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Einrichtung für die Aufnahme der durch Wärmedehnung hervorgerufenen
Längenänderungen einer Rohrleitung Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung
für die Aufnahme der durch Wärmedehnung hervorgerufenen Längenänderungen einer Rohrleitung.
Diese Längenänderungen können bei Leitungen, in welchen das strömende Mittel hohen
Druck und hohe Temperatur besitzt, sehr beträchtlich sein. In manchen Fällen wird
durch entsprechende Rohrführung die Dehnung vom Rohr selbst aufgenommen werden können,
in anderen Fällen werden besondere Dehnungsbögen mit Gleitlagern in den Rohrstrang
eingefügt.
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Ist die Menge des in der Leitung geförderten Mittels sehr groß, wie
es z. B. bei der Heißdampfleitung eines Großkessels der Fall ist, welche den Heißdampf
vom Überhitzeraustritt zur Dampfturbine führt, erhält diese Leitung einen entsprechend
großen Durchmesser, und ein Dehnungsbogen einer solchen Leitung beansprucht einen
erheblichen Platzbedarf. In anderen Fällen ist die durch die Einschaltung von Dehnungsbögen
bedingte Rohrverlängerung und die damit verbundene Inhaltsvergrößerung nicht erwünscht,
wie es z. B. bei einem mit Quecksilber betriebenen Dampfkessel der Fall sein kann,
wo die Vergrößerung des Flüssigkeitsraumes mit beträchtlichen Kosten für die zusätzliche
Quecksilbermenge verknüpft ist.
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Um daher eine großen Wärmedehnungen ausgesetzte Rohrleitung ohne besondere
Dehnungsstücke ausführen zu können, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, im Mittelteil
der Rohrleitung eine als Hebelsystem ausgebildete Einspannung vorzusehen, welche
die durch die Temperaturänderungen bedingten Verschiebungen
nach
Größe und Richtung festlegt. Die zwangsläufige Führung der Einspannung gibt dabei
die Möglichkeit, bestimmte Teile des Leitungssystems von vornherein einer Vorspannung
zu unterwerfen, um die im Betriebe auftretenden Spannungen in zulässigen Grenzen
zu halten.
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Die Abb. i bis 5 stellen die Erfindung an dem Beispiel eines Quecksilberdampfkessels
dar.
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Der Feuerraum i, der im normalen Betrieb durch die Brenner 2, bei
Schwachlast durch den Brenner 3 befeuert wird, ist allseitig mit Kühlrohren verkleidet.
Die Rohre q. steigen aus unteren Sammlern 5 entlang der Vorderwand bis zur Decke,
verkleiden diese im vorderen Teil, bilden im Gasaustritt 6 das Berührungsbündel
7, das anschließend in mehreren Windungen die untere Umkehr des U-förmigen Gaszuges
8, g durchquert, und münden schließlich in die Trommelio. Die Rohre ii kommen aus
den Sammlern 12 und kühlen die Rückwand des Brennraumes =. Ein Teil von ihnen verkleidet
die Umlenkung 13 und läuft mit den Rohren 7 zur Trommel io. Die übrigen werden teils
als Aufhängerohre 14 für das Berührungsbündel 7, teils als Tragrohre 15 für die
Zuglenkwand 16 benutzt, bilden gemeinsam das Berührungsbündel 17 unterhalb des Gasaustrittes
18 und münden ebenfalls in die Trommel io. Die Seitenwandkühlrohre ig verbinden
die unteren Sammler 2o mit den oberen Sammlern 2=, Überströmrohre 22 führen von
diesen zur Trommel io.
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Das Dampf-Flüssigkeits-Gemisch, das aus den Verdampfungsrohren in
die Trommel io einströmt, wird hier getrennt, der Dampf strömt durch den Auslaß
23 zur Verbrauchsstelle, die Flüssigkeit hingegen durch die Fallrohre 24 in je ein
Sammelrohr 25, 32 zu beiden Seiten des Kessels und über ein System von Verteilungs-
und Dehnungsrohren 26 in die unteren Sammler 5, 12, 2o. Durch einen Speisestutzen
27 wird entsprechend der Dampfentnahme flüssiges Quecksilber in die Trommel io eingespeist.
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Die Rohre 4, die auch die Decke verkleiden, ferner die Rohre =4 und
15 sind mittels Aufhängevorrichtungen 28 an den Deckenträgern 29 aufgehängt, ebenso
sind die oberen Sammler 21 im Deckentragwerk gelagert, so daß die Ausdehnung des
Rohrsystems lediglich nach unten erfolgen kann. Obzwar auch die von der Trommel
io, die im Kesselgerüst gelagert ist, nach unten führenden Fallrohre 24 sich in
der Hauptsache nach unten ausdehnen, erfolgt doch die Längenzunahme der beheizten
Rohre und der Fallrohre bei Inbetriebnahme des Kessels zu verschiedenen Zeiten.
Die Folge sind beträchtliche gegenseitige Verschiebungen der beiden Systeme, die
besondere Vorkehrungen verlangen. Da die verhältnismäßig kurze Fallrohrstrecke die
Einschaltung elastischer Rohrbogen nicht zuläßt, diese außerdem wegen Vergrößerung
des Flüssigkeitsraumes nicht erwünscht sind, werden gemäß der Erfindung in die Fallrohre
25 Einspannungsvorrichtungen eingeschaltet, mit deren Hilfe jedes Fallrohr 24 an
drei Stellen eingespannt bzw. geführt wird.
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Das Fallrohr 25 ist an der hinteren Ecke des Kesselblockes an einer
Spiralfeder 3o aufgehängt. Von hier verläuft es längs der Seitenwand schwach geneigt
nach vorn und wird auf Kesselmitte durch den Krümmer3 in das lotrechte Rohrstück
32 übergeführt, von welchem die Verteilerrohre 26 abgehen. Der Krümmer 31, dei mit
zwei Platten 33 versehen ist, wird durch die Stange 34 in Verlängerung der Rohrachse
an dem Träger 3i des Kesselgerüstes befestigt und mit der lotrechten Stange 36 an
dem waagerechten Hebelarm 37 de: Winkelhebels 37, 38, der um den festen Punkt 3c
schwenkt. Mit dem Hebelarm 38 ist ein zweiterWinkelhebel 40, 41 verbunden;
dessen kurzer gabelförmigei Hebelarm 41 an einer mit dem Fallrohr 25 verschweißten
Halterung drehbar befestigt ist. Das lotrechte Rohrstück 32 ist außerdem in einer
Parallelführung (Abb. 3) befestigt, die durch zwei gleichlange Hebel 42, deren Enden
einerseits an dem Gerüstträger 43, andererseits an dem Rohr 32 befestigt sind, Bewegungen
des Rohres 32 in lotrechter Richtung zuläßt.
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Die Dehnungsrohre a6 sind mit dem lotrechten Verteilrohr 32 durch
Schweißnähte q4. verbunden, ferner ist das Rohr 32 unterhalb der Parallelführung
an den -Krümmer 31 angeschweißt. Bei Ausführung dieser Schweißverbindung werden
die Schleifen der Rohre 26, als Folge entsprechender Längengebung des Rohres 32,
zusammengedrückt, d. h. unter Vorspannung mit dem Rohr 32 verbunden. Diese Vorspannung
hat folgenden Zweck-: Während der Anheizzeit werden zunächst die Kühlrohre des Feuerraumes
erhitzt und dehnen sich nach unten aus. Diese Ausdehnung bewegt auch die Sammler
5, i2 und 2o nach unten, wodurch die Dehnungsbögen 26 geöffnet -werden, da das Verteilrohr
32 sich vorläufig nicht bewegt. Die durch diese Öffnungsbewegung entstehenden Spannungen
sind jedoch der Vorspannung entgegengesetzt so daß das nunmehr auftretende Spannungsmaximum
um den Wert der Vorspannung verkleinert wird.
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Bei Beginn der Verdampfung beginnt auch der Quecksilberumlauf in dem
Rohrsystem des Kessels und damit die Erwärmung der Fallrohre 24. Das Maß A zwischen
den Befestigungspunkten 46, 47 wird gegenüber dem kalten Zustand größer. Da die
Lage des Punktes 46 durch die Stange 34 in Achsrichtung festgelegt ist, bewirkt
die Zunahme des Abstandes A eine entsprechende Vergrößerung des Abstandes B zwischen
den Befestigungspunkten 48, 47 infolge Bewegung des Hebels 37, 38 um den Festpunkt
39. Der Punkt 46 wird demnach nach abwärts bewegt. Die Spannungen, die durch
die Senkung der unteren Sammler in dem Rohrsystem 26 entstanden sind; werden noch
weiter verkleinert. In gleicher Weise wirkt sich die Verlängerung des Verteilerrohres
32 infolge der Einspannung nur nach unten aus, verringert also ebenfalls die Spannungen
der Rohre 26. Einlagescheiben 5o, in passender Stärke zwischen die Schraubverbindung
des Hebelarmes 4o eingelegt, ermöglichen die Veränderung des Abstandes A.
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Die beschriebene Einspannung, die die Verbindung zwischen einer durch
Wärmedehnung bewegten mit einer Vorspannungseinrichtung darstellt, gibt die Möglichkeit,
das Rohrsystem 26 im Betriebszustand weitgehendst von Spannungen freizuhalten.
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Ein anderes Anwendungsbeispiel ist in den Abb. 6 bis ii dargestellt.
Sie zeigen den Verlauf der Heißdampfleitung zwischen dem Heißdampfaustrittssamrrtler
eines Dampfkessels und einer Dampfturbine und
geben die Mittel an,
mit deren Hilfe die in zwei zueinander senkrechten Richtungen auftretenden Verschiebungen
aufgenommen werden können.
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Der Kessel der Abb. 6 ist ein Hochleistungskessel für die Erzeugung
von Dampf hoher Spannung und hoher Temperatur. Aus einem Feuerraum 51, der von den
Brennern 52 beheizt wird, treten die Rauchgase in den oberen Teil des Gaszuges 53
über, durchziehen diesen nach unten und treten schließlich in den Berührungszug
54 ein, den sie durch den Gasaustritt 55 nach oben verlassen. Brennraum 51 und Gaszug
53 sind in bekannter Weise allseitig mit Kühlrohren verkleidet. Die Rohrgruppen
des Berührungszuges 54 bilden den Überhitzer 56, den Wasservorwärmer 57 und einen
Zwischenerhitzer 58. Die untere Gasumkehr ist mit einem Aschenfangtrichter
59 und einer Entaschungsöffnung 6o versehen. Die hintere Wand des Trichters
59
wird von Rohren 61 gebildet, die sich auf den Querträger 62 abstützen,
der seinerseits in bekannter Weise mit den Seitenwandkühlrohren verbunden ist und
somit den Wärmedehnungen des Rohrsystems folgen kann. Da das gesamte Rohrsystem
an den Deckenträgern 63 aufgehängt ist, wird der Träger 62 bei Temperaturänderungen
der Verdampfungsrohre Verschiebungen in lotrechter Richtung ausführen, deren Größe
der jeweiligen Temperaturänderung proportional ist. In gleicher Weise wird der Überhitzeraustrittssammler
64 in lotrechter Richtung bewegt.
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Die Verbindung zwischen dem Sammler 64 und der Turbine 65, die einen
Generator 66 antreibt, wird durch eine Rohrgruppe 67 hergestellt, deren einzelne
Rohre verhältnismäßig kleinen Durchmesser haben und auf Grund ihrer Formgebung ein
elastisches System bilden. Diese Rohre 67 werden zu einer Sammelleitung 68 vereinigt,
deren Bewegung durch eine entsprechende Lagerung in Größe und Richtung von den Temperaturänderungen
der Turbine 65 abhängig gemacht wird. Gleichzeitig wird die Bewegung der Rohre 67
durch eine Einspannungsvorrichtung, die durch die Verschiebung des Trägers 62 gesteuert
wird, zwangsläufig gelenkt.
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In dem dargestellten Beispiel Abb. 8 wird der Überhitzeraustrittssammler
6q. aus zwei gleichen Hälften 6q.a und 6q. b gebildet. Aus jeder Hälfte führt eine
Gruppe von neun Rohren nach unten heraus, wird in eine Horizontalebene gebogen,
in der sie den Kesselblock verläßt, biegt dann nach unten und führt schließlich
in einer elastischen Schleife in die Sammelleitung 68.
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Die Abb. g, io, ii zeigen Einzelheiten der Einspannungsvorrichtung
für die Rohre 67. Unter den Rohrschleifen, schräg zu den Rohrachsen, liegt ein Träger
69,
der an einem Ende mit dem Träger 70 verbunden ist, der die Rohrachse
etwa rechtwinklig kreuzt. Dieses gemeinsame Ende ist auf zwei Spiralfedern 71 abgestützt,
die über Zugstangen 72 an dem Bühnenträger 73 hängen. Das freie Ende des Trägers
70 ist durch eine Stange 7¢ an dem Bühnenträger 75 aufgehängt, während das
freie Ende des Trägers 69 durch die Stange 76 an dem Träger 77 angelenkt
ist. Dieser Träger ist seinerseits an einem Ende unter dem Bühnenträger 78 mittels
Bolzen 79 schwenkbar befestigt, während das andere Ende mittels Lasche 8o
unter dem Querträger 81 angelenkt ist. Eine weitere Stange 82 stellt eine gelenkige
Verbindung zwischen dem Träger 7o und einem Träger 83 her, der in gleicher Weise
wie der Träger 77 auf einer Seite mit dem Bühnenträger78, auf der anderen Seite
mit dem Träger 81 verbunden ist.
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Eine Abwärtsbewegung des Querträgers 81, hervorgerufen durch die Verlängerung
der dampferzeugenden Rohre des Kessels bei Erwärmung, hat ein Schwenken der Träger
77 und 83 um ihre Festpunkte unter dem Träger 78 zur Folge. Hierbei wird durch die
Stange 76 das freie Ende des Trägers 69 und durch die Stange 82 das gemeinsame,
auf Federn 71 abgestützte Ende der Träger 69 und 7o nach unten gedrückt.
Eine entsprechende Längenbemessung der Hebelarme bewirkt, daß das federgestützte
Ende stärker abgesenkt wird als das freie Ende des Trägers 69.
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Auf dem Träger 69 sind die Rohrgruppen 67a und 67b gelagert.
Ein Stehblech 8q., das mit einem Fußwinkel 87 versehen und durch Distanzschrauben
88 an dem Träger 69 befestigt ist, trägt in Aussparungen die untere Rohrreihe
jeder Rohrgruppe. Ein zweites Stehblech 85, das durch Laschen 86 mit dem Blech 84
verbunden ist, bildet das Lager für die obere Rohrreihe.
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Außer dieser Rohrführung, welche die Bewegung der Rohre nach Größe
und Richtung bestimmt, müssen noch Unterstützungen vorgesehen werden, um das Gewicht
der Rohre abzufangen. Da die Rohrgruppen 67a und 67b nicht gleichmäßig gesenkt werden,
müssen diese Unterstützungen imstande sein, die unterschiedlichen Bewegungen aufnehmen
zu können. Die Abb. io und ii zeigen, in welcher Weise das verwirklicht werden kann.
Jede Rohrgruppe wird getrennt unterstützt. Der obere Strang der Rohrgruppe
67' liegt auf einer Querstange 89, deren Enden durch Stangen go und
go' an bewegliche Befestigungselemente gi bis 96 aufgehängt sind. Die bewegliche
Aufhängung ermöglicht es, daß die Stange 89 den Bewegungen der Rohrgruppe
67b folgen kann. In gleicher Weise wird die Rohrgruppe 67a getragen. Der untere
Rohrstrang der Gruppe 67b ruht auf einer Querstange 97, die an einem Ende
von einer Zugstange 98, an dem zweiten Ende von einem Hebelarm (nicht gezeichnet)
getragen wird, der seinerseits an einer von Ankern 9g getragenen Stange ioo beweglich
befestigt ist. In gleicher Weise ist die Rohrgruppe 67a unterstützt. Diese unteren
Aufhängungen müssen in der Lage sein, den Bewegungen der Rohre in lotrechter und
waagerechter Richtung folgen zu können.
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Die Rohrgruppen 67a und 67b münden in eine Sammelleitung 68, die über
ein Verteilstück ioi in die Turbinenzuleitungen io2 aufgeteilt wird. Die Bewegung
dieser Leitung 68, die vorwiegend in waagerechter Richtung auf den Kessel zu erfolgt,
muß durch eine Unterstützungs- und Führungsvorrichtung mit den Bewegungen der Rohrenden
67 in Übereinstimmung gebracht werden, damit weder in den Rohren 67 noch in der
Dampfleitung 68 unzulässige Spannungen entstehen können. Das Gewicht der Leitung
68 wird von mehreren beweglichen Hängevorrichtungen 104 aufgenommen, die mit je
zwei Zugstangen 105 an Ringen io6 den Rohrstrang 68 halten. Das die Rohre 67 aufnehmende
Rohrende wird durch zwei Paar Zugstangen 107, die seitlich vom Rohr 68 liegen,
und durch eine weitere Zugstange io8, die in der Ebene der Rohrachse liegt, geführt.
Diese Auffangvorrichtungen haben die
Aufgabe, seitliche Bewegungen
der Rohrleitung 68, herrührend von dem Axialschub in den Rohrsträngen 67, zu verhindern.
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Um die Bewegung der Rohrleitung 68 nach Größe und Richtung zu führen,
werden zwei Hebelarme zog und iio beweglich zwischen der Rohrleitung 68 und geeigneten
Gerüstträgern iii und 112 angeordnet, die in Form einer Parallelführung den Rohrstrang
68 in Richtung auf den Kessel bewegen, wenn sich die Turbinenzuleitungen io2 bei
Temperaturzunahme ausdehnen. Infolge der verschiedenen Länge der Hebelarme zog und
iio erhält die Bewegung der Sammelleitung 68 neben der horizontalen noch eine vertikale
Komponente, die durch entsprechende Längenbemessungen der Hebelarme log und iio
mit der Vertikal-Bewegung der Rohre 67 in Übereinstimmung gebracht wird.
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Bei Inbetriebnahme des Dampfkessels wird zunächst nur das Rohrsystem
des Kessels auf Temperatur gebracht, während die Turbine noch keinen Dampf erhält.
In dieser Zeit wird sich der Querträger 62 nach abwärts bewegen und dabei eine Verlagerung
der Rohre 67 herbeiführen, durch welche das Leitungssystem 67, 68 eine Vorspannung
erhält. Wenn mit Beginn des Dampfflusses zur Turbine 65 die Verbindungsleitungen
ebenfalls erhitzt werden und sich ausdehnen, wird die Vorspannung durch die Bewegung
des Rohrstranges 68 ausgeglichen.