NL7907842A - Inrichting voor het koppelen van een luchtleiding aan een warmtewisselaarkern. - Google Patents

Description

t ί _ -ί t

Ν/29.28^-tM/HO

Inrichting voor het koppelen van een luchtleiding aan een warmtewisse-laarkem.

Warmtewisselaars zijn ontwikkeld voor toepassing bij grote gasturbines om het rendement en vermogen daarvan te verbeteren en de bedrijfskosten te verminderen. Dergelijke warmtewisselaars worden scans aangeduid als recuperatoren maar zijn meer in het algemeen bekend 5 als regeneratoren. In het bijzonder worden deze eenheden toegepast bij gasturbines voor het aandrijven van gaspijpleidingeompressoren.

Meerdere honderden gasturbines met regeneratie zijn de laatste twintig jaar of zo voor deze toepassingen geïnstalleerd.

De meeste regeneratoren van deze eenheden zijn beperkt tot werktempera-10 turen van niet meer dan 538°C tengevolge van de bij hun fabricage toegepaste materialen. Deze regeneratoren hebben een constructie met platen en ribben in een drukribuitvoering die bestemd is voor continue werking.

De stijgende brandstofkosten in de laatste jaren hebben een hoog thermisch rendement nodig gemaakt en nieuwe bedrijfsmethoden vereisen een 15 regenerator die efficiënter werkt bij hogere temperaturen en duizenden start-stopcycli kan weerstaan zonder lekkage of buitengewone onderhoudskosten. Een regenerator van roestvrij staal met platen en ribben is ontwikkeld die temperaturen tot 594°C of 649°C kan weerstaan onder werkomstandigheden met herhaaldelijk onvertraagd starten en stoppen.

20 De eerder toegepaste drukribuitvoering ontwikkelde ongebalanceerde inwendige drukkraohten van een aanzienlijke grootte, gewoonlijk meer dan 4,4 miljoen N in een regenerator van geschikte afmeting. Deze ongebalanceerde krachten trachten de regeneratorkemstruc-tuur uit elkaar te splijten en worden opgenomen door een uitwendig frame 25 dat dienst doet als onder druk staande versterkingsconstructie. Daarentegen is de moderne treksoldeeruitvoering zo geconstrueerd dat de inwendige drukkraohten worden gebalanceerd en een versterkingsconstructie niet nodig is. Daar de versterkingsconstructie als gevolg van het balanceren van de inwendige drukkraohten is weggelaten, worden de verande-30 ringen in afmeting van de totale eenheid tengevolge van de warmte-uit-zetting en -samentrekking belangrijk. De warmte-uitzetting moet worden opgenomen en het probleem wordt verergerd doordat de regenerator een levensduur met duizenden verhittings- en afkoelingscycli moet uithouden 7907842 2 \ V * bij de nieuwe bedrijfswijze van de bijbehorende turbo-compressor die herhaaldelijk wordt gestart en gestopt.

Begrenzing van de uiterst hoge temperaturen van meer dan 538°C tot de eigenlijke regeneratorkem en de thermische en 5 ruimtelijke isolatie van de kem ten opzichte van het bijbehorende huis en de steunconstructie, waardoor de noodzaak voor duurder materiaal wordt verminderd om de kosten van de moderne warmtewisselaar-uit-voeringen vergelijkbaar te houden met die van de vroegere gebruikte warmtewisselaars van het plaattype, hebben gepleit voor verschillende 10 montage, koppeling en steunconstructies die tezamen het opnemen van een treksoldeerregeneratorkem in een warmtewisselaar van het beschreven type mogelijk maken.

Warmtewisselaars van het in het algemeen hierin besproken type worden beschreven in een artikel door K.O. Parker, 15 getiteld "Plate Regenerator Boosts Thermal and Cycling Efficiency", gepubliceerd in The Oil & Gas Journal van 11 april, 1977.

De uitvinding heeft betrekking op warmtewisselaars van het type met dunne vervormde platen en ribben en meer In het bijzonder op speciale constructies voor het verbinden van de verdeelstuk-20 secties van dergelijke warmtewisselaarkemen met uitwendige leidingen zonder ongewenste belasting van de verdeelstukconstructie.

De toepassing van tegenovergestelde pijpdelen die zijn verbonden door balgen met een centraal onder druk staand onderdeel, waarbij de gehele combinatie bij elkaar wordt gehouden door trekstangen 25 tussen de tegenovergestelde pijpdelen is bekend. De toepassing van êên of meer balgen voor het opnemen van verplaatsingen zoals de warmte-uit-zetting of drukuitzetting is eveneens bekend zoals bijvoorbeeld onder andere blijkt uit de Amerikaanse octrooischriften 2.787.124, 3.527.291, I.882.O85, 3.916.871. Een bijzonder type uitwendig onder druk gezette 30 balg is beschreven in het Griekse octrooischrift 3*850.231. Het bovengenoemde Amerikaanse octrooischrift 3*527.291 beschrijft ook het opnemen van vasthoudstangen in de vorm van U-bouten om de axiale uitzetting van het balgelement daarvan te beperken. Deze literatuur is beperkt tot de toepassing van balgkoppelingen voor axiale uitzetting die niet zijn 35 bedoeld of worden toegepast voor het opnemen van variaties in meerdere dimensies of het balanceren van uitgeoefende drukbelastingen op de wijze 7907842 t 4 3 van de onderhavige uitvinding.

Het Duitse octrooischrift 667.144 toont verschillende combinaties van een balgverbindingsdeel tussen tegenoverliggende pijpen met een veervasthoudconstructie om de axiale uitzetting van de 5 balg tegen te gaan en mogelijkerwijze de niet-axiale buiging of torsie van de balg.

Uitwendig onder druk staande balgen leveren bepaalde voordelen boven de meer gebruikelijke en beter bekende inwendig onder druk staande balgen voor toepassing in een expansieverdeling tussen 10 pijpen of dergelijke. De inwendig onder druk staande balg toont een neiging tot kronkelen wanneer de inwendige druk toeneemt of de stijfheid van de balg afneemt. Lang voordat de barstdruk van de balg is bereikt, zal de balg torderen en uitknikken. Deze balgelementen zijn beperkt tot toepassingen onder de kronkeldruk. Hoe langer de balg is, des te lager 15 is de kronkeldruk, hetgeen beperkingen stelt aan de toepassing van deze onderdelen.

Wanneer de expansieverbinding een huis omvat dat in verbinding staat met de inwendige druk maar de balg geheel omringt, is de neiging tot kronkelen opgeheven. Deze uitwendig onder druk staande ~2Ü Balgen zijn ook bekend ën iri“de handel verkrijgbaar.

Bi het kort omvatten de speciale uitvoeringen volgens de onderhavige uitvinding uitwendig onder druk staande balgen die zijn verbonden met de inwendige verdeelstukken aan tegenovergestelde zijden van een warmtewisselaarkem met dunne platen en ribben om de 25 warmte-uitzetting of -beweging van de warmt ewisselaarkem in drie dimensies, zijwaarts zowel als axiaal, toe te laten tijdens de werking bij hoge temperatuur en om de opbouw van overmatige spanningen in de warmtewisselaar tengevolge van de uitwendige verbindingen en inwendige werkdrukken te vermijden. De uitwendige opsluiting en balancering van 30 de geweldige inwendige drukkrachtbelastingen in het verdeelstukdeel van de kern (de afblaasbelastingen) worden bereikt door het verschaffen van tegenovergestelde verbindingen van leiding en flens aan tegenovergestelde zijden van de kem, waarbij de flenzen met elkaar zijn verbonden door trekstangen die zich daartussen uitstrekken.

35 De methode die wordt gevolgdbij het ontwerpen en fabriceren van de inrichting volgens de onderhavige uitvinding omvat de 7907842

V

ί t 4 berekening van de verschillende krachten die kunnen worden uitgeoefend tussen de warmtewisselaarkem en het balgelement dat het kemverdeel-stuk verbindt met uitwendige leidingen onder de slechtst denkbare omstandigheden, waarna de balgkoppeldelen worden ontworpen om een bepaalde 5 belasting uit te oefenen op de warmtewisselaar zowel bij normale als buitengewone werkomstandigheden. Volgens een kenmerk van de uitvinding is het hoofdringoppervlak van de uitwendig onder druk staande balg zo gekozen dat de gewenste belasting van de kern wordt verkregen op basis van de te verwachten werkdruk en temperatuur.

10 De uitvinding zal hierna worden toegelicht aan de hand van de tekening waarin :

Figuur 1 is een perspectivisch schematisch aanzicht van een warmtewisselaarkemsectie waarbij de inrichting volgens de onderhavige uitvinding is toegepast.

15 Figuur 2 is een blokdiagram dat de inrichting vol gens de onderhavige uitvinding voorstelt.

Figuur 3 is een schematische afbeelding die een uitwendig onder druk gezette balg toont die wordt toegepast volgens de onderhavige uitvinding.

20 Figuur 1 toont een gesoldeerde regeneratorkem zoals die wordt toegepast in warmtewisselaars van het hierboven beschreven type. De eenheid 10 van figuur 1 is maar één sectie van een aantal (bijvoorbeeld zes) die worden samengesteld tot een totale warmte-wisselaarmodule. De kemsectie 10 omvat een aantal gevormde platen 12 25 afgewisseld met ribben zoals de luchtribben 14 en de gasribben 16 die dienen om de lucht en het uitlaatgas in afwisselende aangrenzende tegen-stroomkanalen te richten voor de maximum warmte-overdracht. Zijplaten 18 die gelijk zijn aan de binnenplaten 12 behalve dat ze zijn gevormd uit dikker materiaal, zijn aangebracht aan de tegenovergestelde zijden 30 van de kemsectie 10. Na te zijn gemonteerd en gesoldeerd voor het vormen van een samenhangende eenheid, vormen de gevormde platen verdeel stukkanalen 22a en 22b aan tegenovergestelde einden van de centrale tegenstroomwarmtewisselsectie 20 in verbinding met de luchtkanalen daarvan.

35 Zoals is aangegeven door de pijlen in figuur 1, treedt het hete uitlaatgas uit een bijbehorende turbine binnen in het 7907842 ' r 5 afgelegen eind van de sectie 10 en stroerat het gas om het verdeelstuk-kanaal 22b, dan door de gasstroomkanalen in de centrale sectie 14 en uit de sectie 10 aan de dichtbij gelegen zijde van figuur 1 en stroomt het gas on het verdeelstuk 22a. Tegelijk treedt samengeperste lucht 5 uit de inlaatluchtcompressor voor de bijbehorende turbine binnen in de warmtewisselaarsectie 10 door het verdeelstuk 22a en stroomt de lucht door inwendige luchtstroomkanalen die zijn verbonden met de verdeel-stukken 22a, 22b door de centrale wanntewisselsectie 20, waarna de lucht uit het verdeelstuk 22b stroomt, en vandaaruit wordt de lucht 10 gevoerd naar de brander en bijbehorende turbine (niet afgebeeld). Daarbij geeft het uitlaatgas een aanzienlijke hoeveelheid warmte af aan de samengeperste lucht die wordt toegevoerd aan de bijbehorende turbine, waardoor het werkingsrendement van het turbinesysteem met regeneratie aanzienlijk wordt verbeterd.

15 Warmtewisselaars bestaande uit kemsecties zoals de sectie 10 van figuur 1 worden geleverd in verschillende afmetingen voor gasturbinesystemen met regeneratie in het gebied van 3750 - 75.000 kW. Bij de werking van een typisch systeem met toepassing van een warmtewisselaar van dit type treedt omgevingslucht binnen door een in-20 laatfilter en wordt deze lucht samengeperst tot 689 - 1033 kPa en bereikt deze een temperatuur van ongeveer 260° tot 316°C in de compres-sorsectie van de gasturbine. Daarna wordt de lucht toegevoerd aan de warmtewisselaarkein, waar de lucht wordt verhit tot ongeveer 510°C door het uitlaatgas uit de turbine. De verhitte lucht wordt dan teruggevoerd 25 naar de verbrandingskamer en turbinesectie van de bijbehorende machine via geschikte leidingen. Het uitlaatgas uit de turbine is op ongeveer 538°C en vrijwel de buitenluchtdruk. Het uitlaatgas daalt in temperatuur tot ongeveer 3"l6°C bij het passeren door de kemseetie 10 en wordt dan af gevoerd op de buitenlucht via een uitlaatgasschoorsteen. De 30 warmte die anders zou verloren gaan wordt dus overgebracht op de tur-bine-inlaatlucht, waardoor minder brandstof nodig is om de turbine te laten werken. Voor een 22.500 kW turbine verhit de regenerator 4,5 miljoen kg lucht per dag bij normaal bedrijf.

De regenerator is ontworpen om 120.000 uur en 35 5.000 cycli te werken zonder geplande reparaties, hetgeen een levens duur van 15-20 jaar voorstelt bij normale werking. Hiervoor moet de 7907842 ψ' * 6 apparatuur kunnen werken bij gasturbine-uitlaattemperaturen van 59^°C en even snel starten als de bijbehorende gasturbine zodat geen brandstof behoeft te worden verkwist om het systeem in lijn te brengen met gestabiliseerde werktemperaturen. Het zal duidelijk zijn, dat de 5 vroegere warmtewisselaarconstructies meer waren gericht op continue werking van het turbinesysteem met regeneratie. Deze systemen waren dus bestand tegen de extra tijd en brandstof die nodig was om een dergelijke warmtewisselaar geleidelijk op de gestabiliseerde werktempera-turen te brengen en de eenheid af te koelen wanneer de turbine werd 10 stil gezet. De tegenwoordige gang van zaken bij het bedrijf van turbines met regeneratie op een cyclische start-stopbasis maakt de speciale opstart- en stilzetprocedures van vroeger voor het aanpassen aan de beperkingen van de warmtewisselaar overbodig.

Bepaalde procedures moeten worden gevolgd tijdens 15 het opstarten en stilzetten van de turbine ter aanpassing aan de beperkingen van de turblneconstructie tijdens deze overgangsfasen.

Wanneer een turbine wordt gestart, wordt deze eerst gebracht op ongeveer 20 % van de werksnelheid en op dit tijdstip wordt de verbrandings-kamer aangestoken. Volgens een geregeld programma wordt de turbine 20 daarna verder op snelheid gebracht. Een soortgelijk programma wordt gevolgd tijdens het stilzetten. Het is vanuit het bedrijfsstandpunt vanuit het totale turbinesysteem met regeneratie belangrijk, dat de daarin opgenomen warmtewisselaar zich kan aanpassen aan de procedure die wordt voorgeschreven door de beperkingen van de turbineconstructie. 25 De toepassing van de dunne gevormde platen, ribben en andere onderdelen waaruit de gesoldeerde regeneratorkemsectie zoals de sectie 10 van figuur 1 bestaat, dragen bij aan deze geschiktheid. Echter moet worden verzekerd, dat de aanvaardbare belastingsgrenzen van de verschillende delen van de warmtewisselaarkemsectie, waar warmtespanningen kunnen 30 worden geconcentreerd of waar de constructie zwakker is dan elders, niet worden overschreden.

De totale warmtewisselaarkem, bestaande uit zes ondervindt een aanzienlijke uitzetting in alle drie richtingen, kemsecties 10 achter elkaar^Y'axiaal in lijn met de verdeelstukken 22a, 22b en verticaal en horizontaal in het zijwaartse vlak loodrecht op de 35 axiale richting, tengevolge van de aanzienlijke afmetingen van de warmtewisselaar en het aanzienlijke temperatuurbereik dat optreedt bij 7907842 «- > 7 de werkcyclus van het totale systeem. De verschillende onderdelen van de warmtewisselaarkem zijn aan elkaar gesoldeerd in een uitvoering die zorgt voor het zelf opnemen van de inwendige drukkrachten in de zone van de ribversterking van de onder druk staande pijpplaten. De 5 delen van de warmtewisselaar die niet zijn versterkt door de inwendige ribconstructie, met name de buitenste of boogdelen van de in êén geheel gevormde verdeelstukken, worden echter bij elkaar gehouden door de gesoldeerde verbindingen en versterkingshoepels. De gesoldeerde verbindingen zijn betrekkelijk zwak wanneer ze onder trek worden ge-10 plaatst, zelfs al zijn ze versterkt, en het is wenselijk een voorbe-lastingskracht op de verdeelstukdelen van de kern te plaatsen die kan dienen om de maximale trekkrachten die door het verdeelstuk bij alle mogelijke bedrijfsomstandigheden van het systeem worden ondervonden, te beperken. Volgens de onderhavige uitvinding wordt een balgkoppeling-15 uitvoering aangebracht tussen de uitwendige luehtleiding en de bijbehorende verdeelstukken, waardoor de warmte-uitzetting wordt opgenomen, niet alleen van de warmtewisselaarkem maar ook van de uitwendige verst erkingsconstruct ie, en de invloeden van temperatuur- en drukvariaties in de koppeldelen zelf op een zodanige wijze, dat de door de koppelingen 20 op de kern uitgeoefende belasting binnen aanvaardbare grenzen wordt gehouden.

Figuur 2 toont schematisch een inrichting volgens de uitvinding met êén helft van een warmtewisselaarkem 50 met bijbehorende koppelingbalgen 52 die zijn verbonden met een verdeelstuk 54 25 dat zich uitstrekt door de warmtewisselaarkem 50» Het zal duidelijk zijn dat figuur 2 slechts één helft van een warmtewisselaarkem met koppelingeonstructie toont, bijvoorbeeld de luchtinlaatzijde van figuur 1, en dat een andere soortgelijke constructie met een paar balgen zoals 52 wordt aangebracht in verband met de andere helft zoals de luchtuit-50 laatzijde.

De balg 52 aan de linkerzijde van figuur 2 heeft een uitwendig kanaal 56 voor verbinding met de bijbehorende luchtinlaat- of luchtuitlaatleiding van het systeem. De rechter balg 52 van figuur 2 heeft echter een overeenkomstige opening 58 die wordt afgedekt 55 door een mangat 40 dat is bevestigd aan de eindflens 42 met geschikte bevestigingsbouten 44. De flenzen 42 zijn met elkaar verbonden over de 7907842 8 gehele constructie door trekstangen 44 en deze nemen de gebalanceerde drukkrachten op die worden uitgeoefend door de inwendige druk vermenigvuldigd met het verbindingsoppervlak door de kern. Het zal duidelijk zijn dat deze drukstangen 44 zich uitstrekken door de hete uitlaatgas-5 kamers aan het gasinlaat- en uitlaateind van de kemsectie 10 zoals in figuur 1 is afgebeeld, en daarom zelf een behoorlijke thermische lengte-uitzetting ondervinden die in rekening moet worden gebracht bij de constructie volgens de onderhavige uitvinding voor het balanceren en regelen van de belasting.

10 Elke balg 32 heeft verder een centrale leiding 46 die aan zijn binnen- of kemeind is verbonden met de aangrenzende zij-plaat 18 door een koppelaar 48 bestaande uit een koppeling 50 en een inwendig veerkrachtig afdichtlngsorgaan 52. Aan het buiteneind is de leiding 46 via een terugkerend deel 54 verbonden met een balgsectie 15 56 · Het zal duidelijk zijn dat de balg 32 en de onderdelen daarvan rond zijn en dat ze in figuur 2 in doorsnede zijn afgebeeld. Het binneneind van de balgsectie 56 is verbonden met het uitwendige huis 58 van de balg 32. De zone tussen de balgsectie en het huis 58 staat in verbinding met het inwendige van de leiding 46 via een ringvormige opening 20 60en staat daarom onder dezelfde druk als de inwendige luchtkanalen van de bijbehorende warmtewisselaarkem waardoorheen de inlaatlucht aan een bijbehorende turbine wordt toegevoerd, welke druk gewoonlijk valt in het bereik van 689 tot 1035 kPa, afhankelijk van de turbine waarmede de warmtewisselaar samenwerkt. Bij de uitvoering volgens de 25 uitvinding zoals in figuur 2 is afgebeeld, zijn de balgen 32 aan de tegenovergestelde zijden van de warmtewisselaarkem gelijk van uitvoering om de gewenste balancering van de belastingkrachten te verkrijgen die door de balgen worden uitgeoefend op de warmtewisselaarkem. De balg 32 aan de linkerzijde van figuur 2 is de balg aan de 30 leidingzijde, terwijl de balg 32 aan de rechterzijde van figuur 2 de balg van een afgesloten leiding of mangat is die in de hier beschreven constructie is afgesloten met een afneembaar mangatdeksel 40 om de toegang te verkrijgen tot het inwendige van de warmtewisselaarkem voor inspectie en onderhoud.

35 Het schema van figuur 3 toont de beginselen van de uitvinding en de constructieve overwegingen die worden toegepast om te 7907842 9 komen tot de constructieve afmetingen van de balgbelastingconstructie. Zoals in figuur 3 is afgebeeld, kan het daarin afgebeelde deel van de balg 32 worden beschouwd als een omwentelingsoppervlak, dat bij rotatie om de middellijn 66 de cilindrische balgconstructie ontwikkelt. De in 5 figuur 3 afgebeelde onderdelen hebben verwijzingscijfers die overeenkomen met de balgconstructie van figuur 2. Er is dus het huis 58 af geheeld, de balgsectie 56» de inwendige leiding 46, het terugkerende deel 54, de opening 60 voor uitwendige drukuitoefening en de uitwendige aansluitleiding 36. De afbeelding van figuur 3 komt overeen met de 10 linkerbalg 32 van figuur 2, waarbij de kern aan de rechterzijde van figuur 3 ligt. Een spiegelbeeld van deze afbeelding zou overeenkomen met de balg 32 voor de blinde leiding of het mangat aan de rechterzijde van figuur 2.

Bij de hierboven beschreven warmtewisselaars met 15 toepassing van de bijzondere constructie volgens de uitvinding is de flens 42 van de luchtleidingverbindingszijde vast verbonden met de koude frameconstructie van een warmtewisselaar (niet afgebeeld). De warmte-uitzetting van de trekstangen 44 die tijdens de werking van de warmtewisselaar optreedt veroorzaakt dus een axiale verplaatsing naar 20 rechts, dus een verplaatsing van de koppelorganen van de kern en de balg naar de rechterzijde van de linkerflens 42, welke onderdelen een dergelijke verplaatsing kunnen uitvoeren. Aanvankelijk staat de balgsectie 56 onder trek, hetgeen betekent dat een overeenkomstige drukkracht wordt uitgeoefend op de kern tengevolge van het terugkerende deel 54 25 en de verankering van de balgsectie 56 zoals is afgebeeld tussen het starre huis 58 en de eindpaneelleiding 46. De axiale kracht die wordt uitgeoefend tussen de tegenovergestelde flenzen 42 is een functie van de werkdruk en het verbindingsoppervlak dat overeenkomt met de binnen-diameter die tweemaal de straal A is en deze kracht wordt soms aange-30 duid als de afblaaskracht. De effectieve belasting die op de kern wordt uitgeoefend door de balg 32 tengevolge van het onder druk zetten van het systeem komt overeen met het produkt van de druk maal het ring-voimige oppervlak van de balg, welk oppervlak kan worden verkregen door het oppervlak dat overeenkomt met de straal B te berekenen en het ver-35 bindingsoppervlak dat overeenkomt met de straal A af te trekken. Het effektieve ringvormige oppervlak kan desgewenst worden gevariëerd door 7907842 10 de hoogte van de windingen van de balgsectie 56 te variëren. De hoogte van de windingen van de balgsectie 56 en daardoor het effektieve ringvormige oppervlak bepaalt de axiale drukkracht die wordt uitgeoefend op de kern en wordt bij voorkeur zodanig gekozen dat de kern onder alle 5 werkomstandigheden onder samendrukking staat of tenminste verzekerd is dat een trekbelasting op de kern op een punt rondom de omtrek van het verdeelstuk niet groter wordt dan de maximum trek die dit punt bij de werking van het systeem kan weerstaan.

De belasting op de kern vanwege de balg J>2 bij de 10 constructie volgens de onderhavige uitvinding bestaat uit drie fak-toren. De hoofdfaktor is de drukbelasting die het gevolg is van het produkt van het ringvormige oppervlak maal de opgenomen luchtdruk.

Dit telt voor ongeveer 80 tot 90 % van de belasting. De tweede faktor is de axiale uitzetting van de balg tengevolge van de warmte-uitzetting 15 bij de verhitting van de balg tezamen met de rest van de hete constructie. Dit telt voor ongeveer 5 % van de totale belasting. Tenslotte is er een belastingsfaktor uit zijwaartse beweging tengevolge van de warmte-uitzetting van de kern in de zijwaartse richting. Hier ontstaat een buigmoment op de kern die in het algemeen werkt om een diametrale 20 as van het aangrenzende verdeelstuk die ongeveer 45° maakt met de loodrechte diameters van het verdeelstuk in het zijvlak (dat wil zeggen het vlak van de kemplaten). Deze buigmomentkracht is ongeveer 10 tot 15 % van de kembelasting die wordt ontwikkeld door de balg en kan worden beschouwd als positief (druk) aan de ene zijde en negatief 25 (trek) aan de andere.

Volgens een kenmerk van de uitvinding worden de balgen in een voorbelaste toestand aangebracht. Een kleine axiale drukkracht wordt uitgeoefend op de kern, omdat de balgsectie onder een kleine trekkracht wordt gehouden. De hartlijn van de balg maakt een 50 kleine hoek ten opzichte van de hartlijn van het verdeelstuk, waarbij de hoek.tegen de richting van de zijwaartse uitzetting van de kern is gericht. Wanneer de kern zijwaarts uitzet tengevolge van de warmte-uitzetting, neemt de hoek af tot nul en daarna toe in tegenovergestelde richting, zodat de zijwaartse belastingcomponent van positief naar ne-35 gatief gaat. Dit is gunstig voor het verminderen van de zijwaartse krachten die noodzakelijkerwijze worden uitgeoefend op de kern door de 7907842 η balg en vergroot ook de vermoeiingslevensduur van de balg. Dit is een gevolg van het feit dat bij de start-stopcyclus van de warmtewisselaar een wisselende zijwaartse belasting optreedt tussen de balg en de kem in plaats van variaties in grootte van een eenzijdige zijwaartse be-5 lasting die in amplitude groter zouden zijn aan hun bovengrens.

Zoals hierboven werd opgemerkt, staat de geïnstalleerde balgsectie 56 onder geringe trek, waardoor een drukkracht wordt uitgeoefend op de kem. Met de eveneens uitgeoefende zijwaartse voorbelasting kan de axiale drukbelasting langs één zijde van de verdeel-10 stukomtrek enigszins worden opgeheven, met als resultaat een geringe netto trek in de kem langs dit deel. Wanneer de turbine en compressor worden opgestart, begint de druk zich op te bouwen in de luchtkanalen en wordt deze uitgeoefend op de buitenzijde van de balgsectie 56. Hierdoor krimpt de balgsectie enigszins waardoor de drukbelasting op de 15 kem toeneemt. Dit wordt enigszins tegengewerkt door de axiale uitzetting van de balg die een component ontwikkelt in de tegengestelde richting aan die welke wordt ontwikkeld door het onder druk zetten. Wanneer de startprocedure wordt voortgezet met het aansteken van de verbrandings-kamer en de turbine in de volle werktoestand wordt gebracht volgens 20 zijn regelprogramma, neemt de tegenovergestelde balgkoppelinguitvoering volgens de uitvinding de warmte-uitzetting van de kem en andere verhitte onderdelen in de belast ingsteunlus op, waarbij de inwendige drukkracht en worden gebalanceerd en de belastingen op de kem binnen aanvaardbare grenzen worden gehouden. Wanneer de turbine wordt stilgezet, 25 volgt de druk in het algemeen de temperatuur, zodat de uitgeoefende belastingen binnen de ontwerpgrenzen van de kem, zoals die zijn bepaald bij het ontwerpen van de balg, variëren.

Een methode om de uitwendige onder druk staande balg te ontwerpen voor toepassing in constructies volgens de onderdo havige uitvinding omvat het bepalen van alle krachten langs de belas-tingsteunlus met inbegrip van de kem, de balgen, de eindflenzen en de trekstangen voor alle verwachte werkfasen van start tot stilstand. Het hoofdringoppervlak van de balgen wordt dan zo gekozen dat de geschikte drukkracht ontstaat om de samendrukkracht op de kem binnen aanvaard-55 bare grenzen te houden. Verder worden tijdens de installatie de balgen en de kem ten opzichte van elkaar gemonteerd met een voorafbepaalde 7907842 12 axiale en zijwaartse voorbelasting om rekening te houden met veranderingen in de constructie-afmetingen die optreden tijdens de werking.

Bij het bepalen van de gegevens van de balgen, worden de waarden van de belasting tengevolge van de druk, axiale 5 uitzetting en zijwaartse beweging algebraïsch opgeteld voor alle verwachte toestanden en worden de maximum druk en maximum trek die kunnen optreden, ongeacht de beweging van de kern en bijbehorende constructie, berekend. De windinghoogte van de balgsectie 56 en daarmede het gemiddelde ringvormige oppervlak wordt dan gekozen om te verzekeren dat de 10 maximum samendrukbelasting en de maximum trek op de kern aldus berekend binnen aanvaardbare grenzen blijven voor de kemconstructie.

Xn een bepaalde uitvoering van de uitvinding werd een balgkoppelingconstructie geleverd voor toepassing bij een warmte-wisselaarkem in een systeem zoals schematisch is afgebeeld in figuur 15 2 en 5 met de volgende ontwerpgegevens:

Cycluslevensduur 5»000 cycli ontwerpdruk 1069 kPa

ontwerptemperatuur 558°C

axiale uit zet beweging 6,05 cm 20 axiale samendrukbeweging 5*6 cm zijwaartse uitbuiging + 0,69 cm hoekverdraaiing 0° axiale toename 876 N per cm zijwaartse toename 5504 N per cm 25 afmeting A (figuur 5) 30,2 cm afmeting B (figuur 3) 55*6 cm lengte van de balg totale lengte (figuur 3) 65,5 cm balgsectie 55 cm 50 Deze constructiegegevens werden verkregen met een 2 balg met een effektief ringoppervlak van 5650 cm .

Als gevolg van de toepassing van de buigzame, uitwendig onder druk gezette metaalbalg voor het koppelen en ondersteunen van leidingkrachten ten opzichte van een warmtewisselaarkem, verkrijgt 55 de kern een volledige vrijheid om zonder belemmering te bewegen binnen -zijn aanvaardbare belastingsgrenzen, waardoor beschadiging wordt voor- 7907842 13 kanen die anders zou kunnen optreden tengevolge van warmtespanningen. De blinde leidingen aan de tegenovergestelde zijde van de kern ten opzichte van de bijbehorende luchtleidingen dienen voor het balanceren van de op de tegenovergestelde zijden van de kern uitgeoefende belas-5 tingen en dienen tezamen met de uitwendige trekstangen als reactie voor de afblaaskrachten die trachten de balg onder druk axiaal uit te rekken. De combinatie van het uitwendig onder druk zetten van de balg met een geregelde samendrukbelasting op de kern verschaft deze resultaten met een zeer zachte balguitvoering (dat wil zeggen lage stijf-10 heid) zonder instabiliteit en binnen de zeer lage kraehtniveau’s die acceptabel zijn voor de kern.

79 07 84 2

Claims (12)

1. Inrichting voor het koppelen van een luchtleiding aan het in êên geheel gevormde verdeelstuk van een warmtewisselaarkem met dunne platen en ribben, die is blootgesteld aan warmte-uitzetting 5 tijdens de werking, met het kenmerk, dat een uitwendig onder druk gezette balg is gekoppeld tussen een bijbehorende uitwendige luchtleiding en een verdeelstukkanaal, waarbij de balg een bepaald' ringoppervlak heeft dat wanneer het onder de werkdruk van het systeem staat een druk-maal-oppervlakkracht uitoefent die voldoende is om een 10 samendrukbelasting op de kern uit te oefenen bij alle bedrijfsomstandigheden,

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat een soortgelijke balg aan de tegenovergestelde zijde van de kern ten opzichte van de eerstgenoemde balg is aangebracht om 15 een blinde leiding te koppelen met het tegenovergestelde eind van de balg ten opzichte van de luchtleiding teneinde de krachten op de ver-deelstukdelen van de kern te balanceren,

3. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat elke balg is gekoppeld aan een bijbehorende flens, 20 waarbij een aantal trekstangen zich uitstrekken over de kem tussen de flenzen om de afblaaskrachten van de kem op te nemen,

4. Inrichting volgens êên der conclusies \ - 3* met het kenmerk, dat elke balg bij installatie voorbelast is op een geringe axiale trek teneinde een axiale samendrukkracht- 25 component op de kem uit te oefenen.

5. Inrichting volgens êên der conclusies 1 - 3> met het kenmerk, dat bij installatie elke balg is gemonteerd met een bepaalde zijwaartse voorbelasting op de kem,

6. Inrichting volgens conclusie met het 30 kenmerk, dat de bepaalde zijwaartse voorbelasting werkt in een richting tegengesteld aan de richting van de zijwaartse warmte-uitzetting van de kem tengevolge van de werktemperatuur.

7. Inrichting volgens conclusie 3> met het kenmerk, dat de soortgelijke balg axiaal vrij beweegbaar is met 35 de kem over de verlengingsafstand van de trekstangen tengevolge van de verhitting daarvan. 7907842

8. Werkwijze voor het bepalen van de afmetingen van een balgkoppelorgaan voor het koppelen van een luchtleiding op het in één geheel gevormde verdeelstuk van een warmtewisselaar met dunne platen en ribben, die is voorzien van een aantal trekstangen 5 en tegenovergestelde flenzen on de afblaaskrachten op te nemen, met het kenmerk, dat de verplaatsing tengevolge van de axiale en zijwaartse uitzetting tijdens alle mogelijke bedrijfsomstandigheden van alle onderdelen die aan een dergelijke verplaatsing zijn onderworpen in een belastingssteunsysteem dat de balg omvat, wordt bepaald, 10 en deze waarden worden gecombineerd om de maximum krachten te bepalen die ongeacht de kembeweging kunnen worden uitgeoefend op de kern, en deze waarden worden vergeleken met de maximum waarden die door de kern kunnen worden opgenomen, en een ringvormig oppervlak van de balg wordt gekozen dat voldoende is om een voorafbepaalde drukbelasting binnen 15 aanvaardbare grenzen van deze krachten uit te oefenen.

9. Werkwijze voor het koppelen van een luchtleiding aan een warmtewisselaarkem die bestaat uit een stapel dunne gevormde platen en ribben die aan elkaar zijn gesoldeerd in een kemconstruetie met in één geheel gevonude luchtverdeelstukken, met het 20 kenmerk, dat een balg met een voorafbepaald ringoppervlak wordt gekozen voor het ontwikkelen van een gewenste drukbelasting op de kern om de kemverdeelstukken onder samendrukking te houden tijdens de normale bedrijfsomstandigheden en een voorafbepaalde axiale voorbelasting in samendrukking op de kern in de geïnstalleerde toestand wordt uitge-25 oefend.

10. Werkwijze volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat een voorafbepaalde zijwaartse voorbelasting op de kern wordt uitgeoefend overeenkomstig de te verwachten zijwaartse warmte-uitzetting van de kern tijdens het bedrijf.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat daarbij de zijwaartse voorbelasting in de richting van de te verwachten warmt e-uitzetting van de kern wordt uitgeoefend.

12. Werkwijze volgens één der conclusies 9-11, met het kenmerk, dat een paar balgen wordt gekoppeld 35 aan tegenovergestelde zijden van een kemverdeelstuk om de pp de tegenovergestelde zijden van de kern uitgeoefende krachten te balanceren. 7907842 IJ. Werkwijze volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat een balg met een gesloten eind wordt gekoppeld aan de kemzijde die afligt van de kemzijde waarop een bijbehorende luchtleiding wordt gekoppeld. 7907842