Datum: 07. Dezember 2022

Anmelder(in):

KAEFER SE & Co. KG

Marktstrasse 2

28195 Bremen

Kompensator zum kompensieren thermischer Ausdehnung

B e s c h r e i b u n g :

Die Erfindung betrifft einen Kompensator zum Kompensieren thermischer Ausdehnung mit zum Kompensieren veränderbarer Länge einer, insbesondere großen, Temperaturänderungen ausgesetzten Rohrleitung. Derartige Kompensatoren werden eingesetzt, um thermische Längenänderungen von Rohrleitungen, insbesondere mit großen Temperaturdifferenzen wie beispielsweise bei einer Gasturbine, zu kompensieren. Ohne einen solchen Kompensator bestünde die Gefahr, dass sich das Rohrleitungssystem verzieht oder sogar reißt. Derartige Kompensatoren sind beispielsweise häufig als Faltenbalge ausgeführt.

Nachteilig ist, dass bei Druckbeaufschlagung des Faltenbalges in dem Rohrleitungssystem große Kräfte auftreten, was das zu kompensierende Rohrleistungssystem erheblich belastet. Das der Erfindung zugrundeliegende Problem ist es, bei einem Kompensator die durch Druckbeaufschlagung im Inneren des Kompensators auftretenden schädlichen großen Kräfte auf das zu kompensierende Rohrleitungssystem zu unterbinden oder zumindest stark zu reduzieren.

Das Problem wird bei einem Kompensator der eingangs genannten Art gelöst durch Mittel zum Entgegenwirken einer durch den Leitungsinnendruck bewirkten Längenänderungskraft des Kompensators.

Hierdurch werden Kräfte durch die Druckbeaufschlagung des Kompensators verhindert, weil keine Kräfte von dem Kompensator auf das zu kompensierende Rohrleitungssystem wirken, wenn einer Längenänderung des Kompensators entgegengewirkt wird.

Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Mittel dazu hergerichtet sind, eine Gegenkraft zum Entgegenwirken der durch den Leitungsinnendruck bewirkten Längenänderung des Kompensators mittels des Leitungsinnendruckes zu erzeugen. Auf diese Weise kann einfach ein Aufheben der Kräfte bewirkt werden, da auch die auftretenden Kräfte aus dem Innendruck des Kompensators abhängig von dem Leitungsinnendruck sind.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Leitungsinnendruck als Antrieb für die Mittel zum Entgegenwirken dient. Da dieser Leitungsinnendruck verantwortlich für die auftretenden Kräfte am Kompensator ist, kann er auch gleich zum Entgegenwirken dieser Kräfte verwendet werden. Es ergibt sich auf diese Weise eine besonders einfache Steuerung und ein besonders einfacher Aufbau. Insbesondere kann der von einem im Leitungsinneren geführten Prozessgas erzeugte Leitungsinnendruck verwendet werden. Weitere Steuer- und Regelmechanismen oder aufwendige Konstruktionen sind dadurch nicht nötig.

Eine Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Leitungsinnenraum mit den Mitteln zum Entgegenwirken fluidverbunden ist. Auf diese Weise lässt sich die Energie des unter Druck stehenden Fluides im Leitungsinnenraum einfach zum Erzeugen einer Gegenkraft nutzen. Insbesondere kann hier eine Fluidleitung verwendet werden. Dadurch ergibt sich eine einfache und stabile Konstruktion, da insbesondere mittels dieser Fluidleitung der Leitungsinnendruck an geeigneter Stelle abgegriffen und zu einer beliebigen anderen Stelle zum Erzeugen der Gegenkraft geführt werden kann. Vorzugsweise ist eine Abzweigung der Leitung für die Fluidleitung dem Kompensator benachbart. Auf diese Weise sind die Druckverhältnisse im Kompensator und für die Mittel zum Entgegenwirken möglichst gleich.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Entgegenwirken einen Antrieb haben. Ein solcher Antrieb stellt auf einfache Weise und zuverlässig die erforderliche Gegenkraft bereit. Als Antrieb kann beispielsweise ein Hydraulikzylinder, ein Pneumatikzylinder und/oder ein Faltenbalg verwendet werden. Derartige Antriebe sind einfach, robust und zuverlässig. Vorzugsweise kann ein dem Kompensator ähnlicher Kompensator verwendet werden. Wenn dieser dann besonders bevorzugt mit der Fluidleitung fluidverbunden ist, ergibt sich auf einfache Weise ein ähnliches Kräfteverhältnis zwischen dem Antrieb und dem Kompensator, so dass sich die auftretenden Kräfte einfach gegeneinander aufheben werden.

Wieder eine andere Ausführungsform ist gekennzeichnet durch eine Wirkverbindung zwischen dem Kompensator und den Mitteln zum Entgegenwirken. Auf diese Weise können die Mittel zum Entgegenwirken auch von dem Kompensator beabstandet angeordnet werden. Dies ergibt flexible Anordnungs- und Einsatzmöglichkeiten. Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wirkverbindung ein Übertragungsglied für die Gegenkraft aufweist. Dadurch kann die Gegenkraft einfach und wirkungsvoll zu dem Kompensator geleitet werden.

Es ist außerdem von Vorteil, wenn das Übertragungsglied mindestens einen Bowdenzug aufweist. Mittels eines derartigen Bowdenzuges lassen sich einfach und zuverlässig Kräfte transportieren. Wenn dabei mehrere Bowdenzüge vorgesehen sind, lässt sich eine guten Kraftverteilung über den Außenumfang des Kompensators erzielen. Dies führt zu einer besonders geringen Materialbeanspruchung. Ein besonders wirksamer Aufbau ergibt sich dabei mit vier Bowdenzügen. Wenn darüber hinaus der Bowdenzug längenverstellbar ist, lässt sich eine geeignete Vorspannung auf den Kompensator herstellen und das Ganze bei Bedarf spielfrei gestalten.

Eine Weiterbildung ist gekennzeichnet durch Gegenlager an voneinander abgewandten Längsenden des Kompensators. Zwischen diesen Gegenlagern können beispielsweise die Bowdenzüge jeweils kraftübertragend auf bekannte Weise angeordnet werden. Dadurch ergibt sich ein einfacher Aufbau und eine einfache Einsteilbarkeit.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Entgegenwirken einer Linearführung für den Kompensator haben. Auf diese Weise kann mit einfacher Kraftübertragung die derart eingeschränkte Bewegungsbahn des Kompensators einfach vorgegeben werden. In diesem Fall ist beispielsweise nur ein einziger Bowdenzug nötig.

Eine einfache Ausführung für den Kompensator ergibt sich durch eine Ausbildung als Faltenbalg.

Von besonderem Vorteil ist die Verwendung eines Kompensators mit den Erfindungsmerkmalen bei einer Rohrleitung zur Prozessgasführung einer Gasturbine und/oder eines Strömungsreaktors. Da hierbei hohe Temperarturen auftreten, ist der mit der Erfindung erzielte Kräfteausgleich besonders wichtig. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figur näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Rohrleitung mit einem Kompensator mit den Erfindungsmerkmal.

Fig. 1 zeigt eine Rohrleitung 10 mit einem Kompensator 11 mit den Erfindungsmerkmalen. Wie sich der Figur entnehmen lässt, hat die Rohrleitung 10 Leitungsrohre 12. In der Figur sind zwei Leitungsrohre 10 gezeigt, die mittels Flanschen 13 mit Flanschen 14 des Kompensators 11 verbunden sind. Die Flansche 13, 14 sind dabei mittels mehrerer Bolzen 15 und Muttern 16 miteinander verbunden. Zwischen den Flanschen 13, 14 sind auf bekannte Weise geeignete Dichtungen angeordnet, die nicht in der Figur zu sehen sind.

Zwischen den Flanschen 14 ist als Längenausgleichsglied ein Faltenbalg 17 zum Längenausgleich angeordnet.

An den Flanschen 14 sind darüber hinaus mittels der Bolzen 15 und Muttern 16 Gegenlager 18, 19 angeordnet. Den Gegenlagern 18, 19 sind Bowdenzüge 20 zugeordnet, denen an ihren von den Gegenlagern 18, 19 jeweils abgewandten Enden wiederum Gegenlager 21 , 22 zugeordnet sind. Die Gegenlager 21 , 22 wiederum gehören zu einem Pneumatikzylinder 23, der als Mittel zum Entgegenwirken einer durch den Leitungsinnendruck in den Leitungsrohren 12 bewirkten Längenänderung des Kompensators 11 vorgesehen ist.

Im Innern der Bowdenzüge 20 verlaufen jeweils auf bekannte Weise Seelen 24, deren distale voneinander abgewandte Enden jeweils Terminals 25 aufweisen. Mittels dieser Terminals 25 sind die Seelen in nicht in der Figur dargestellten Aufnahmen der Gegenlager 18, 21 angeordnet. Der Bowdenzug 20 verfügt ferner an voneinander abgewandten Enden über Schraubverstellungen 26, die in nicht in der Figur dargestellten Aufnahmen in den Gegenlagern 19, 22 jeweils gelagert sind. Auf bekannte Weise kann mittels der Schraubverstellungen 26 der jeweilige Bowdenzug 20 spielfrei eingestellt oder gegebenenfalls auf eine gewisse Vorspannung gebracht werden.

Der Pneumatikzylinder 23 weist darüber hinaus einen Kolben 27 auf, der mindestens an seinem dem Gegenlager 22 zugeordneten distalen Ende ein Gewinde 28 aufweist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Gewinde 28 als Außengewinde 28 ausgeführt, wobei auf dem Außengewinde 28 Muttern 29 angeordnet sind, die zum Fixieren des Gegenlagers 22 auf dem Kolben 27 dienen. Das Gewinde 28 könnte allerdings auch als Innengewinde ausgebildet sein, in das eine Schraube eingeschraubt wird, die dann entweder einen hinreichend großen Schraubenkopf zum Festsetzen des Gegenlagers 22 haben sollte. Alternativ ist auch das Vorsehen einer Unterlegscheibe möglich. Anstelle der dem Gegenlager 21 zugewandt angeordneten Mutter 29 könnte bei dieser Ausführungsform dann ein Lagerabschnitt an dem Kolben 27 vorgesehen sein. Hierzu könnte der Kolben 27 entweder eine entsprechende Verdickung aufweisen. Alternativ kann die Öffnung in dem Gegenlager 22 aber auch lediglich eine Größe aufweisen, die ein Hindurchgreifen der Schraube ermöglicht, nicht jedoch des Kolbens 27.

In der Figur ist außerdem eine Leitung 30 dargestellt, die an einem Ende mittels einer Abzweigung mit einem Leitungsrohr 12 fluidverbunden ist. An ihrem von der Abzweigung 31 abgewandten Ende ist die Leitung 30 mittels einer Verschraubung 32 mit dem Pneumatikzylinder 23 ebenfalls fluidverbunden.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise der Vorrichtung von Fig. 1 erläutert. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Rohrleitung 10 fluidführend. Insbesondere kann es sich bei der Rohrleitung 10 um eine Prozessgasführung einer Gasturbine handeln. Die dabei auftretenden verhältnismäßig hohen Temperaturunterschiede zwischen Betriebsbedingungen und abgeschaltetem Zustand führen zu einer temperaturabhängigen Längenänderung der Leitungsrohre 12. Aus diesem Grunde ist der Kompensator 11 vorgesehen, da es andernfalls zu Spannungen bis hin zu Rissen in der Rohrleitung 10 kommen kann. Da der Kompensator 11 jedoch über den längenveränderbaren Faltenbalg 17 verfügt, kann dieser Längenänderungen der Leitungsrohre 12 ausgleichen, so dass die Leitungsrohre 12 mit dem Kompensator 10 gegen mechanische Spannungen geschützt sind.

In den Leitungsrohren 12 herrschen jedoch abhängig von den Betriebsbedingungen auch unterschiedliche Drucke vor. Bei einem großen Innendruck in dem Faltenbalg 17 entstehen insbesondere bei großen Rohrdurchmessern hohe Ausdehnungskräfte, die den Faltenbalg zu verlängern suchen. Diese hohen Kräfte werden bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch den Hydraulikzylinder 23 ausgeglichen.

Im Einzelnen weist der Pneumatikzylinder 23 einen gleichen pneumatischen Querschnitt auf wie der Faltenbalg 17. Als Antrieb ist der Pneumatikzylinder 23 mittels der Leitung 30, der Abzweigung 31 und der Verschraubung 32 mit dem Leitungsinneren des Leitungsrohres 12 verbunden. Auf diese Weise wird von dem Pneumatikzylinder 23 eine vom Leitungsinnendruck in dem Leitungsrohr 12 abhängigen Längsänderungskraft des Faltenbalges 17 entsprechende Gegenkraft erzeugt.

Eine Regelung ist nicht erforderlich, da das Prozessgas dem Leitungsrohr 12 nahe dem Kompensator 11 entnommen wird und somit der Leitungsinnendruck im Wesentlichen dem Innendruck in dem Faltenbalg 17 entspricht. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel treten keine nennenswerten Strömungsverluste in der Leitung 30 auf, da im Wesentlichen im stationären Betrieb gearbeitet wird. Es pendelt sich also automatisch ein Gleichgewicht zwischen den in dem Pneumatikzylinder 23 erzeugten Kraft und der in dem Faltenbalg 17 erzeugten Kraft ein. Die von dem Pneumatikzylinder 23 erzeugten Kräfte werden dabei von den Gegenlagern 21 , 22 über die Seelen 24 der Bowdenzüge 20 auf die Gegenlager 18, 19 übertragen. Auf diese Weise ist der Faltenbalg 17 und somit der Kompensator 11 im Wesentlichen unabhängig vom tatsächlichen Leitungsinnendruck kräftefrei. Anstelle des Pneumatikzylinders 23 kann auch ein dem Kompensator 11 entsprechendes Bauteil verwendet werden.

Auf die beschriebene Weise ist der Pneumatikzylinder 23 im Wesentlichen thermisch von der Rohrleitung 10 getrennt. Unabhängig von der Position des Kompensators 11 in der Rohrleitung 10 kann somit der Pneumatikzylinder 23 an einer geeigneten Stelle angeordnet werden, wo der erforderliche Bauraum vorhanden ist. Der Pneumatikzylinder 23 muss nicht extra isoliert werden, da er thermisch weitgehend getrennt ist. Auf diese Weise ergeben sich viele Vorteile für eine einfache Konstruktion des Pneumatikzylinders 23, beispielsweise in Bezug auf eventuelle Schweißnähte, ein zugeordnetes Fundament oder eine eventuell erforderliche Wanddopplung. Es ist aber natürlich auch möglich, den Leitungsinnendruck mittels eines Sensors zu messen und abhängig von dem gemessenen Leitungsinnendruck eine entsprechende Gegenkraft für den Kompensator 11 mittels eines Hydraulikzylinders oder auf andere geeignete Art herzustellen.

B e z u g s z e i c h e n l i s t e :

10 Rohrleitung

11 Kompensator

12 Leitungsrohr

13 Flansch

14 Flansch

15 Bolzen

16 Mutter

17 Faltenbalg

18 Gegenlager

19 Gegenlager

20 Bowdenzug

21 Gegenlager

22 Gegenlager

23 Pneumatikzylinder

24 Seele

25 Terminal

26 Schraubverstellung

27 Kolben

28 Gewinde

29 Mutter

30 Leitung

31 Abzweigung

32 Verschraubung