CH698278B1 - Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung mit wärmeisoliertem Flanschbolzen. - Google Patents
Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung mit wärmeisoliertem Flanschbolzen. Download PDFInfo
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Abstract
Eine Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung (300) umfasst einen Flansch (210), eine durch den Flansch (210) verlaufende Öffnung (220) und einen Bolzen (230), der durch die Öffnung (220) verläuft. Der Bolzen (230)umfasst einen Schaft (240) und eine den Schaft (240) umgebende Schaftisolierschicht (310).
Description
Technisches Gebiet
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung und ein Verfahren zum Schliessen einer Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung.
Stand der Technik
[0002] In einem konventionellen Gasturbinenmotor können der Turbinenmantel, das Verdichterauslassgehäuse und andere Elemente durch eine Anzahl von Bolzen verbunden sein. Doch die Bolzen können durch die heisse verdichtete Luft im Inneren des Verdichterauslassgehäuses und anderswo heiss werden. Wenn die Bolzen sich erhitzen, können die Bolzen einer Kriechverformung ausgesetzt werden. Die Kriechverformung kann einen Verlust der Bolzenvorspannung und eine verkürzte Lebensdauer zur Folge haben.
[0003] Gegenwärtige Lösungen, um die Kriechverformung in Hochtemperaturumgebungen zu verhindern, schliessen die Verwendung von grösseren Bolzen oder von Bolzen ein, die aus temperaturbeständigen Werkstoffen wie z.B. Inconel (eine Nickel-Chrom-Legierung) bestehen. Nachteilig hieran ist, dass die Grösse der Bolzen aber aufgrund der räumlichen Einschränkungen nicht weiter erhöht werden kann. Zudem kann die Verwendung von Werkstoffen wie Inconel viel teurer als die von Bolzen aus Standardstahl oder ähnlichen Materialien sein.
[0004] Deshalb besteht eine Aufgabe darin, eine Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung zu schaffen, die die Wirkung von thermischen Einflüssen reduziert, aber zu geringeren Kosten als mit bekannten hochtemperaturbeständigen Werkstoffen. Ferner besteht eine Aufgabe darin, eine Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung zu schaffen, welche im Wesentlichen kriechfest ist und dabei eine angemessene Grösse hat und zu annehmbaren Kosten verfügbar ist.
Kurze Beschreibung der Erfindung
[0005] Die vorliegende Erfindung stellt eine Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung bereit. Die Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung umfasst einen Flansch, eine durch den Flansch verlaufende Öffnung und einen durch die Öffnung verlaufenden Bolzen. Der Bolzen umfasst einen Schaft und eine den Schaft umgebende Schaftisolierschicht.
[0006] Die vorliegende Erfindung stellt ausserdem ein Verfahren zum Schliessen einer Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung, umfassend einen Flansch, die in einem Heissluftweg angeordnet ist, bereit. Das Verfahren umfasst die Schritte des Überziehens eines Schafts mit einer Schaftisolierschicht, des Anordnens des Schafts in einer Öffnung der Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung, des Anordnens einer Mutterisolierschicht um den Schaft und die Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung, und des Anziehens einer Mutter um den Schaft und die Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung.
[0007] Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen für den Fachmann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen und den beiliegenden Ansprüchen hervor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0008]
<tb>Fig. 1<SEP>ist eine Querschnittsansicht eines Turbinenmotors, die Abschnitte einer Brennkammer, eines Verdichters und einer Turbine zeigt, wobei in den Turbinenmotor Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnungen gemäss der Fig. 2 und den Fig. 3 – 5 eingebaut werden können.
<tb>Fig. 2<SEP>ist ein partieller Seitenquerschnitt einer bekannten Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung.
<tb>Fig. 3<SEP>ist ein partieller Seitenquerschnitt eines Beispiels einer Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung wie hierin beschrieben.
<tb>Fig. 4<SEP>ist ein partieller Seitenquerschnitt eines anderen Beispiels einer Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung wie hierin beschrieben.
<tb>Fig. 5<SEP>ist ein partieller Seitenquerschnitt eines anderen Beispiels einer Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung wie hierin beschrieben.
<tb>Fig. 6<SEP>zeigt ein Diagramm I, welches eine Temperaturverteilung innerhalb des Flanschs und des Schafts des Bolzenaufbaus unter typischen Betriebsbedingungen zeigt.
<tb>Fig. 7<SEP>zeigt ein Diagramm II, welches die durchschnittliche Temperaturverteilung für den Flansch und den Schaft zeigt.
<tb>Fig. 8<SEP>zeigt ein Diagramm III, welches die durchschnittliche Temperaturverteilung zwischen dem Flansch und dem Schaft zeigt.
<tb>Fig. 9<SEP>zeigt ein Diagramm IV, welches die grösste Abnahme in der Temperatur des Schafts zeigt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
[0009] Nun bezugnehmend auf die Zeichnungen, wobei gleiche Bezugszeichen sich in den verschiedenen Zeichnungen durchweg auf gleiche Elemente beziehen, zeigt Fig. 1 einen Abschnitt eines Gasturbinenmotors 10. Wie bekannt, weist der Gasturbinenmotor 10 einen Verdichter 20 auf. Der Verdichter 20 verdichtet einen Zuluftstrom. Der Luftstrom wird dann in eine Brennkammer 30 ausgelassen. Die Brennkammer 30 umfasst eine Anzahl von Verbrennungsrohren 40. Die Verbrennungsrohre 40 sind allgemein in der Umfangsrichtung um eine Rotorwelle 50 herum angeordnet. Die verdichtete Luft und ein Brennstoff werden in den Verbrennungsrohren 40 gezündet und genutzt, um einen Turbinenabschnitt 60 anzutreiben. Im Turbinenabschnitt 60 wird die Energie der Heissgase in mechanische Arbeit umgewandelt. Ein Teil der Arbeit wird genutzt, um den Verdichter 20 über die Welle 50 anzutreiben, wobei der Test verfügbar ist, um eine Last wie z.B. einen Generator anzutreiben.
[0010] In diesem Beispiel kann der Turbinenabschnitt 60 vier aufeinanderfolgende Stufen aufweisen, die durch vier (4) Räder dargestellt sind, ein erstes Rad 71, ein zweites Rad 72, ein drittes Rad 73 und ein viertes Rad 74. Die Räder 71–74 sind auf der Rotorwelle 50 montiert. Jedes Rad 71–74 trägt eine Reihe von Laufschaufeln, die eine Anzahl von Schaufelblättern umfassen, ein erstes Schaufelblatt 81, ein zweites Schaufelblatt 82, ein drittes Schaufelblatt 83 und das vierte Schaufelblatt 84. Die Schaufelblätter 81–84 sind alternativ dazu zwischen fest stehenden Düsen angeordnet, die eine Anzahl von Leitschaufeln umfassen, eine erste Leitschaufel 91, eine zweite Leitschaufel 92, eine dritte Leitschaufel 93 und eine vierte Leitschaufel 94. Demnach wird eine vierstufige Turbine dargestellt, wobei eine erste Stufe das Schaufelblatt 81 und die Leitschaufel 91 einschliesst; eine zweite Stufe schliesst das Schaufelblatt 82 und die Leitschaufel 92 ein; eine dritte Stufe schliesst das Schaufelblatt 83 und die Leitschaufel 93 ein; und eine vierte Stufe schliesst das Schaufelblatt 84 und die Leitschaufel 94 ein. Der Turbinenabschnitt 60 kann aber jede Zahl von Stufen und abweichende Konfigurationen aufweisen.
[0011] Der Turbinenabschnitt 60 kann einen äusseren Turbinenmantel 100 und einen inneren Turbinenmantel 110 umfassen. Der äussere Turbinenmantel 100 kann an einem Ende an ein Verdichterauslassgehäuse 120 und am anderen an einen Turbinen-Abgasrahmen 130 befestigt sein. Der äussere Turbinenmantel 100 kann durch eine Anzahl von Bolzen 140 mit dem Verdichterauslassgehäuse 120 und dem Turbinen-Abgasrahmen 130 verbunden sein. Die Bolzen 140 können eines konventionellen Designs und Materials sein, überdimensioniert sein oder aus wärmebeständigen Werkstoffen bestehen.
[0012] Fig. 2 zeigt eine Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung 200 im Detail. Die Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung 200 umfasst einen mindestens zweiteiligen Flansch 210. Der Flansch 210 ist zwischen dem Verdichterauslassgehäuse 120 und dem äusseren Turbinenmantel 100 geformt. Eine Öffnung 220 verläuft durch die Breite des Flanschs 210. Ein Bolzen 230 verläuft durch die Öffnung 220, um die Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung 200 anzuziehen und zu schliessen. Der Bolzen 230 kann einen Schaft 240 aufweisen, der durch die Länge des Flanschlochs 220 verläuft und an einem oder beiden Enden durch eine Mutter 250 abgeschlossen wird. Der Schaft 240 und die Muttern 250 können aus konventionellen Metallen einschliesslich Legierungen auf Stahlgrundlage wie z.B. CrMoV, Legierungen auf Nickelgrundlage wie z.B. A286, Inconel 625, Inconel 718 und vergleichbaren Werkstofftypen bestehen. Der Schaft 240 kann einen Durchmesser von 2,5 bis 7,6 Zentimeter (1 bis 3 Zoll) und eine Länge von 38 bis 58 Zentimeter (15 bis 23 Zoll) haben. Die Muttern 250 können eine Dicke von 3,8 bis 7,6 Zentimeter (1,5 bis 3 Zoll) und einen Aussendurchmesser von 3,2 bis 8,9 Zentimeter (1,25 bis 3,5 Zoll) haben. Andere Abmessungen und Konfigurationen können vorliegend ebenfalls verwendet werden.
[0013] Fig. 6 zeigt ein Diagramm I, welches eine Temperaturverteilung innerhalb des Flanschs 210 und des Schafts 240 des Bolzens 230 unter typischen Betriebsbedingungen zeigt. Wie gezeigt, nimmt die Temperatur sowohl des Flanschs 210 als auch des Schafts 240 zuerst vom Verdichterauslassgehäuse 120 durch den Flansch 210 zu und nimmt dann zum äusseren Turbinenmantel 100 hin wieder ab.
[0014] Fig. 3 zeigt eine verbesserte Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung 300, wie hierin beschrieben. Die verbesserte Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung 300 kann der oben beschriebenen Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung 200 grösstenteils gleichen, jedoch mit einer Schaftisolierschicht 310, die den Schaft 240 umgibt. Die Schaftisolierschicht 310 kann eine Schicht aus einer Keramikfaser oder -wolle, einer Glasfaser oder -wolle, einem Keramikschaum, einem Aerogel oder vergleichbaren Materialtypen mit guten Isoliereigenschaften sein. Die Schaftisolierschicht 310 kann eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 6,9 Watt/Meter °K (etwa 4 e-2 BTU/hr ft °F) haben. Die Leitfähigkeit kann von 12 e-3 bis 17,3 e-2 Watt/Meter °K (7 e-3 bis 10 e-2 BTU/hr ft °F) liegen. Die Schaftisolierschicht 310 kann eine Dicke von etwa 1,6 Millimeter (etwa 0,0625 Zoll) haben. Es können Dicken im Bereich von 1,02 bis 3,175 Millimeter (0,040 bis 0,125 Zoll) verwendet werden. Die Dicken können abhängig vom Manteldesign und anderen Faktoren variieren.
[0015] Fig. 7 zeigt ein Diagramm II, welches die durchschnittliche Temperaturverteilung für den Flansch 210 und den Schaft 240 zeigt. Wie gezeigt, weist die Temperaturverteilung des Schafts 240 nicht die im Diagramm I gezeigte Spitze auf, wenn die Schaftisolierschicht 310 verwendet wird.
[0016] Obwohl nicht beansprucht, ist in Fig. 4 eine beispielhafte Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung 350 gezeigt. Die Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung 350 kann der Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung 200 grösstenteils gleichen, jedoch mit einer Mutterisolierschicht 360, die zwischen jeder Mutter 250 und dem Flansch 210 angeordnet ist. Die Mutterisolierschicht 360 kann in Form einer Unterlegscheibe, einer Isolierschicht wie die Schaftisolierschicht 310 oder in ähnlichen Konfigurationen vorliegen. Die Mutterisolierschicht 360 kann aus einer Legierung bestehen, deren Wärmeleitfähigkeit kleiner ist als die des Bolzen- und Muttermaterials. Auch die Mutterisolierschicht 360 kann aus einem Metall auf Nickelgrundlage, einer Keramik, einem Hochtemperaturstahl, wie z.B. A-286, oder vergleichbaren Werkstofftypen mit guten Isoliereigenschaften bestehen. Das Material kann zudem abhängig von der Geometrie, den Betriebsbedingungen und anderen Faktoren variieren. Die Mutterisolierschicht 360 kann eine Wärmeleitfähigkeit von 20,8 Watt/Meter °K (12 BTU/hr ft °F) haben. Die Leitfähigkeit kann von 13,8 oder weniger bis 22,5 Watt/Meter °K (8 oder weniger bis 13 BTU/hr ft °F) liegen. Die Mutterisolierschicht 360 kann eine Dicke von 25 Millimeter (1 Zoll) haben. Je nach Leitfähigkeit des Unterlegscheibenmaterials können Dicken im Bereich von 6,35 bis 51 Millimeter (0,25 bis 2 Zoll) verwendet werden.
[0017] Die Mutterisolierschicht 360 verringert die Wärme, die vom Flansch 210 in den Schaft 240 übertragen werden kann, und kann aufgrund der erhöhten Fläche einen Teil der Wärme vom Flansch 210 an die Luft ableiten. Bestimmte Geometrien können in die Mutterisolierschicht 360 geschnitten werden, um die Wärmeübertragungsfläche zur Kühlluft um den Flansch 210 herum zu vergrössern. Zum Beispiel können Aussparungen oder Rippen verwendet werden. Es ist auch möglich, die Wärmeübertragungsfläche zwischen der Mutterisolierschicht 360 und dem Flansch 210 und/oder der Mutterisolierschicht 360 und der Mutter 250 oder zwischen der Mutter 250 und dem Flansch 210 durch bogenförmige Anschnitte oder Aussparungen an der Mutterkontaktfläche zu verkleinern.
[0018] Fig. 8 zeigt ein Diagramm III, welches die durchschnittliche Temperaturverteilung zwischen dem Flansch 210 und dem Schaft 240 zeigt. Auch hier ist die Temperaturverteilung des Schafts 240 im Vergleich zum Bezugsfall von Diagramm I reduziert, auch wenn die anfängliche Spitze, die in Diagramm I zu sehen ist, wieder erscheint.
[0019] Fig. 5 zeigt eine verbesserte Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung 400, wie hierin beschrieben. Die verbesserte Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung 400 kann grösstenteils der Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung 200 gleichen, jedoch mit dem Zusatz der Schaftisolierschicht 310 von Fig. 3 und der Mutterisolierschicht 360 von Fig. 4 .
[0020] Fig. 9 zeigt ein Diagramm IV, welches die grösste Abnahme in der Temperatur des Schafts 240 zeigt. In diesem Fall wird durch Verwendung der Schaftisolierschicht 310 und der Mutterisolierschicht 360 eine Temperaturdifferenz von etwa 40,6 °C (etwa 105 °F) erreicht. Überdies wird die Temperatur innerhalb des Flanschs 210 im Vergleich zum Bezugsfall von Diagramm I um etwa 9,2 °C (etwa 48,5 °F) reduziert.
[0021] Die Verwendung der Schaftisolierschicht 310 und der Mutterisolierschicht 360 reduziert demnach die Wege, die die Wärmeübertragung in den Bolzen 230 erlauben, indem sie die Leitfähigkeit entlang der Wege reduziert und auch die Wege abschirmt. Dementsprechend kann die vergrösserte Fläche, die der Kühlluft ausgesetzt ist, auch den Wärmeentzug unterstützen. Dadurch kann der Bolzen 230 aus Standardmaterialien, zu geringen Kosten, jedoch mit reduzierter Kriechverformung, hergestellt werden.
[0022] Die Schaftisolierschicht 310 und die Mutterisolierschicht 360, die hierin beschrieben wurden, können an der Turbinenmantel/Turbinenabgasrahmen-Verbindung oder an jeder anderen gewünschten Stelle innerhalb der Turbine verwendet werden. Beispiele der beschriebenen Anordnung sind auch überall verwendbar, wo entlang eines Bolzens ein Temperaturgefälle relativ zu einem Flansch vorhanden ist. Die Schaftisolierschicht 310 und die Mutterisolierschicht 360 können auch überall dort verwendet werden, wo ein Bolzen oder eine vergleichbare Verbindungsvorrichtung hohen Temperaturen ausgesetzt ist.
Claims (9)
1. Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung (300, 350, 400), umfassend:
einen Flansch (210);
eine Öffnung (220), die durch den Flansch (210) verläuft; und
einen Bolzen (230), der durch die Öffnung (220) verläuft;
wobei der Bolzen (230) einen Schaft (240) und eine den Schaft (240) umgebende Schaftisolierschicht (310) umfasst.
2. Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung (300, 350, 400) nach Anspruch 1, wobei der Bolzen (230) eine Legierung auf Stahl- oder Nickelgrundlage enthält.
3. Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung (300, 350, 400) nach Anspruch 1, wobei der Schaft (240) einen Durchmesser von 25 bis 76 Millimeter (1 bis 3 Zoll) hat.
4. Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung (300, 350, 400) nach Anspruch 1, wobei die Schaftisolierschicht (310) eine Keramikfaser oder -wolle, eine Glasfaser oder -wolle, einen Keramikschaum oder ein Aerogel enthält.
5. Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung (300, 350, 400) nach Anspruch 1, wobei die Schaftisolierschicht (310) eine Wärmeleitfähigkeit von 12 e-3 bis 17,3 e-2 Watt/Meter °K (7 e-3 bis 10 e-2 BTU/hr ft °F) aufweist.
6. Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung (300, 350, 400) nach Anspruch 1, wobei der Bolzen (230) eine Mutter (250) aufweist und wobei die Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung (300, 350, 400) ausserdem eine Mutterisolierschicht (360) aufweist, die zwischen der Mutter (250) und dem einen Flansch (210) angeordnet ist.
7. Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung (300, 350, 400) nach Anspruch 6, wobei die Mutterisolierschicht (360) eine Legierung auf Eisen- oder Nickelgrundlage enthält.
8. Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung (300, 350, 400) nach Anspruch 6, wobei die Mutterisolierschicht (360) eine Wärmeleitfähigkeit von 13,8 bis 22,5 Watt/Meter °K (8 bis 13 BTU/hr ft °F) aufweist.
9. Verfahren zum Schliessen einer Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung (200), umfassend einen Flansch (210), wobei die Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung (200) in einem Heissluftweg (120) angeordnet ist, umfassend:
das Bereitstellen eines Bolzens (230) mit einem Schaft (240);
das Überziehen des Schafts (240) des Bolzens (230) mit einer Schaftisolierschicht (310);
das Anordnen des Schafts (240) des Bolzens (230) in einer Öffnung (220) im Flansch (210) der Turbinen/Verdichterstator-Verbindungsanordnung (200);
das Anordnen einer Mutterisolierschicht (360) um den Schaft (240) des Bolzens (230) ; und
das Anziehen einer Mutter (250) um den Schaft (240) des Bolzens (230).
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