DE3606179A1 - Thermally insulated gas duct - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen thermisch isolierten Gas kanal gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a thermally insulated gas Channel according to the preamble of claim 1.
Gaskanäle sind Leitungswege mit großem Querschnitt zum Transport von Gas. In gasgekühlten Kernreaktoren werden damit die Verbindungsleitungen von Komponenten bezeich net, die mit Kühlgas beaufschlagt werden.Gas channels are conduits with a large cross-section to Transportation of gas. In gas-cooled nuclear reactors so that the connecting lines of components net, which are supplied with cooling gas.
Das Kühlgas ist in diesem Fall Wärmeträger, der die nuklear erzeugte Wärme zum Wärmeverbraucher bzw. Wärme tauscher, z.B. Dampferzeuger, überträgt. Im Hinblick auf den geforderten hohen Wirkungsgrad einer derartigen Lei tungsanordnung werden die Gaskanäle in gasgekühlten Hochtemperaturkernreaktoren von innen thermisch iso liert. Damit soll ein Wärmeaustausch zwischen dem gas förmigen Wärmeträger und der die Gaskanäle umgebenden Atmosphäre weitgehend verhindert werden. Ferner soll die tragende Gasführungswand vor unzulässig hohen Tempera turen geschützt werden.In this case, the cooling gas is the heat carrier, which is the Nuclear generated heat to the heat consumer or heat exchanger, e.g. Steam generator, transmits. With regard the required high efficiency of such a Lei The gas channels are arranged in gas-cooled High temperature nuclear reactors from the inside thermally iso liert. This is intended to exchange heat between the gas shaped heat transfer medium and that surrounding the gas channels Atmosphere can be largely prevented. Furthermore, the load-bearing gas duct wall against impermissibly high temperatures doors are protected.
Aus der DE-OS 29 49 726 ist ein von einem Gas hohen Druckes und hoher Temperatur durchströmter Gaskanal mit großem Querschnitt bekanntgeworden, der insbesondere zur Verbindung des Heißgassammelraums eines gasgekühlten Hochtemperaturkernreaktors mit einer Komponente des Kühlgaskreislaufs dient. Der Gaskanal weist eine Trag struktur auf, an deren Innenoberfläche Isoliermaterial angebracht ist.From DE-OS 29 49 726 one of a gas is high Gas channel with pressure and high temperature large cross section became known, in particular for Connection of the hot gas collecting space of a gas-cooled High temperature nuclear reactor with a component of Cooling gas circuit is used. The gas channel has a support structure on the inside surface of insulating material is appropriate.
Die thermische Isolierung besteht aus mehreren durch Zwischenbleche getrennte Lagen Isoliermaterials, das mit rechteckigen Abdeckplatten innen abgedeckt ist. An den Stoßstellen von jeweils vier Abdeckplatten sind Halte bolzen vorgesehen, die die Isolierung durchdringen und an der Tragstruktur fixieren. Alle im heißen Bereich der Isolierung befindlichen aufeinandergleitenden Teile sind mit einer hitzebeständigen verschleißfesten Beschichtung versehen, die gegen Korrosion, Abrasion und Verschweißen von Kontaktteilen in der Kühlgasatmosphäre, die vorzugs weise aus Helium besteht, schützen soll.The thermal insulation consists of several through Intermediate sheets of separate layers of insulating material with rectangular cover plates is covered inside. To the Butt joints of four cover plates are stops bolts are provided which penetrate the insulation and fix to the supporting structure. All in the hot area of the Insulation are sliding parts with a heat-resistant, wear-resistant coating provided against corrosion, abrasion and welding of contact parts in the cooling gas atmosphere, the preferred is made of helium, should protect.
Von Nachteil bei dieser Gestaltung ist die wenn auch örtlich beschränkte Wärmeleitung durch die Haltebolzen sowie der Wärmefluß an den Stoßkanten der Abdeckplatten. Darüberhinaus verursacht auch die Beschichtung der ein zelnen Befestigungsteile wie Haltebolzen, Druckscheiben usw. einen nicht unerheblichen Aufwand.The disadvantage of this design, however, is local heat conduction through the retaining bolts as well as the heat flow at the abutting edges of the cover plates. In addition, the coating also causes the individual fastening parts such as retaining bolts, thrust washers etc. a not inconsiderable effort.
Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich der Erfindung die Aufgabe, die Befestigung der Isolierung so auszuführen, daß der Wärmefluß zwischen heißer Innen seite und kalter Außenwand möglichst gering ist und bei den infolge Temperatur, Druck und Gasströmung auftreten den Belastungen möglichst hohe Lebensdauer und Funk tionssicherheit des Gaskanals gewährleistet sind.Based on this state of the art, the Invention the task of fixing the insulation so execute that heat flow between hot inside side and cold outer wall is as small as possible and at which occur due to temperature, pressure and gas flow long life and radio reliability of the gas duct are guaranteed.
Die Lösung der Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.The solution to the problem is the characteristic Features of claim 1.
Danach sieht die Erfindung vor, die zur Befestigung der Isoliermatten vorgesehenen Befestigungselemente, wie Ab deckplatten, Haltebolzen, Muttern usw. aus hochtempera turbeständigem Werkstoff herzustellen, der überdies auch unempfindlich gegen Einflüsse der reduzierenden Kühlgas atmosphäre ist.Then the invention provides for the attachment of the Insulating mats provided fasteners, such as Ab cover plates, retaining bolts, nuts etc. made of high temperature Manufacture turbo-resistant material, which also insensitive to influences of the reducing cooling gas atmosphere is.
Gemäß der Erfindung ist für die Befestigungselemente die Verwendung von faserverstärktem keramischen Werkstoff vorgesehen, dessen thermische Beständigkeit bei geringer Wärmeleitfähigkeit hier vorteilhaft genutzt wird. Die Einlagerung von verstärkenden Fasern in die keramische Matrix erhöht die mechanische Festigkeit des Material derart, daß infolge des möglichst ungestörten Faserver laufs hohe Kräfte aufgenommen werden. Als keramischer Werkstoff kommt insbesondere kohlefaserverstärkter Graphit in Betracht.According to the invention is for the fasteners Use of fiber-reinforced ceramic material provided its thermal resistance at low Thermal conductivity is used here advantageously. The Incorporation of reinforcing fibers in the ceramic Matrix increases the mechanical strength of the material such that due to the undisturbed fiber ver high forces are continuously absorbed. As a ceramic Material comes in particular carbon fiber reinforced Graphite into consideration.
Die Formgebung der aus faserverstärktem keramischen Werkstoff hergestellten Befestigungselemente ist erfin dungsgemäß auf die Besonderheiten eines solchen Verbund werkstoffs abgestimmt, um die mit der Einlagerung von Verstärkungsfasern in der keramischen Matrix verbundenen Vorteile zu nutzen. Dementsprechend ist die konstruktive Gestaltung der Befestigungselemente so vorgesehen, daß Kraftfluß und Faserverlauf jeweils übereinstimmen. The shape of the fiber reinforced ceramic Fasteners made of material are invented according to the peculiarities of such a network matched with the storage of Reinforcing fibers connected in the ceramic matrix To take advantage. Accordingly, the constructive Design of the fasteners provided that Force flow and fiber course match each other.
Erfindungsgemäß weisen die Abdeckplatten, welche die aus einzelnen lageweise angeordneten Fasermatten gebildete Isolierung auf der Innenseite des Gaskanals bedecken, Befestigungsöffnungen auf, deren Rand jeweils mit einer Bördelung zur Isolierung hin versehen ist, die als Auf lagefläche für den eingesetzten Haltebolzen dient. Die ser Bördelrand schmiegt sich an den an seinem Kopfende konisch ausgebildeten Haltebolzen an, der an der inneren Oberfläche des Gaskanals bündig mit den Abdeckplatten abschließt.According to the invention, the cover plates, which are made of individual fiber mats arranged in layers Cover insulation on the inside of the gas duct, Attachment openings, the edge of each with a Crimping for insulation is provided, which is called On serves surface for the retaining bolt used. The This flanged edge hugs the one at the head end conical retaining bolt on the inner The surface of the gas duct is flush with the cover plates completes.
Eine den Haltebolzen umgreifenden, zwischen der Börde lung und der Außenwand angeordnete Distanzhülse besteht ebenfalls aus faserverstärktem keramischen Werkstoff wie auch der Haltebolzen selbst. Sowohl im Haltebolzen als auch in der Distanzhülse ist der Faserverlauf parallel zur Längsachse.One around the retaining bolt, between the stock exchange tion and the outer wall arranged spacer sleeve also made of fiber-reinforced ceramic material such as also the retaining bolt itself. Both in the retaining bolt and The fiber path is also parallel in the spacer sleeve to the longitudinal axis.
Die Länge der Distanzhülsen ist auf die Dicke der Iso lierung abgestimmt, so daß die Abdeckplatten unabhangig von der Mattenelastizität gehalten werden. Es wird also nicht die elastische Nachgiebigkeit der lagenweise über einander angeordneten Fasermatten, die definitionsgemäß im Kraftnebenschluß liegen, zur Vorspannung der Befesti gung der Abdeckplatten genutzt.The length of the spacers is based on the thickness of the iso lation coordinated so that the cover plates are independent are held by the mat elasticity. So it will not the elastic compliance of the layers mutually arranged fiber mats, by definition lie in the force shunt, for pretensioning the fastener used cover plates.
Um die Befestigung der Abdeckplatten gegen Erschütterung oder Schwingungen zu sichern, sind am außenliegenden Ende der Haltebolzen, die die Außenwand des Gaskanals durchdringen, Druckfedern vorgesehen, welche zwischen Außenwand und Befestigungsmutter des Haltebolzen ange ordnet sind und so eine Vorspannung bewirken. Als Druckfedern sind vorzugsweise Tellerfedern vorge sehen, die bei geringen Auslenkungen Vorspannkräfte er zeugen und einen permanenten Bewegungsausgleich gewähr leisten. To secure the cover plates against vibration or to secure vibrations are on the outside End of the retaining bolts that cover the outer wall of the gas duct penetrate, compression springs provided between Outside wall and fastening nut of the retaining bolt is attached are arranged and thus cause a preload. Disc springs are preferred as compression springs see the pretensioning forces at low deflections witness and guarantee a permanent movement compensation Afford.
Ein weiterer mit dieser Anordnung erzielter Vorteil be steht darin, daß durch die Verspannung der Haltebolzen gegen die Abdeckplatte der Isolierung und gegen die Außenwand die erforderliche Gasdichtigkeit eingehalten wird. Damit werden Gasverlust oder ein Gasaustausch zwi schen heißer Innenseite und kalter Außenwand vermieden. Zusätzlich bietet die erfindungsgemäße Plazierung der Vorspannelemente, das heißt der Druckfedern, an der kal ten Außenwand den Vorteil, daß handelsübliche Federwerk stoffe eingesetzt werden können, was sich vorteilhaft auf die Kosten des erfindungsgemäßen Gaskanals auswirkt. Die vernachlässigbare Wärmeleitung durch die keramischen Haltebolzen sowie die Kühlung an der Außenwand aufgrund von Konvektion verhindern eine ungünstige Beanspruchung durch Wärme, so daß eine lange Betriebsdauer ohne Stö rungen infolge Überhitzung des Federwerkstoffs gesichert ist.Another advantage achieved with this arrangement be is that by the bracing of the retaining bolt against the cover plate of the insulation and against the The required gas tightness was observed on the outer wall becomes. So gas loss or gas exchange between hot inside and cold outside wall avoided. In addition, the placement of the invention provides Preload elements, i.e. the compression springs on the cal ten outer wall the advantage that commercially available spring mechanism fabrics can be used, which is advantageous affects the cost of the gas duct according to the invention. The negligible heat conduction through the ceramic Retaining bolts as well as the cooling on the outer wall due to convection prevent unfavorable stress by heat, so that a long service life without interference secured due to overheating of the spring material is.
Die Einfachheit der mit der Erfindung verwirklichten Konstruktion des Gaskanals gestattet ferner die Verwen dung von einfach geformten Teilen, die sehr wenig mecha nische Bearbeitung erfordern.The simplicity of the realized with the invention Construction of the gas channel also allows us to use it formation of simply shaped parts with very little mecha nical processing.
Auch wird mit der vorgeschlagenen Konstruktion der Auf wand an Wartungs- bzw. Kontrollarbeiten verringert, da sich Bauelemente, die empfindlich sind gegen die bei einem Gaskanal üblichen Beanspruchungen, sich aus schließlich außerhalb der Außenwand des Gaskanals befin den und dort jederzeit zugänglich und revisionsfähig sind, das heißt ohne größere Vorarbeiten.Also with the proposed construction of the reduced maintenance and control work, because components that are sensitive to the a usual gas channel stress finally located outside the gas duct outer wall and accessible there and revisable at any time are, that is without major preparatory work.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung sind den Unter ansprüchen zu entnehmen. These and other advantages of the invention are the sub claims.
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Based on the drawing, in which an embodiment of the
Erfindung dargestellt ist, sollen die Erfindung, vor teilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfin dung sowie weitere Vorteile näher erläutert und be schrieben werden.Invention is shown, the invention is intended to partial refinements and improvements of the Erfin and other advantages explained and be be written.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Befestigungs stelle der Isolierung eines Gaskanals, Fig. 1 shows a longitudinal section through a fastening point of the insulation of a gas duct,
Fig. 2 Längsschnitt durch eine Befestigungsstelle an einer Abdeckplatte, Fig. 2 a longitudinal section through a fastening point on a cover plate,
Fig. 3 Längsschnitt durch einen Haltebolzen, Fig. 3 a longitudinal section through a retaining bolt,
Fig. 4 Längsschnitt durch eine Distanzhülse, Fig. 4 a longitudinal section through a spacer sleeve,
Fig. 5 Längsschnitt durch eine Gewindemutter. Fig. 5 longitudinal section through a threaded nut.
In Fig. 1 ist der Längsschnitt durch eine Befestigungs stelle eines Gaskanals 10 gezeigt, der eine Außenwand 12 aufweist an deren Innenoberfläche Fasermatten 14 in mehreren Lagen übereinander angeordnet sind, die innen von einer Abdeckplatte 16 bedeckt sind. Die Befesti gungsstelle 11 ist gebildet aus einer Öffnung 18 in der Abdeckplatte 16, die eine konisch geformte Fase 17 auf weist sowie ein Bördelrand 19. In die Ausnehmung 18 ist ein zylindrischer Haltebolzen 20 eingesetzt, dessen ko nisch geformtes Kopfende 21 sich formschlüssig an die konische Fase 17 anlegt und bündig mit der Innenober fläche 15 der Abdeckplatte 16 abschließt.In Fig. 1 the longitudinal section through a fastening point of a gas channel 10 is shown, which has an outer wall 12 on the inner surface of which fiber mats 14 are arranged one above the other in several layers, which are covered on the inside by a cover plate 16 . The fastening supply point 11 is formed from an opening 18 in the cover plate 16 , which has a conically shaped chamfer 17 and a flanged edge 19th In the recess 18 , a cylindrical retaining pin 20 is inserted, the ko nically shaped head end 21 positively engages the conical chamfer 17 and is flush with the inner surface 15 of the cover plate 16 .
An den Bördelrand 19 der Abdeckplatte 16 schließt eine zylindrische Distanzhülse 22 an, die den zylindrischen Haltebolzen 20 konzentrisch umfaßt und sich gegen die Außenwand 12 abstützt. Im Bereich der Befestigungsstelle 11 weist die Außenwand 12 eine Ausnehmung 24 auf, durch welche der Haltebolzen 20 durchgesteckt ist. Auf der Außenseite 13 der Außenwand 12 ist die Ausnehmung 24 bis etwa zur halben Wanddicke konzentrisch erweitert und dient zur Zentrierung einer Druckfeder 26, die im Bei spiel eine Tellerfeder ist. Die Druckfeder 26 dient der Vorspannung der mittels einer Gewindemutter 28, die auf das andere Ende des Haltebolzens 20 aufgeschraubt ist, gebildeten Befestigungsverschraubung für die Abdeckplat te 16. Eine Verdrehsicherung 29 verhindert das unbeab sichtigte Lösen der Mutter 28 vom Haltebolzen 20.A cylindrical spacer sleeve 22 adjoins the flanged edge 19 of the cover plate 16 , which concentrically surrounds the cylindrical retaining bolt 20 and is supported against the outer wall 12 . In the area of the attachment point 11 , the outer wall 12 has a recess 24 through which the retaining bolt 20 is inserted. On the outside 13 of the outer wall 12 , the recess 24 is concentrically expanded to about half the wall thickness and is used to center a compression spring 26 , which is a plate spring in the game. The compression spring 26 serves to preload the fastening screw for the cover plate 16 , which is formed by means of a threaded nut 28 which is screwed onto the other end of the retaining bolt 20 . An anti-rotation device 29 prevents the unintentional loosening of the nut 28 from the retaining bolt 20 .
Wie die Schraffur zeigt, sind die Abdeckplatte 16, der Haltebolzen 20, die Distanzhülse 22 sowie die Gewinde mutter 28 aus faserverstärktem keramischen Werkstoff, insbesondere kohlefaserverstärktem Graphit, hergestellt. Die dargestellte Schraffur verdeutlicht den Faserverlauf der in die keramische Matrix eingelegten Verstärkungs fasern.As the hatching shows, the cover plate 16 , the retaining bolt 20 , the spacer sleeve 22 and the threaded nut 28 are made of fiber-reinforced ceramic material, in particular carbon fiber-reinforced graphite. The hatching shown illustrates the fiber course of the reinforcing fibers inserted into the ceramic matrix.
Die lagenweise angeordneten Fasermatten 14 sind aus me tallischen oder ebenfalls keramischen Fasern gebildet, während die Außenwand 12 sowie die Druckfeder 26 und die Verdrehsicherung 29 aus metallischem Werkstoff bestehen.The layered fiber mats 14 are made of metallic or ceramic fibers, while the outer wall 12 and the compression spring 26 and the anti-rotation device 29 are made of metallic material.
In Fig. 2 ist eine ausschnittweise Darstellung der Be festigungsplatte 16 wiedergegeben mit einer Befesti gungsöffnung 18, wie sie aus Fig. 1 bereits bekannt sind. Deutlich zu erkennen ist die konisch angeschrägte Fase 17, die als Auflagefläche für den Haltebolzen 20 dient und in einen zylindrisch geformten Bördelrand 19 übergeht. Den Beanspruchungen entsprechend ist die Ab deckplatte 16 im Bereich der Befestigungsstelle 11 mit größerer Wanddicke ausgeführt als im übrigen Bereich, wie die Stelle 30 zeigt. In Fig. 2 is a fragmentary view of the mounting plate 16 Be reproduced with a fastening supply opening 18 , as are already known from Fig. 1. The conical bevel 17 , which serves as a bearing surface for the retaining bolt 20 and merges into a cylindrically shaped flange 19 , can be clearly seen. The stresses from the cover plate 16 is carried out in the area of the fastening point 11 with a greater wall thickness than in the rest of the area, as the point 30 shows.
Fig. 3 zeigt den Längsschnitt durch einen zylindrischen Haltebolzen 20 der vollständig aus faserverstärktem keramischen Werkstoff hergestellt ist und dessen Kopf ende 21 konisch erweitert ist. In das gegenüberliegende Ende des Haltebolzens 20 ist ein Außengewinde 23 einge formt, das zur formschlüssigen Verspannung des Haltebol zens 20 mit einer Gewindemutter 28 dient. Fig. 3 shows the longitudinal section through a cylindrical retaining bolt 20 which is made entirely of fiber-reinforced ceramic material and the head end 21 is flared. In the opposite end of the retaining bolt 20 , an external thread 23 is formed, which is used for positive locking of the Haltebol zens 20 with a threaded nut 28 .
In Fig. 2 ist eine hohlzylindrische Distanzhülse 22 ge zeigt, die im eingebauten Zustand, wie aus Fig. 1 er sichtlich, den Haltebolzen 20 konzentrisch umfaßt, und dazu dient die aus Isoliermatten 14 gebildete Isolierung vor thermisch nachteiliger Pressung zu schützen.In Fig. 2, a hollow cylindrical spacer sleeve 22 shows ge, which in the installed state, as shown in Fig. 1, he includes the retaining bolt 20 concentrically, and serves to protect the insulation formed from insulating mats 14 from thermally disadvantageous pressure.
In Fig. 5 ist der Längsschnitt durch eine Gewindemutter 28 wiedergegeben, die mit dem Haltebolzen 20 eine Schraubverbindung bildet, die dazu dient, die Abdeck platte 16 an der Außenwand 12 zu fixieren. Hierzu weist die Verbindungsmutter 28 ein Innengewinde 27 auf, wel ches mit dem Außengewinde 23 des Haltebolzens 20 kompa tibel ist.In Fig. 5 the longitudinal section is shown by a threaded nut 28 which forms a screw connection with the retaining bolt 20 , which serves to fix the cover plate 16 on the outer wall 12 . For this purpose, the connecting nut 28 has an internal thread 27 , which is compatible with the external thread 23 of the retaining bolt 20 .
Wie bereits erläutert, wird die Befestigung der Abdeck platte 16 an der Außenwand 12 des Gaskanals 10 mit einer Haltebolzen-Gewindemutter-Verbindung aus faserverstärk tem keramischen Werkstoff gebildet, welche bei hoher me chanischer Festigkeit nur geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und damit die Gewähr dafür bieten, daß keine örtlichen Wärmesenken im Inneren des Gaskanals 10 auf treten, durch welche Wärme nach außen gelangen kann bzw. ein Wärmeaustausch zwischen heißer Innenseite 15 und kalter Außenseite 13 stattfindet.As already explained, the attachment of the cover plate 16 on the outer wall 12 of the gas channel 10 is formed with a retaining bolt-threaded nut connection made of fiber-reinforced ceramic material, which have only low thermal conductivity at high mechanical strength and thus offer the guarantee that no local heat sinks occur in the interior of the gas duct 10 , through which heat can escape to the outside or a heat exchange takes place between the hot inside 15 and the cold outside 13 .
Der Verlauf der in die keramische Matrix eingelegten Verstärkungsfasern ist beanspruchungsgerecht auf den Verlauf der Kraftflußrichtung abgestimmt und gestattet so eine bestmögliche Ausnutzung der vorhandenen Festig keiten.The course of the inserted in the ceramic matrix Reinforcing fibers is suitable for the demands Coordinated and allowed course of the power flow direction so the best possible use of the existing Festig keiten.
Die im Beispiel gezeigte Vorspannung mittels Druckfeder, insbesondere Tellerfeder, stellt sicher, daß die an der konischen Auflagefläche 17 formschlüssig aufliegenden Haltebolzen 20 keine Undichtigkeiten entstehen lassen. Eine Verdrehsicherung 29 sorgt ferner dafür, daß kein unbeabsichtigtes Lösen der Schraubverbindung erfolgt.The pretension shown in the example by means of a compression spring, in particular a plate spring, ensures that the retaining bolts 20 resting on the conical bearing surface 17 in a form-fitting manner do not cause any leaks. An anti-rotation device 29 also ensures that there is no unintentional loosening of the screw connection.
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