DE3542073A1 - Flanschverbindung an einem mehrteiligen, innendruckbeanspruchten gehaeuse, insbesondere von dampfturbinen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flanschverbindung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Durch Innendrücke beanspruchte Gehäuse und Behälter, die aus Gründen der Herstellung und/oder Montage zwei­ oder mehrteilig ausgeführt werden müssen, sind im allge­ meinen an ihren Trennebenen mit Flanschen versehen, die beim Zusammenbau durch Schrauben aufeinandergepresst werden. Bei Beanspruchungen durch hohe Innendrücke, wie sie z.B. in Gehäusen von Dampfturbinen herrschen, sind diese Flanschen sehr stark dimensioniert und es ist im allgemeinen eine grosse Anzahl eng nebeneinander angeord­ neter Schrauben erforderlich, um eine absolut dichte Verbindung der Gehäuseteile zu erhalten.

Innengehäuse von Niederdruckdampfturbinen, die aus zwei durch eine horizontale Ebene getrennten Hälften bestehen, weisen mehrere Kammern für die Zufuhr des Arbeitsdampfes und Anzapfungen von Dampf z.B. für die Speisewasservor­ wärmung auf. Daraus resultiert eine komplizierte Form des Gehäuseinneren mit Flanschpartien, an denen wegen Unzugänglichkeit bei der Montage nicht ausreichend viele oder aber überhaupt keine Schrauben vorgesehen werden können, so dass in diesen Bereichen im Betriebszustand Undichtheiten auftreten können. Zwischen zwei benach­ barten dieser Kammern herrscht im allgemeinen eine mehr oder minder grosse Druck- und Temperaturdifferenz, durch die im Bereich der Flanschen Verformungen auftreten, die zum Auseinanderklaffen der Trennflächen führen. Die Folgen sind eine Wirkungsgradeinbusse, weil Dampf, ohne Arbeit zu leisten, aus Kammern höheren Druckes in Kammern niedrigeren Druckes strömen kann, ferner Schwingungsan­ regungen von Laufschaufeln durch regellos gerichtete Dampfstrahlen aus den Spalten zwischen den Trennflächen sowie die Gefahr einer Erosion und damit Vergrösserung der Spalten bei Vorhandensein von Nassdampf.

Eine bekannte Massnahme zur Verhinderung solcher Leck­ strömungen besteht darin, dass im diesbezüglich gefähr­ deten Bereich der Trennfuge im einen Gehäuseteil, vor­ zugsweise im unteren, eine im Querschnitt rechteckige Nut vorgesehen ist, die eine diesem Querschnitt entspre­ chend profilierte Dichtleiste aufnimmt, die plan an der oberen Trennebene anliegt und durch eine Reihe von Federn an diese angedrückt wird. Anstelle einer solchen feder­ belasteten Dichtleiste kann in der Nut der unteren Ge­ häusehälfte ein federelastisches Blechband von halbkreis­ förmigem Querschnitt vorgesehen sein, das vor der Montage über die untere Trennfläche hinausragt und im zusammen­ gebauten Zustand mit grosser Vorspannung an der Trenn­ fläche der oberen Gehäusehälfte anliegt.

Diese bekannten Lösungen für das vorliegende Problem haben den Nachteil, dass die Herstellung der Nuten in der einen Gehäusehälfte nicht nur kostspielig, sondern auch schwierig ist, da die Trennfläche im allgemeinen keine geraden Abschnitte enthält, sondern gekrümmt ist und der Stirnfräser für die Herstellung der Nut entspre­ chend mit grosser Genauigkeit gemäss diesen Krümmungen gesteuert werden muss. Die genaue Anpassung der Dicht­ leiste an die Nut ist ebenfalls aufwendig und teuer. Da es sich, insbesondere bei grossen Turbinen, in der Regel um Einzelanfertigungen handelt, können die für die schwierige Fertigung erforderlichen Werkzeuge und Vorrichtungen auch nicht auf mehrere Turbinen umgelegt werden. Bei längeren abzudichtenden Abschnitten kann es auch nötig sein, die Dichtleiste aus mehreren Abschnit­ ten zusammenzusetzen, was zu Schwierigkeiten bei der Abdichtung der Stösse führen kann.

Mit der vorliegenden, im Patentanspruch 1 definierten Erfindung sollen die konstruktiven und fertigungstech­ nischen Nachteile der bekannten Lösungen vermieden wer­ den, indem eine der beiden oder beide Trennflächen der­ art bearbeitet werden, dass die schraubenfreien Partien ihrer Trennflächen stärker als die übrigen Partien ver­ formt werden müssen, um im zusammengebauten Zustand der beiden Gehäusehälften ein ebenes Aufeinanderliegen ihrer Trennflächen zu erhalten. Im drucklosen Zustand des Ge­ häuses liegen die schraubenfreien Partien dadurch mit grösserer Vorspannung aufeinander als im übrigen Bereich. Bei unter Druck stehendem Gehäuse ist dann noch immer eine genügend hohe Vorspannung wirksam, um eine Spalt­ bildung und die eingangs erwähnten Leckverluste zu ver­ meiden.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel näher beschrieben.

In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 einen Grundriss der unteren Gehäusehälfte einer Niederdruckturbine, aus dem die typische Form der Trennfläche hervorgeht, die

Fig. 2 und 3 die Spannungsverhältnisse in der schrau­ benlosen Trennfuge einer konventionellen Flansch­ verbindung im zusammengebauten, aber drucklosen Zustand eines zweiteiligen Gehäuses bzw. die Form der Trennfuge bei innendruckbeanspruchtem Gehäuse, die

Fig. 4 bis 6 schematisch ausschnittsweise den Quer­ schnitt der Flanschen gemäss der Erfindung und die Spannungsverhältnisse in der Trennfuge bei zusammengebauten Gehäusehälften im drucklosen bzw. druckbeanspruchten Zustand des Gehäuses, die

Fig. 7 bis 9 schematisch den Querschnitt einer Trenn­ fuge vor dem Zusammenbau der Gehäusehälften so­ wie die Vorgangsweise beim Anreissen der zu zer­ spanenden Flanschteile, und die

Fig. 10 und 11 schematisch eine zweite Möglichkeit, die gewünschte Flanschform gemäss der Erfindung zu erhalten.

Aus der Fig. 1, die eine Draufsicht auf den Gehäuseunter­ teil eines zweiteiligen Dampfturbinengehäuses darstellt, erkennt man die Schwierigkeit, mit der ein sicher ab­ dichtendes Aufeinanderpressen der beiden Gehäusehälften auf der gesamten Trennfläche bietet. Während die Flan­ schen 2, 3 an den Längsseiten des Gehäuseunterteils aus­ reichend Platz für die zu einer einwandfreien Abdichtung und zur sicheren Aufnahme der Kräfte aus dem Innendruck erforderlichen Anzahl von Schrauben 4 bieten, kann wegen der knappen Abmessungen der Trennwände 6, 7, 8, 9 zwi­ schen dem Einlaufkanal 5 und den Anzapfkammern 10, 11, 12 bzw. zwischen den einander benachbarten Anzapfkammern und wegen Unzugänglichkeit der Trennflächen dieser Trenn­ wände 6 bis 9 beim Zusammenbau eine absolute Dichtheit nicht garantiert werden.

Die Fig. 2 zeigt die Verteilung der Klemmkraft zwischen den Trennflächen eines Gehäuseunterteils 13 und eines Gehäuseoberteils 14 im Bereich einer Schraube 15, wobei das Gehäuseinnere drucklos angenommen ist. 16 bezeichnet eine sich in radialer Richtung in das Gehäuseinnere er­ streckende kurze Trennwand, an der stellvertretend für die viel längeren Trennwände 6 bis 9 gemäss Fig. 1 das Problem erläutert wird. Die senkrecht schraffierte, sche­ matisierte Klemmkraftverteilung 17 lässt erkennen, dass die Klemmkraft nur im Bereich der Flanschen 18, 19 in etwa gleicher Grösse wirkt, mit zunehmender Entfernung von der Schraube nach innen infolge der Elastizität der Gehäusehälften aber stark absinkt, wobei im vorliegen­ den Falle eine Abnahme auf Null am inneren Ende der Trenn­ wand angenommen wurde. Die nachfolgenden Ausführungen gelten aber auch, wenn die Klemmkraft am inneren Ende der Trennwand nicht Null ist, sondern noch in einer sol­ chen Höhe vorhanden ist, dass der Innendruck imstande ist, ein Klaffen der Trennfuge vom inneren Rand der Trenn­ fuge her zu bewirken. Die Fig. 3 zeigt, übertrieben dar­ gestellt, wie sich die Trennfuge bei auf eine Temperatur t erwärmtem und unter einem Druck p stehenden Gehäuse öffnet.

Die Fig. 4 bis 6 erklären die erfindungsgemässen Mass­ nahmen zur Vermeidung der vorerwähnten Mängel. Sie be­ stehen darin, dass die bearbeiteten Flanschauflageflächen 22 und 23 der Flanschen 20 und 21 gegenüber der Trenn­ ebene 24 unter einem Winkel α/2 geneigt sind, so dass sich am äusseren Ende der Trennfuge ein Spalt von der Breite s ergibt. Dies gilt für die Form der Flanschen vor dem Zusammenbau der zwei Gehäusehälften. Die beiden Winkel können entsprechend einer unterschiedlichen Stei­ figkeit der beiden Gehäusehälften auch unterschiedlich gross sein oder es kann nur einer der beiden Flanschen, vorzugsweise jener des Gehäuseoberteils 26, eine abge­ schrägte Auflagefläche aufweisen, da der Gehäuseunterteil 25 steifer ist und die Herstellungskosten niedriger sind als wenn beide Flanschen bearbeitet werden müssten.

Die Fig. 5 zeigt die Gestalt der Flanschverbindung im zusammengeschraubten, aber unbelasteten Zustand und im zugehörigen, unterhalb gezeichneten Diagramm mit Voll­ linie die Verteilung der Klemmkraft in der Trennfuge sowie mit strichlierter Linie die Verteilung der Klemm­ kraft, wie sie bei ebenen Flanschauflageflächen auftre­ ten würde. Aus dem Unterschied der beiden Verteilungen erkennt man, dass die Klemmkraft infolge der grösseren Verformung der Auflagefläche im Bereich der Trennwand 16 grösser ist als bei ebenflächigen Flanschflächen, im Be­ reich der Schrauben aber kleiner. Am inneren Ende der Trennwand ist die Grösse dieser Klemmkraft gleich F. Durch die Gehäuseverformung infolge der Belastung durch eine Temperatur t und einen Innendruck p ergibt sich die aus Fig. 6 ersichtliche, reduzierte Verteilung der Klemm­ kraft, die aber am Trennwandende noch immer den positiven Wert F′ aufweist, d.h., als Druckkraft wirkt. Es kann also dort kein Klaffen der Trennfuge auftreten.

Für die Herstellung der schrägen Flanschfläche, deren Winkel α in Fig. 4 und in den folgenden Figuren über­ trieben gross gezeichnet ist, werden im folgenden zwei Möglichkeiten beschrieben.

Die erste Möglichkeit wird unter Bezugnahme auf die Fig. 7 bis 9 beschrieben. Es wird dabei der praktisch wichti­ gere Fall angenommen, dass nur die Flanschauflageflächen des Gehäuseoberteils 26 abzuschrägen sind. Die Fig. 7 zeigt die beiden Gehäusehälften getrennt voneinander vor dem Zusammensetzen. Die Auflageflächen des Flansches 20 der unteren Gehäusehälfte bleiben eben. Die Abschrä­ gung der Flanschauflageflächen des Gehäuseoberteils wird auf einer Portalfräsmaschine hergestellt, von der in den Fig. 8 und 9 nur ein Teil der Frässpindel 27 mit dem Fräswerkzeug 28 dargestellt ist. Die beiden Figuren sind eine Draufsicht auf den senkrecht auf dem Frästisch aufgespannten Gehäuseoberteil 26. Als Referenz für die Bearbeitungsschritte dient eine Bezugsebene 29, längs welcher das Fräswerkzeug 28, bei dem es sich zweckmässi­ gerweise um einen Stirnfräser handeln wird, bei den zwei, in den Fig. 8 und 9 dargestellten Aufspannungen geführt wird, um die abgeschrägten Flanschauflageflächen zu er­ halten. Als Rohgussstück besitzt der Gehäuseoberteil 26 ebene Flanschauflageflächen mit entsprechenden Masstole­ ranzen. Von dieser gemittelten Ebene ausgehend wird man den Verlauf der Schräge an den Flanschen anreissen und den Gehäuseoberteil um den Winkel α dieser Schräge gegen­ über der Bezugsebene 29 gedreht aufspannen. Bei dieser ersten Operation zerspant der Fräser den schmalen, durch Schraffur kenntlich gemachten, keilförmigen Flanschab­ fall 30. Danach wird der Gehäuseoberteil um den Winkel 2α nach rechts gedreht aufgespannt und beim zweiten Fräs­ vorgang am rechten Flansch der keilförmige Flanschabfall 31 weggefräst. Es sind dann beide Flanschauflageflächen des Gehäuseoberteils gegenüber der Trennebene des Gehäuse­ unterteils 25 um den Winkel α geneigt.

Hier ist eine Einschränkung anzubringen: Die vorerwähnte Bearbeitung wurde für ein Gehäuse mit zueinander paralle­ len, seitlichen Flanschen beschrieben. Bei anderen Ge­ häusen, wie bei solchen nach Fig. 1 und Fig. 11, würde die maximale Spaltbreite s gemäss Fig. 4 bei den radial weiter einwärts liegenden Flanschpartien kleiner sein als bei zu äusserst liegenden Teilen der Flanschen. Es ist dann nicht immer einfach, festzustellen, ob die Vor­ spannung am inneren Ende der zugehörigen Trennwand ge­ nügend gross sein wird, um unter der Druck- und Tempe­ raturbelastung Undichtheiten an diesen Stellen zu ver­ meiden. Ungefähr gleiche Vorspannungen wie für die aussen liegenden Partien dürften aus Aehnlichkeitsüberlegungen jedoch zu erhalten sein, wenn das Verhältnis von s zu Trennwandlänge über die ganze Flanschlänge wenigstens annähernd gleich ist.

Eine zweite Möglichkeit zur Herstellung der Flanschab­ schrägungen wird anhand der Fig. 10 und 11 erläutert. Die Fig. 10 zeigt in einem Grundriss wiederum den auf einem Frästisch aufgespannten Gehäuseoberteil 26, die Fig. 11 entsprechend den Gehäuseoberteil in vertikaler Stellung von der Rückseite aus gesehen. Die Fig. 10 lässt das Prinzip der Bearbeitung erkennen. Der Gehäuseoberteil wird durch an den Flanschaussenrändern angreifende Kol­ ben 32 zweier hydraulischer Presseinrichtungen 33 so verformt, dass er die voll ausgezogene Gestalt annimmt. Der unverformte Umriss ist durch die strichpunktierten Linien dargestellt. Die Grösse der Kolbenkräfte wird so gewählt, dass die Flanschauflageflächen im unbearbei­ teten Zustand den doppelten gewünschten Abschrägungs­ winkel α, d.h., den Winkel 2α einschliessen. Wenn diese Verformung erreicht ist, wird der Gehäuseoberteil 26 auf dem Frästisch festgespannt, worauf die beiden keil­ förmigen Flanschabfälle 30 und 31 in einer Aufspannung abgefräst werden. Nach Entlastung der Flanschaussenränder und Abspannen des Gehäuseoberteils von der Fräsmaschine federt es in die ursprüngliche Form zurück, wobei dann die Flanschauflageflächen die beabsichtigte Neigung α gegen die Bezugsebene 29, d.h. auch, gegen die Trenn­ ebene 24 annehmen.

Bezüglich kurvenförmig verlaufender Flanschen gilt hier für die Verformung der Flanschen und die Verteilung der Klemmkraft über die Trennwände das gleiche wie oben ge­ sagt.

Claims (5)

1. Flanschverbindung an einem mehrteiligen innendruck­ beanspruchten Gehäuse (25+26), insbesondere von Dampf­ turbinen, mit mindestens zwei durch Schrauben (15) zu verbindenden Gehäuseteilen (25, 26), die Flansch­ partien aufweisen, die zu Trennwänden (6-9; 16) einan­ der benachbarter Kammern (10, 11, 12) im Gehäuseinne­ ren gehören und an denen wegen Unzugänglichkeit bei der Montage keine Verbindungsschrauben vorgesehen werden können, dadurch gekennzeichnet, dass von den zur Montage zugänglichen und zur Verbindung durch Schrauben (15) bestimmten Flanschpartien (20, 21) einander benachbarter Gehäuseteile (25, 26) mindestens die zu einem der Gehäuseteile (25, 26) gehörenden Flanschpartien (20, 21) Flanschauflageflächen (22, 23) aufweisen, die unter einem Winkel (α) gegen die Trennebene (24) abgeschrägt sind, derart, dass die Trennfugen vor dem Zusammenschrauben der Gehäuseteile (25, 26) an den äusseren Rändern der genannten Flansch­ partien (20, 21) einen Spalt (s) aufweisen.

2. Flanschverbindung nach Anspruch 1 bei einem zweiteili­ gen Gehäuse (25+26), dadurch gekennzeichnet, dass nur die am Gehäuseoberteil (26) vorhandenen Flansch­ partien (21), die zur Verbindung durch Schrauben (15) bestimmt sind, unter einem Winkel (α) abgeschrägt sind.

3. Flanschverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass alle zur Verbindung durch Schrauben (15) bestimmten Flanschpartien (20, 21) unter einem gleichen Winkel (α) abgeschrägt sind.

4. Flanschverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die zur Verbindung durch Schrauben (15) bestimmten Flanschpartien eines weniger steifen Gehäuseteils unter einem grösseren Winkel (α) abge­ schrägt sind als die Flanschpartien eines mit dem genannten Gehäuseteil zu verbindenden steiferen Ge­ häuseteils.

5. Flanschverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die zur Verbindung durch Schrauben (15) bestimmten Flanschpartien (20, 21) zweier zu paarender Gehäuseteile (25, 26) unter einem gleichen Winkel (α) abgeschrägt sind.