte Luft dem Ringkanal zuzuführen zum Zwecke der Regelung der Statortemperatur und sie dann als Abluft in den Rauchgaseintrittstutzen zurückzuleiten.

6. Tragkonstruktion nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Wand (30) des Ringkanals (16) mit dem Mantel (1) über ein dehnbares Bodenstück (29) verbunden ist um Wärmespannungen auszugleichen.

7. Tragkonstruktion nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (3) mittels Führungsstücken (21, 23) zwischen den auf gleichen Abständen freistehenden Radialwänden zentriert und verschiebbar gehaltert wird und sich dabei auf die Radialwände abstützt.

8. Tragkonstruktion nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Statorkern auf der unteren Stirnseite mittels eines gesonderten Ringflansches (22), der ebenfalls mit Führungsstücken (23) versehen ist, verschraubt, zentriert und mit den Radialwänden (11) verschiebbar verbunden ist.

9. Tragkonstruktion nach Anspruch 7 und 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Kernpartie (3) einschliesslich der im Bereich der oberen und unteren Stirnseite angebrachten Führungsstücke (21, 23) durch ringförmig im Durchmesser des Kernes jeweils zwischen den Radialwänden angebrachten von der oberen bis unteren Stirnseite durchgehenden Blechen (24) abgedichtet ist.

10. Tragkonstruktion nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Regelluftmenge zur Beeinflussung der Konizität des Statormantels automatisch gesteuert wird, dadurch, dass mittels eines Fühlers der Abstand der Umfangsdichtleiste von der Stator-Stirnseite kontrolliert und unter Einschaltung eines Relais die Luftventile sinngemäss betätigt werden.

11. Tragkonstruktion nach Anspruch 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (16) sich vom oberen Flansch 2 über ein grossen Teil der Statorhöhe nach unten erstreckt und in Ringkanäle unterteilt ist, die mit den notwendigen Anschlüssen versehen sind, oder dass mehrere Ringkanäle (16) unabhängig voneinander untereinander angeordnet sind und jeweils Anschlüsse (17 und 15) besitzen um die einzelnen Höhenbereiche des Statormantels hinsichtlich seiner Temperatur getrennt nach Bedarf beeinflussen zu können.

12. Tragkonstruktion nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass am Statormantel auf seiner Aussenseite in zweckmässigen Abständen jeweils in der gleichen Höhe und am Umfang verteilt Thermelementen-Messstellen angeordnet sind, wobei die Messstellen der gleichen Höhenlage jeweils an ein umschaltbares Anzeigeninstrument angeschlossen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Patentschrift Nr. 1237 150

Auslegungsschrift Nr. 2 205 838

2 162 248

Anmeldung P 2 400 560.5