WO2003078799A1 - Flanschverbindungsschraube für turbinen - Google Patents

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WO2003078799A1
WO2003078799A1 PCT/EP2003/050047 EP0350047W WO03078799A1 WO 2003078799 A1 WO2003078799 A1 WO 2003078799A1 EP 0350047 W EP0350047 W EP 0350047W WO 03078799 A1 WO03078799 A1 WO 03078799A1
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screw
cooling
heating
arrangement
flange
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PCT/EP2003/050047
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English (en)
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Inventor
Martin Reigl
Original Assignee
Alstom (Switzerland) Ltd
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/243—Flange connections; Bolting arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B2200/00—Constructional details of connections not covered for in other groups of this subclass
    • F16B2200/50—Flanged connections
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B2200/00—Constructional details of connections not covered for in other groups of this subclass
    • F16B2200/50—Flanged connections
    • F16B2200/506—Flanged connections bolted or riveted
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B2200/00—Constructional details of connections not covered for in other groups of this subclass
    • F16B2200/50—Flanged connections
    • F16B2200/509—Flanged connections clamped

Definitions

  • the invention relates to flange bolts used in turbines, and more particularly to an arrangement for cooling and heating such flange bolts and a control system for operating the arrangement.
  • Flange connection screws are used to press together different components of a turbine, such as a turbine housing, pipes or other connections.
  • a turbine housing includes flanges, which are integral parts of the housing and are intended to hold the lower and upper halves of the housing together when under pressure.
  • Half of the housing comprises an upper flange half and the other half a lower flange half, which are pressed together by flange connection screws and flange connection nuts. The two flange halves are pressed together by means of screwing forces, which ensures that no steam or gas escapes from the housing.
  • a cross section of a housing of a gas or steam turbine with such flange connection screws is shown in FIG. 1.
  • the turbine is enclosed by an inner casing with an upper half 31 and a lower half 33, which are held together by a flange with an upper half and a lower half 32 and 34, respectively.
  • the two flange halves are an integral part of the inner housing and are pressed together by the screwing force, which is given by the screws and nuts 35, so that no fluid at the flange plane 26 between the upper and emerges from the lower half of the inner housing.
  • the outer housing includes an upper half 21 and a lower half 23 which are pressed together by a flange having an upper half 22 and a lower half 24.
  • the upper and lower flange halves 22 and 24 are pressed together by screws and nuts 25 so that no steam or gas escapes at the flange plane 26, which extends between the upper and lower half of the outer housing.
  • the bolts can loosen and the bolting forces decrease as a function of time. If the temperature is too high, the bolting forces decrease at such a rapid rate that the bolts no longer keep the outer housing tightly closed.
  • US Pat. No. 6,273,675 discloses a flange cooling arrangement which is applied to the outer casing of a steam turbine, which comprises pipes which are arranged in the insulation of the casing and which contact the outer edge of the flange. Heat is transferred to the air in the pipes by natural convection. The screws are indirectly cooled via the flange and the pipe in the insulation.
  • the same patent discloses another known method of cooling the outer casings, wherein the flange includes a bore through which air can flow and cool the flange by natural convection.
  • cooling arrangements are arranged in the flange such that the flange is primarily cooled and the screws are only cooled indirectly via the flange.
  • the steam inside the case warms the flange, which limits the cooling effect on the screws over the flange.
  • the cooling effect by means of natural convective air flow is limited due to its limited flow speed.
  • These arrangements also involve a relatively large amount of heat loss because much heat has to be removed from the flange to cool the screws.
  • These cooling arrangements are only applicable to the outer casing of turbines. They are not suitable for inner housings, since steam normally flows around the inner housings, so that cooling air is not available for convective cooling.
  • the object of the invention is to provide an arrangement for cooling or heating flange connection screws for turbines, which ensures an improved stabilization of the screwing forces during the operation of the turbine.
  • the flange connection screws with such an arrangement must be able to be used successfully with gas turbines or steam turbines which are operated at elevated steam or gas temperatures and pressures.
  • Another object of the invention is to provide a system for controlling the mass flow of a fluid through the heating or cooling arrangement.
  • a cooling or heating arrangement for a screw which screws an upper and a lower half of a flange into a turbine and is arranged in a bore which extends through the two halves of the flange comprises one or more boreholes which extend through the screw.
  • the arrangement also includes one or more feed pipes and one or more drain pipes connected to the ends of each borehole. The pipes serve as the inlet and outlet for a cooling or heating fluid that flows through each borehole.
  • the one or more drill holes extend axially through the screw.
  • additional boreholes extend in the radial direction away from an axial borehole.
  • a cooling or heating fluid such as air, steam, or any other fluid, flows through an inlet pipe into and through a borehole, thereby cooling or heating the screw, and exits a borehole via a drain pipe.
  • the coolant or heating medium either flows naturally or forcedly, providing cooling and heating by convection.
  • forced air can Example by means of a fan or a fan.
  • a fan or blower is positioned in front of or in an inlet pipe and thereby generates an overpressure in the inlet pipe.
  • the fan or blower is positioned in or after a drain pipe and creates a negative pressure in the drain pipe.
  • a forced fluid flow can also be provided by using suction steam, for example by steam extraction from the turbine.
  • the inlet pipe is connected to a discharge line, which leads from the interior of the inner housing of the gas or steam turbine.
  • This cooling or heating arrangement enables a direct and consequently more effective cooling or heating of the screw itself. As such, it represents an improvement over the indirect cooling described in the prior art.
  • the cooling of the flange connection screw by means of this arrangement weakens the screw loosening and ensures that the screwing forces remain constant during the entire continuous operation of the turbine.
  • a change in the screwing force due to thermal expansion during the transitional operation remains limited.
  • the heating of the flange connection screws can reduce the stresses which are caused by the temperature difference between the screws and the flange due to thermal expansion.
  • the flange which is an integral part of the turbine housing, heats up faster than the screw due to the pressurized fluid within the housing. The The heating of the screw serves the purpose
  • Other coolants or heating means can also be used.
  • nitrogen can be used instead of air.
  • the time between maintenance and inspection of the screws can be extended.
  • Leaky flanges can be sealed by installing the cooling or heating assembly at a later time after their initial installation.
  • the flange connection screws are more resistant with regard to the transition operation, since a larger permissible stress section is required as a result of a lower required pre-tensioning of the cold screw remains for differential thermal expansion of the screw and the flange.
  • the arrangement according to the invention is not only suitable for gas turbines, but also for steam turbines, which are operated using both conventional and extreme steam parameters.
  • the invention is applicable, for example, to the following turbine components, although this list is of course not exhaustive: pipe flange connections, flange connections between valves and turbine housings, horizontal or vertical flanges for outer turbine housings, flanges for inner turbine housings, flanges for " blade carriers and flanges for closure carriers.
  • the arrangement for cooling or heating the flange connection screws can be operated with or without a control system.
  • a control system for operating the cooling arrangement controls, for example, the mass flow of the cooling or heating fluid. It includes a controller, one or more temperature measuring devices and a valve. The temperature of the cooling or heating fluid is measured at one point after it has passed through the screw. In the event that the temperature of the fluid is not known at a point before it enters the screw, this temperature must also be measured.
  • the controller calculates the amount of heat that is supplied to or removed from the screw using the mass flow rate of the fluid and Difference between the fluid temperature before and after the screw.
  • the adjustment of the valve which is located in the tube for the fluid before or after the screw, regulates the amount of fluid flowing through the tube and is controlled according to the measured temperature differences of the fluid and the mass flow of the fluid.
  • FIG. 1 shows a cross section of a turbine according to the prior art, in which the screw arrangement according to the invention can be used.
  • FIG. 2 shows a cross section of an arrangement for cooling or heating a through screw with an axial bore.
  • FIG. 2a shows a cross section of the flange connection screw along the line Ha with a plurality of axial boreholes.
  • FIG. 2b shows a cross section of the flange connection screw along the line IIb with several axial boreholes.
  • FIG. 3 shows a cross section of an arrangement for cooling or heating a screw for a flange with a blind hole.
  • Figure 4 shows a cross section of an arrangement for cooling or heating a screw for a flange with expansion sleeves.
  • FIG. 5 shows a cross section of an arrangement for cooling or heating a screw for a flange, which is based on an insulated one outer casing of a turbine is applied.
  • FIG. 6 shows a cross section of an arrangement for cooling or heating a screw for a flange with both axial and radial boreholes.
  • Figure 7 shows the cross section of an arrangement for cooling or heating a flange connection screw which is connected in series with the same type of arrangement for further screws.
  • Figure 2 shows an upper and a lower flange 5 and 6, which are arranged to press the upper and lower halves 21, 23 of an outer turbine housing with a screw 3 and an upper and a lower nut 4 and 7, in cross section ,
  • the arrangement for cooling the screw according to the preferred embodiment of the invention comprises a borehole 8 which extends along the longitudinal axis.
  • An inlet pipe 1 is connected to one end of the borehole and provides an inlet for a cooling or heating fluid.
  • the fluid for this arrangement as well as for the cooling or heating arrangements shown in Figures 2-6 can be any gas or liquid, such as air, steam or nitrogen.
  • the fluid flows through the borehole 8 and cools or heats the screw 3 by natural or forced convection. It then leaves the arrangement via an outlet which comprises an outlet tube 2 which is connected to the borehole 8 at the other end of the screw 3.
  • a means for causing a forced fluid flow through the borehole 8, such as a fan or a blower, is arranged either in or before the inlet pipe 1 or in or after the outlet pipe 2.
  • FIGS. 2a and 2b show the cross section at right angles to or along the longitudinal axis of a flange connection screw.
  • This variant of the arrangement for cooling or heating comprises four axial boreholes 8, which are arranged symmetrically about the longitudinal axis and extend through the length of the screw 3 extend.
  • This cooling or heating arrangement is applicable to continuous screws which extend through the entire flange and with both an upper nut 4 and a lower nut 7, as in FIG. 2 shown, are tightened. They can also be used for screws which are arranged in a blind or blind hole and tightened with a single nut 4, as shown in FIG. 3. Screws in blind holes have a larger screw-flange contact area on the thread compared to the contact area between screw and nuts and the flange of continuous screws. For this reason, the cooling arrangement that is applied to through bolts produces more effective cooling and a lower bolt temperature compared to a cooling arrangement that is applied to bolts in a blind hole.
  • Figure 4 shows a screw 3, which screws an upper and a lower flange 5 and 6.
  • the screw and the flange are screwed tight with the nuts 4 and 7.
  • An upper expansion sleeve 11 is arranged between the upper flange part 5 and the upper groove 4, and a lower expansion sleeve 12 is arranged between the lower flange part 6 and the lower nut 7.
  • the screw comprises a similar cooling arrangement with an axial borehole 8, as shown in Figures 1 and 2.
  • the heat flow from the housing into the screw is further reduced due to the greater thermal resistance due to the addition of the sleeves. For this reason, the cooling effect can be improved by means of the axial borehole.
  • This variant can also be realized by using only one expansion sleeve.
  • the cooling arrangement ensures that the screw tightening force does not decrease so much after a non-stationary operation of the turbine. For example, when starting a turbine with flange connection screws, which are not cooled, the flange heats up faster than the screw because the heat first comes through the flange must flow before it reaches the screw. Due to the thermal expansion of the flange, the bolting force increases first. As soon as the screw has warmed up and expanded thermally, the screwing force decreases again. For flange connections with a cooling or heating arrangement according to the invention, the decrease in the screwing force is less, since the screw does not heat up as much and its thermal expansion accordingly remains low.
  • the screws with the cooling or heating arrangements according to the invention therefore require a lower preload than screws without this arrangement. Since the steam turbine housings are preheated, which increases the screw tension, the lower tension in the cold state is not a disadvantage. Rather, it is advantageous that larger temperature transitions are permitted, since due to the lower preload any additional tension due to the different thermal expansions of the flange and the screw can now be larger.
  • Figure 5 illustrates the application of the invention to the insulated outer casing or pipe flanges of a steam turbine.
  • the flange and the screw comprise encapsulated nuts 4, 7 and locking screws 51 and 52, which serve to prevent the insulation material from entering the screw thread and allow assembly of pipes 1 and 2 after tightening screw 3.
  • This variant of the invention is equally applicable to an insulated inner housing.
  • the variant can also be realized by using only a locking screw and an encapsulated nut.
  • the coolant can flow through the axial boreholes either by forced or natural convection. Forced convection can take place, for example, by means of an overpressure in the inlet pipe, which is caused by a fan. Vertical inlet and outlet tubes are preferred for natural convection.
  • the cooling or heating arrangement according to the invention can also be applied to screw and flange connections for internal turbine housings, supports for immovable and rotating blades and closure supports.
  • steam can be drawn off at a suitable pressure in the housing with a slight excess pressure and led to the inlet pipes of the arrangement.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the invention.
  • the arrangement for cooling or heating the screw for a flange comprises not only an axial borehole 8, but also one or more radial boreholes 40 which extend from the axial borehole 8 to Extend the outside of the screw shaft.
  • the coolant which flows from the axial hole into the radial holes 40, flows therefrom into the flange bore 41 and leaves the arrangement through the thread of the screw.
  • FIG. 7 shows a section of the upper half 61 of a turbine housing and the lower half 62 of a turbine housing, which are held together by an upper flange 5 and a lower flange 6. They are pressed together by several screws and nuts 4 and 7.
  • Each screw has a cooling or heating arrangement according to the invention with a borehole 8. Each end of the boreholes 8 is connected to inlet and outlet pipes 1 and 2.
  • the cooling and heating arrangements for each screw are connected in series by connecting the drain pipe 2 of one screw to the feed pipe 1 of the next screw.

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Abstract

Gemäss der Erfindung umfasst eine Anordnung zum Kühlen oder Erwärmen einer Flanschverbindungsschraube (3) für Turbinen ein oder mehr Bohrlöcher (8), welche sich durch die Schraube (3) erstrecken, und Zulauf- (1) und Ablaufrohre (2), welche an jedes Ende des Bohrlochs (8) angeschlossen sind. Ein Kühl- oder Heizmittel, wie beispielsweise Luft, Dampf oder jedes andere Fluid, strömt durch ein Zulaufrohr (1) in und durch das Bohrloch (8), wodurch es die Schraube kühlt oder erwärmt, und verlässt das Bohrloch (8) über ein Ablaufrohr (2). Die Kühlungs- oder Erwärmungsanordnung ermöglicht direktes Kühlen oder Erwärmen der Schraube (3) selbst.

Description

FLANSCHVERBINDUNGSSCHRAUBE FÜR TURBINEN
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft Flanschverbindungsschrauben, welche bei Turbinen angewendet werden, und insbesondere eine Anordnung zum Kühlen und Erwärmen derartiger Flanschverbindungsschrauben und ein Steuersystem zum Betreiben der Anordnung.
STAND DER TECHNIK
Flanschverbindungsschrauben werden dazu verwendet, verschiedene Bauteile einer Turbine, wie zum Beispiel ein Turbinengehäuse, Rohre oder andere Verbindungen, zusammenzupressen.
Ein Turbinengehäuse umfasst Flansche, welche integrale Teile des Gehäuses sind und die untere und die obere Hälfte des Gehäuses zusammenhalten sollen, wenn es unter Druck ist. Eine Hälfte des Gehäuses umfasst eine obere Flanschhälfte und die andere Hälfte eine untere Flanschhälfte, welche durch Flanschverbindungsschrauben und Flanschverbindungsmuttern zusammengepresst werden. Die beiden Flanschhälften werden mittels Verschraubungskräften zusammengepresst, wodurch sichergestellt wird, dass kein Dampf oder Gas aus dem Gehäuse austritt . Ein Querschnitt eines Gehäuses einer Gas- oder Dampfturbine mit derartigen Flanschverbindungsschrauben ist in Figur 1 dargestellt. Die Turbine ist von einem inneren Gehäuse mit einer oberen Hälfte 31 und einer unteren Hälfte 33, welche durch einen Flansch mit einer oberen Hälfte und einer unteren Hälfte 32 bzw. 34 zusammengehalten werden, umschlossen. Die beiden Flanschhälften sind ein integraler Teil des inneren Gehäuses und werden durch die Verschraubungskraft, welche durch die Schrauben und Muttern 35 gegeben ist, zusammengepresst, so dass kein Fluid an der Flanschebene 26 zwischen der oberen und der unteren Hälfte des inneren Gehäuses austritt. Auf ähnliche Weise umfasst das äußere Gehäuse eine obere Hälfte 21 und eine untere Hälfte 23, welche durch einen Flansch mit einer oberen Hälfte 22 und einer unteren Hälfte 24 zusammengepresst werden. Die obere und die untere Flanschhälfte 22 und 24 werden durch Schrauben und Muttern 25 so zusammengepresst, dass kein Dampf oder Gas an der Flanschebene 26, welche sich zwischen der oberen und der unteren Hälfte der äußeren Gehäuse erstreckt, austritt.
Bei erhöhten Temperaturen können die Schrauben sich lockern, und die Verschraubungskräfte nehmen als eine Funktion der Zeit ab. Wenn die Temperatur zu hoch ist, nehmen die Verschraubungskräfte mit einer derart schnellen Rate ab, dass die Schrauben das äußere Gehäuse nicht länger ausreichend dicht geschlossen halten.
Das US-Patent 6,273,675 offenbart eine Anordnung zum Kühlen eines Flansches, welche auf das äußere Gehäuse einer Dampfturbine angewendet wird, welche Rohre umfasst, die in der Isolierung des Gehäuses angeordnet sind und die Außenkante des Flansches berühren. Wärme wird durch natürliche Konvektion- an die Luft in den Rohren übertragen. Die Schrauben werden über den Flansch und das Rohr in der Isolierung indirekt gekühlt .
Dasselbe Patent offenbart ein anderes bekanntes Verfahren des Kühlens der äußeren Gehäuse, wobei der Flansch eine Bohrung enthält, durch welche Luft strömen und den Flansch durch natürliche Konvektion kühlen kann.
Diese Kühlungsanordnungen sind so im Flansch angeordnet, dass in erster Linie der Flansch gekühlt wird und die Schrauben nur indirekt über den Flansch gekühlt werden. Der Dampf innerhalb des Gehäuses wärmt den Flansch, was die Kühlwirkung an den Schrauben über den Flansch begrenzt. Zusätzlich ist die Kühlwirkung mittels natürlichem konvektivem Luftstrom infolge seiner begrenzten Strömungsgeschwindigkeit begrenzt . Diese Anordnungen sind außerdem mit einem verhältnismäßig großen Wärmeverlust verbunden, da viel Wärme aus dem Flansch befördert werden muss, um die Schrauben zu kühlen. Diese Kühlungsanordnungen sind nur auf die äußeren Gehäuse von Turbinen anwendbar. Sie sind für innere Gehäuse nicht geeignet, da normalerweise Dampf um die inneren Gehäuse strömt, wodurch keine Kühlluft für konvektives Kühlen verfügbar ist .
Außerdem ist es in der Turbinentechnik bekannt, Schrauben mit einer Mittelbohrung zu versehen, um das Erwärmen der Schrauben durch Verwenden von Heizstäben, welche in die Mittelbohrung eingeführt werden, zu erlauben. Das Verfahren erlaubt außerdem die Messung der Schraubenlänge vor und nach der Installation der Turbine. Die Schrauben werden erwärmt und dadurch verlängert, um das Drehen der Muttern um eine gegebene vorbestimmte Distanz ohne Kraftanwendung zu erlauben. Vor dem Start des Turbinenbetriebs werden die Heizstäbe entfernt, und die Schrauben kühlen aus. Die Schrauben weisen dann eine Vorspannung auf . Die Erwärmung der Schrauben durch dieses Verfahren ermöglicht ein ausreichendes Festziehen der Schrauben.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung zum Kühlen oder Erwärmen von Flanschverbindungsschrauben für Turbinen bereitzustellen, welche eine verbesserte Stabilisierung der Verschraubungskräfte während des Betriebs der Turbine sicherstellt. Insbesondere müssen die Flanschverbindungsschrauben mit einer derartigen Anordnung erfolgreich bei Gasturbinen oder Dampfturbinen, welche bei erhöhten Dampf- oder Gastemperaturen und -drücken betrieben werden, anzuwenden sein.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein System zum Steuern des Mengendurchflusses eines Fluids durch die Erwärmungs- oder Kühlungsanordnung bereitzustellen.
Gemäß der Erfindung umfasst eine Kühlungs- oder Erwärmungsanordnung für eine Schraube, welche eine obere und eine untere Hälfte eines Flansches in einer Turbine festschraubt und in einer Bohrung, welche sich durch die beiden Hälften des Flansches erstreckt, angeordnet ist, ein oder mehr Bohrlöcher, die sich durch die Schraube erstrecken. Die Anordnung umfasst außerdem ein oder mehr Zulaufrohre und ein oder mehr Ablaufröhre, welche an die Enden jedes Bohrlochs angeschlossen sind. Die Rohre dienen als Zulauf und Ablauf für ein Kühl- oder Heizfluid, das durch jedes Bohrloch strömt .
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich das eine oder die mehreren Bohrlöcher axial durch die Schraube. Bei weiteren Ausführungsformen erstrecken sich zusätzliche Bohrlöcher in der radialen Richtung von einem axialen Bohrloch weg.
Ein Kühl- oder Heizfluid, wie beispielsweise Luft, Dampf oder jedes andere Fluid, strömt durch ein Zulaufröhr in und durch ein Bohrloch, wodurch es die Schraube kühlt oder erwärmt, und verlässt ein Bohrloch über ein Ablaufröhr. Das Kühl- oder Heizmittel strömt entweder auf natürliche Weise oder erzwungen, wobei es Kühlung und Erwärmung durch Konvektion bereitstellt. Für einen erzwungenen Fluidstrom kann Gebläseluft, zum Beispiel mittels eines Ventilators oder eines Gebläses, bereitgestellt werden. Ein derartiger Ventilator oder ein derartiges Gebläse wird vor oder in einem Zulaufrohr positioniert und erzeugt dadurch einen Überdruck in dem Zulaufröhr. Alternativ wird der Ventilator oder das Gebläse in oder nach einem Ablaufrohr positioniert und bewirkt einen Unterdruck in dem Ablaufröhr.
Ein erzwungener Fluidstrom kann außerdem durch Verwenden von Saugdampf, zum Beispiel mittels Dampfabzug aus der Turbine, bereitgestellt werden. Dafür wird das Zulaufrohr an eine Abzugsleitung angeschlossen, welche aus dem Innenraum des inneren Gehäuses der Gas- oder Dampfturbine führt.
Diese Kühlungs- oder Erwärmungsanordnung ermöglicht eine direkte und infolgedessen wirksamere Kühlung oder Erwärmung der Schraube selbst . Als solche stellt sie eine Verbesserung gegenüber der indirekten Kühlung, die im Stand der Technik beschrieben wird, dar.
Die Kühlung der Flanschverbindungsschraube mittels dieser Anordnung bewirkt eine Abschwächung der Schraubenlockerung und stellt sicher, dass die Verschraubungskräfte während des gesamten Dauerbetriebs der Turbine konstant bleiben. Außerdem bleibt infolge der stabilisierten Temperatur der Schraube eine Änderung der Verschraubungskraft auf Grund von Wärmeausdehnung während des Übergangsbetriebs begrenzt.
Während des Anfahrens der Turbine kann die Erwärmung der Flanschverbindungsschrauben die Spannungen, welche durch den Temperaturunterschied zwischen den Schrauben und dem Flansch auf Grund von Wärmeausdehnung verursacht werden, reduziert werden. Der Flansch, welcher ein integraler Teil des Turbinengehäuses ist, erwärmt sich infolge des unter Druck gesetzten Fluids innerhalb des Gehäuses schneller als die Schraube. Die Erwärmung der Schraube dient dazu, den
Temperaturunterschied zwischen dem heißen Flansch und der verhältnismäßig kühleren Schraube während des Anfahrens der Turbine auszugleichen.
Als Kühl- oder Heizmittel können entweder Umgebungsoder vorgeheizte Luft oder Dampf, der zum Beispiel von bestimmten Stellen der Turbine abgezogen wird, verwendet werden. Andere Kühl- oder Heizmittel können ebenfalls verwendet werden. Zum Beispiel kann im Fall von Schrauben, welche korrosionsanfällig sind, Stickstoff anstelle von Luft verwendet werden.
Die Kühlungs- oder Erwärmungsanordnung gemäß der Erfindung kann die folgenden Vorteile bewirken:
Die Beschränkung für die Anwendung der Schraube wird auf höhere Temperaturen und höhere Gehäusedrücke erweitert .
Kleinere und billigere Schrauben und Flansche können verwendet werden.
Billigere Schraubenmaterialien können verwendet werden.
Die Zeitabschnitte zwischen der Wartung und der Überprüfung der Schrauben können verlängert werden.
Undichte Flansche können durch Installieren der Kühlungs- oder Erwärmungsanordnung zu einem späteren Zeitpunkt nach ihrer Erstinstallation abgedichtet werden.
Die Flanschverbindungsschrauben sind in Bezug auf den Übergangsbetrieb widerstandsfähiger, da infolge einer geringeren notwendigen Vorspannung der kalten Schraube ein größerer zulässiger Spannungsabschnitt für differentielle Wärmeausdehnungen der Schraube und des Flansches bleibt .
Geringere thermische Spannungen entwickeln sich infolge einer Erwärmung der Schrauben während des Anfahrens .
Der Wärmeverlust durch den Flansch ist im Vergleich zur Anordnung gemäß US 6,273,675 geringer.
Die Anordnung gemäß der Erfindung ist nicht nur für Gasturbinen, sondern auch für Dampfturbinen, welche sowohl unter Verwendung herkömmlicher als auch extremer Dampfparameter betrieben werden, geeignet.
Die Erfindung ist zum Beispiel auf die folgenden Turbinenbauteile anwendbar, wobei diese Liste selbstverständlich nicht vollständig ist: Rohrflanschverbindungen, Flanschverbindungen zwischen Ventilen und Turbinengehäusen, horizontale oder vertikale Flansche für äußere Turbinengehäuse, Flansche für innere Turbinengehäuse, Flansche für" Schaufelträger und Flansche für Verschlussträger.
Die Anordnung zum Kühlen oder Erwärmen der Flanschverbindungsschrauben kann mit oder ohne ein Steuersystem betrieben werden. Ein Steuersystem zum Betrieb der Kühlungsanordnung steuert zum Beispiel den Mengendurchfluss des Kühl- oder Heizfluids. Es umfasst eine Steuerung, eine oder mehr Temperaturmessvorrichtungen und ein Ventil . Die Temperatur des Kühl- oder des Heizfluids wird an einer Stelle nach seinem Durchgang durch die Schraube gemessen. Im Falle, dass die Temperatur des Fluids an einer Stelle vor seinem Eintritt in die Schraube nicht bekannt ist, muss diese Temperatur ebenfalls gemessen werden. Die Steuerung berechnet die Wärmemenge, welche der Schraube zugeführt oder davon abgeführt wird, unter Verwendung des Mengendurchflusses des Fluids und des Unterschiedes zwischen der Fluidtemperatur vor und nach der Schraube. Die Einstellung des Ventils, welches im Rohr für das Fluid vor oder nach der Schraube angeordnet ist, reguliert die Fluidmenge, welche durch das Rohr strömt, und wird gemäß der gemessenen Temperaturunterschiede des Fluids und dem Mengendurchfluss des Fluids gesteuert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Figur 1 stellt einen Querschnitt einer Turbine nach dem Stand der Technik dar, bei der die Schraubenanordnung gemäß der Erfindung angewendet werden kann.
Figur 2 stellt einen Querschnitt einer Anordnung zur Kühlung oder Erwärmung einer durchgehenden Schraube mit einer axialen Bohrung dar.
Figur 2a stellt einen Querschnitt der Flanschverbindungsschraube entlang der Linie Ha mit mehreren axialen Bohrlöchern dar.
Figur 2b stellt einen Querschnitt der Flanschverbindungsschraube entlang der Linie Ilb mit mehreren axialen Bohrlöchern dar.
Figur 3 stellt einen Querschnitt einer Anordnung zur Kühlung oder Erwärmung einer Schraube für einen Flansch mit einem Blindloch dar.
Figur 4 stellt einen Querschnitt einer Anordnung zur Kühlung oder Erwärmung einer Schraube für einen Flansch mit Dehnhülsen dar.
Figur 5 stellt einen Querschnitt einer Anordnung zur Kühlung oder Erwärmung einer Schraube für einen Flansch dar, welche auf ein isoliertes äußeres Gehäuse einer Turbine angewendet wird.
Figur 6 stellt einen Querschnitt einer Anordnung zur Kühlung oder Erwärmung einer Schraube für einen Flansch mit sowohl axialen als auch radialen Bohrlöchern dar.
Figur 7 stellt den Querschnitt einer Anordnung zur Kühlung oder Erwärmung einer Flanschverbindungsschraube dar, welche mit derselben Art von Anordnung für weitere Schrauben in Reihe verbunden ist.
ARTEN DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Figur 1 wurde bereits in Verbindung mit dem Stand der Technik beschrieben.
Die folgenden Varianten der Erfindung werden in Verbindung mit einem Kühlmittel, welches durch die Flanschverbindungsschrauben strömt, beschrieben. Gemäß der zuvor beschriebenen Offenbarung können all diese Beschreibungen auch in Verbindung mit einem Heizmittel verstanden werden. Die Anordnungen, welche in Figur 2-7 dargestellt sind, gelten für eine Schraube in einem Flansch, welcher die beiden Hälften eines Turbinengehäuses zusammenpresst . In allen Fällen kann das Gehäuse entweder ein äußeres oder ein inneres Turbinengehäuse sein.
Figur 2 stellt einen oberen und einen unteren Flanschteil 5 und 6, welche angeordnet sind, um die obere und die untere Hälfte 21, 23 eines äußeren Turbinengehäuses mit einer Schraube 3 und einer oberen und einer unteren Mutter 4 bzw. 7 zusammenzupressen, im Querschnitt dar. In allen Varianten der Anordnung gemäß der Erfindung umfasst die Anordnung zur Kühlung der Schraube gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Bohrloch 8, welches sich entlang der Längsachse erstreckt .
Ein Zulaufrohr 1 wird an ein Ende des Bohrlochs angeschlossen und stellt einen Zulauf für ein Kühloder Heizfluid bereit. Das Fluid sowohl für diese Anordnung als auch für die Kühlungs- oder Erwärmungsanordnungen, welche in Figur 2-6 dargestellt sind, kann jedes Gas oder jede Flüssigkeit, wie zum Beispiel, Luft, Dampf oder Stickstoff, sein. Das Fluid strömt durch das Bohrloch 8 und kühlt oder erwärmt die Schraube 3 durch natürliche oder erzwungene Konvektion. Es verlässt die Anordnung dann über einen Ablauf, welcher ein Ablaufröhr 2 umfasst, das an das Bohrloch 8 am anderen Ende der Schraube 3 angeschlossen ist. Ein Mittel zum Bewirken eines erzwungenen Fluidstroms durch das Bohrloch 8, wie beispielsweise ein Ventilator oder ein Gebläse, wird entweder in oder vor dem Zulaufröhr 1 oder in oder nach dem Ablaufröhr 2 angeordnet .
Obwohl die Wärme von der Schraube über das Kühlfluid direkt von der Schraube weg abgeführt wird, bleibt der Wärmeverlust über den Flansch gering.
Figur 2a und 2b stellen den Querschnitt im rechten Winkel zu bzw. entlang der Längsachse einer Flanschverbindungsschraube dar. Diese Variante der Anordnung zum Kühlen oder Erwärmen umfasst vier axiale Bohrlöcher 8, welche symmetrisch um die Längsachse angeordnet sind und sich durch die Länge der Schraube 3 hindurch erstrecken.
Diese Kühlungs- oder Erwärmungsanordnung ist auf durchgehende Schrauben anwendbar, welche durch den gesamten Flansch reichen und sowohl mit einer oberen Mutter 4 als auch einer unteren Mutter 7, wie in Figur 2 dargestellt, festgezogen werden. Sie können auch bei Schrauben angewendet werden, welche in einem Blindoder Sackloch angeordnet und mit einer einzigen Mutter 4, wie in Figur 3 dargestellt, festgezogen werden. Schrauben in Sacklöchern weisen im Vergleich zum Kontaktbereich zwischen Schraube und Muttern und dem Flansch von durchgehenden Schrauben einen größeren Schrauben-Flansch-Kontaktbereich am Gewinde auf. Aus diesem Grund bewirkt die Kühlungsanordnung, welche auf durchgehende Schrauben angewendet wird, eine wirksamere Kühlung und eine niedrigere Schraubentemperatur im Vergleich zu einer Kühlungsanordnung, welche bei Schrauben in einem Sackloch angewendet wird.
Figur 4 stellt eine Schraube 3 dar, welche einen oberen und einen unteren Flansch 5 und 6 festschraubt. Die Schraube und der Flansch werden mittels der Muttern 4 und 7 festgeschraubt. Eine obere Dehnhülse 11 ist zwischen dem oberen Flanschteil 5 und der oberen Nut 4 angeordnet, und eine untere Dehnhülse 12 ist zwischen dem unteren Flanschteil 6 und der unteren Mutter 7 angeordnet. Die Schraube umfasst eine ähnliche Kühlungsanordnung mit einem axialen Bohrloch 8, wie in Figur 1 und 2 dargestellt. Wenn er bei einer Schraube mit Dehnhülsen 11, 12 angewendet wird, wird der Wärmestrom vom Gehäuse in die Schraube infolge des größeren Wärmewiderstands auf Grund des Hinzufügens der Hülsen weiter reduziert. Aus diesem Grund kann die Kühlwirkung mittels des axialen Bohrlochs verbessert werden. Diese Variante kann auch verwirklicht werden, indem nur eine Dehnhülse verwendet wird.
Die Kühlungsanordnung bewirkt, dass die Verschraubungskraft der Schraube nach einem nicht stationären Betrieb der Turbine nicht so sehr nachlässt. Während des Anfahrens einer Turbine mit Flanschverbindungsschrauben, welche nicht gekühlt werden, erwärmt sich der Flansch zum Beispiel schneller als die Schraube, da die Wärme zuerst durch den Flansch strömen muss, bevor sie die Schraube erreicht. Infolge der Wärmeausdehnung des Flansches nimmt die Verschraubungskraft zuerst zu. Sobald sich auch die Schraube erwärmt und thermisch ausgedehnt hat, nimmt die Verschraubungskraft wieder ab. Für Flanschverbindungen mit einer Kühlungs- oder Erwärmungsanordnung gemäß der Erfindung ist die Abnahme der Verschraubungskraft geringer, da die Schraube sich nicht so sehr erwärmt und ihre Wärmeausdehnung dementsprechend gering bleibt . Für dieselbe Verschraubungskraft während des Betriebs der Turbine im stationären Zustand benötigen die Schrauben mit den Kühlungs- oder Erwärmungsanordnungen gemäß der Erfindung daher eine geringere Vorspannung als Schrauben ohne diese Anordnung. Da die Dampf- turbinengehäuse vorgeheizt werden, was die Schraubenspannung erhöht, stellt die geringere Spannung im Kaltzustand keinen Nachteil dar. Vielmehr ist es vorteilhaft, dass größere Temperaturübergänge zugelassen werden, da infolge der geringeren Vorspannung jede zusätzliche Spannung auf Grund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Flansches und der Schraube nun größer sein kann.
Für mit Dampf angelassene Schrauben für das innere Turbinengehäuse gibt es eine weitere vorteilhafte Wirkung. Der Dampf, welcher die Schrauben während des Turbinenbetriebs kühlt, ist wärmer als die Schrauben während des Anfahrens. Daher werden die Schrauben während des Anfahrens mittels des Dampfes, welcher durch das axiale Bohrloch strömt, erwärmt. Dann werden die anderweitig starken Spannungen infolge des typischen großen Temperaturunterschieds zwischen Schraube und Flansch während des Anfahrens auf Grund des geringeren Temperaturunterschieds nun gering gehalten. Da das Risiko in Bezug auf Formänderung während des Anfahrens abnimmt, kann eine größere Vorspannung angewendet werden. Bei Aufrechterhalten dieser Wirkung können kleinere Schrauben für Flanschverbindungen verwendet werden, vorausgesetzt, sie weisen die Kühlungs- oder Erwärmungsanordnung gemäß der Erfindung auf.
Figur 5 stellt die Anwendung der Erfindung bei den isolierten äußeren Gehäuse- oder Rohrflanschen einer Dampfturbine dar. Der Flansch und die Schraube umfassen eingekapselte Muttern 4,7 und Sicherungsschrauben 51 und 52, welche dazu dienen, den Eintritt des Isoliermaterials in das Schraubengewinde zu verhindern und den Zusammenbau der Rohre 1 und 2 nach dem Festziehen der Schraube 3 zu erlauben. Diese Variante der Erfindung ist gleichermaßen bei einem isolierten inneren Gehäuse anwendbar. Die Variante kann auch verwirklicht werden, indem nur eine Sicherungsschraube und eine eingekapselte Mutter verwendet werden.
Die Strömung des Kühlmittels durch die axialen Bohrlöcher kann entweder durch eine erzwungene oder durch natürliche Konvektion erfolgen. Eine erzwungene Konvektion kann zum Beispiel mittels eines Überdrucks im Zulaufröhr, welcher durch einen Ventilator hervorgerufen wird, erfolgen. Für eine natürliche Konvektion werden gerade vertikale Zulauf- und Ablaufröhre bevorzugt .
Die Kühlungs- oder Erwärmungsanordnung gemäß der Erfindung kann auch bei en Schrauben- und Flanschverbindungen für innere Turbinengehäuse, Trägern für unbewegliche und drehende Schaufeln sowie Verschlussträgern angewendet werden. Für diese Anwendungen kann Dampf mit einem geringen Überdruck an einer geeigneten Stelle im Gehäuse abgezogen und zu den Zulaufröhren der Anordnung geführt werden.
Figur 6 stellt eine weitere Ausführungsform der Erfindung dar. Die Anordnung zum Kühlen oder Erwärmen der Schraube für einen Flansch umfasst nicht nur ein axiales Bohrloch 8, sondern auch ein oder mehr radiale Bohrlöcher 40, welche sich vom axialen Bohrloch 8 zur Außenseite des Schraubenschafts erstrecken. Das Kühlmittel, welches vom axialen Loch in die radialen Löcher 40 strömt, strömt daraus in die Flanschbohrung 41 und verlässt die Anordnung durch das Gewinde der Schraube .
Figur 7 stellt einen Abschnitt der oberen Hälfte 61 eines Turbinengehäuses und der unteren Hälfte 62 eines Turbinengehäuses dar, welche durch einen oberen Flansch 5 und einen unteren Flansch 6 zusammengehalten werden. Sie werden durch mehrere Schrauben und Muttern 4 und 7 zusammengepresst. Jede Schraube weist eine Kühlungsoder Erwärmungsanordnung gemäß der Erfindung mit einem Bohrloch 8 auf . Jedes Ende der Bohrlöcher 8 ist mit Zulauf- und Ablaufröhren 1 und 2 verbunden. Die Anordnungen zum Kühlen und Erwärmen für jede Schraube sind in Reihe verbunden, indem das Ablaufröhr 2 einer Schraube mit dem Zulaufrohr 1 der nächsten Schraube verbunden ist .
In den Figuren beziehen sich die Bezugszahlen auf die folgenden Elemente:
1 Rohr, durch welches das Kühlfluid zu der zu kühlenden Schraube strömt
2 Rohr, durch welches das Kühlfluid von der gekühlten Schraube wegströmt
3 zu kühlende Schraube
4 Mutter
5 oberer Flansch
6 unterer Flansch
7 Mutter
8 axiales Bohrloch in der Flanschverbindungsschraube 10 Isolierung
21 äußeres Gehäuse, obere Hälfte
22 Flansch des äußeren Gehäuses, oberer Flansch
23 äußeres Gehäuse, untere Hälfte
24 Flansch des äußeren Gehäuses, unterer Hälfte
25 Flanschverbindungsschraube und -mutter für das äußere Gehäuse
26 Flanschebene zwischen der oberen und der unteren
Hälfte des äußeren Turbinengehäuses
31 inneres Gehäuse, obere Hälfte
32 Flansch des inneren Gehäuses, obere Hälfte
33 inneres Gehäuse, untere Hälfte
34 Flansch des inneren Gehäuses, untere Hälfte 35 Flanschverbindungsschraube und -mutter für das innere Gehäuse
36 Flanschebene zwischen der oberen und der unteren
Hälfte des inneren Turbinengehäuses
40 radiale Bohrlöcher in der Flanschverbindunge - schraube 41 Raum in der Flanschbohrung zwischen Schraube und Flansch
51 untere Sieherungsschraube
52 obere Sicherungsschraube
61 obere Gehäusehälfte
62 untere Gehäusehälfte

Claims

ANSPRÜCHE
1. Anordnung zum Kühlen oder Erwärmen einer Schraube, welche eine obere und eine untere Hälfte eines Flansches in einer Turbine festschraubt, wobei die Schraube in einer Bohrung, welche sich durch die obere und die untere Hälfte des Flansches erstreckt, angeordnet ist, ein oder mehr Bohrlöcher, welche sich durch die Schraube erstrecken, umfasst und die Anordnung außerdem ein oder mehr Zulaufrohre und ein oder mehr Ablau röhre, welche an das Ende jedes Bohrlochs angeschlossen sind, umfasst.
2. Anordnung zum Kühlen oder Erwärmen einer Schraube nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren Bohrlöcher sich axial durch die Länge der Schraube erstrecken und das eine oder die mehreren Zulauf- und Ablaufrohre an die Enden der sich axial erstreckenden Bohrlöcher angeschlossen sind.
3. Anordnung zum Kühlen oder Erwärmen einer Schraube nach Anspruch 1, wobei die Anordnung ein Gebläse oder einen Ventilator umfasst, das/der entweder vor oder in einem Zulaufrohr oder in oder nach einem Ablaufröhr positioniert ist.
4. Anordnung zum Kühlen oder Erwärmen einer Schraube nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren Zulaufrohre mit einer Leitung für den Abzug von unter Druck gesetztem Fluid aus der Turbine verbunden sind.
5. Anordnung zum Kühlen oder Erwärmen einer Schraube nach Anspruch 2, wobei die Schraube zusätzliche radiale Bohrlöcher umfasst, welche sich von einem sich axial erstreckenden Bohrloch zu einem offenen Raum zwischen der Schraube und den Wänden der Bohrung in der oberen ,und der unteren Hälfte des Flansches, in welchem die Schraube angeordnet ist, erstrecken.
6. Anordnung zum Kühlen oder Erwärmen einer Schraube nach Anspruch 1 , wobei die Schraube bei dem Flansch eines inneren oder eines äußeren Gehäuses der Turbine, bei einer Flanschverbindung für Schaufelträger oder bei Flanschen für Verschlussträger angewendet wird.
7. Anordnung zum Kühlen oder Erwärmen einer Schraube nach Anspruch 1, wobei die Schraube eine durchgehende Schraube ist.
8. Anordnung zum Kühlen oder Erwärmen einer Schraube nach Anspruch 1, wobei die Schraube ein Blindloch umfasst .
9. Anordnung zum Kühlen oder Erwärmen einer Schraube nach Anspruch 1, wobei die Schraube eine oder zwei Dehnhülsen umfasst.
10. Anordnung zum Kühlen oder Erwärmen einer Schraube nach Anspruch 1, wobei die Schraube bei den isolierten äußeren Gehäuse- oder Rohrflanschen der Dampfturbine angewendet wird und eine oder zwei eingekapselte Muttern und eine oder zwei Sicherungsschrauben umfasst.
11. Anordnung zum Kühlen oder Erwärmen einer Schraube nach Anspruch 1, wobei ein Ablaufröhr, welches von einer Schraube wegführt, mit einem Zulaufröhr verbunden ist, das zu einer weiteren Schraube führt, welche die obere und die untere Hälfte des Flansches der Turbine estschraubt .
12. System zum Steuern eines Mengendurchflusses eines Kühl- oder Heizfluids durch die Anordnung zum Kühlen oder Erwärmen nach Anspruch 1, umfassend eine Steuerung, eine oder mehr Temperaturmessvorrichtungen und ein Ventil, welches in einem der Rohre angeordnet ist, welche an jeder Schraube angeordnet sind, wobei die Steuerung die Wärmemenge bestimmt, welche der Schraube zugeführt oder davon abgeführt wird, und das Ventil gemäß dem Unterschied in der Fluidtemperatur vor und nach der Schraube eingestellt wird.
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