DE102007017887A1

DE102007017887A1 - Verfahren zum Umbauen eines Turbinengehäuses

Info

Publication number: DE102007017887A1
Application number: DE102007017887A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Storch; Andreas Filert; Bernd Meixner
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2007-04-13
Filing date: 2007-04-13
Publication date: 2008-10-16
Also published as: US20080250624A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umbauen eines Turbinengehäuses einer Turbine, das einen bezüglich einer Rotationsachse eines Rotors der Turbine axialen Flansch und einen bezüglich der Rotationsachse radialen Heißgaseinlass aufweist, mit den Schritten: - Trennen des Turbinengehäuses unter Ausbildung einer Trennzone axial in zwei Axialabschnitte, wobei der erste Axialabschnitt den Flansch aufweist, während der zweite Axialabschnitt den Heißgaseinlass aufweist, - Überführen der beiden Axialabschnitte aus ihrer ursprünglichen alten Relativlage durch Drehen der beiden Axialabschnitte relativ zueinander um die Rotationsachse in eine neue Relativlage, - Verbinden der beiden Axialabschnitte in ihrer neuen Relativlage entlang der Trennzone miteinander.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umbauen eines Turbinengehäuses einer Turbine, das einen bezüglich einer Rotationsachse eines Rotors der Turbine axialen Flansch und einen bezüglich der Rotationsachse radialen Heißgaseinlass aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem ein insbesondere mit dem vorstehend genannten Verfahren umgebautes Turbinengehäuse. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines Wasserstrahlschneidverfahrens sowie eines Laserschweißverfahrens oder eines Elektronenschweißverfahrens beim Umbauen eines Turbinengehäuses.
Stand der Technik
Ein konventionelles Turbinengehäuse einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine, besteht üblicherweise aus zwei Halbschalen, nämlich einer Oberschale und einer Unterschale, die entlang einer Teilungsebene, in der die Rotationsachse des Rotors der Turbomaschine liegt, aneinander anliegen und über eine entsprechende Flanschverbindung aneinander befestigt sind. Die Halbschalen sind dabei üblicherweise jeweils Gussteile. Das Turbinengehäuse weist einen axialen Flansch auf, mit dem das Turbinengehäuse an eine andere Komponente der Turbomaschine anschließbar ist. Beispielsweise bildet der Flansch quasi einen Auslass für das entspannte heiße Arbeitsgas der Turbine. Der Flansch besteht aus zwei Hälften, die jeweils integraler Bestandteil der jeweiligen Halbschale des Turbinengehäuses sind. Ferner weist das Turbinengehäuse einen radialen Heißgaseinlass auf, über den im Betrieb der Turbomaschine von einer Brennkammer kommendes heißes und komprimiertes Arbeitsgas der im Inneren des Turbinengehäuses angeordneten Turbine zugeführt wird. Dieser Heißgaseinlass ist dabei an einer der beiden Halbschalen ausgebildet.
Bei Turbomaschinen älteren Datums ist die Brennkammer bezüglich der Turbine ein separates Bauteil, das neben der Turbine und beabstandet dazu angeordnet ist. Das von der Brennkammer erzeugte heiße Arbeitsgas wird dann bei dieser älteren Bauweise über eine U-förmig abgewinkelte Versorgungsleitung von unten an das Turbinengehäuse herangeführt. Das heißt, bei diesen Turbomaschinen älteren Baujahres ist der Heißgaseinlass an der Unterschale des Turbinengehäuses ausgebildet.
Bei Turbomaschinen jüngeren Datums ist die Brennkammer direkt auf das Turbinengehäuse aufgesetzt, so dass auf eine Versorgungsleitung verzichtet werden kann. Der Heißgaseinlass befindet sich somit bei jüngeren Turbomaschinen an der Oberschale des Turbinengehäuses. Die Anordnung der jüngeren Bauweise zeichnet sich durch reduzierte Strömungswiderstände und reduzierte Temperaturverluste aus, was den Wirkungsgrad der Turbomaschine erhöht.
Die Betreiber von Kraftwerksanlagen sind stets bemüht, neuere und bewährte Technologien auch bei älteren Anlagen umzusetzen. Es besteht daher der Wunsch, ältere Turbomaschinen, bei denen der Heißgaseinlass an der Unterseite des Turbinengehäuses angeordnet ist, so umzubauen, dass die Brennkammer oben auf das Turbinengehäuse aufgesetzt werden kann. Ein Austauschen des alten Turbinengehäuses mit untenliegendem Heißgaseinlass gegen ein neues Turbinengehäuse mit obenliegendem Heißgaseinlass kommt dabei nicht in Frage, weil die Kosten hierfür zu hoch sind. Ein Umdrehen des alten Turbinengehäuses, um so den Heißgaseinlass von unten nach oben zu bringen, scheidet dabei ebenfalls aus, da der Flansch des Turbinengehäuses unsymmetrisch ist, so dass auch hier extrem aufwändige Anpassungsmaßnahmen erforderlich wären.
Darstellung der Erfindung
Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Turbinengehäuse einen Weg aufzuzeigen, der den Umbau von einer Bauform mit untenliegendem Heißgaseinlass in eine Bauform mit obenliegendem Heißgaseinlass vereinfacht.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, nicht das gesamte Turbinengehäuse, sondern nur einen den Heißgaseinlass aufweisenden Axialabschnitt zu drehen und einen den Flansch aufweisenden Axialabschnitt in seiner ursprünglichen Einbaulage zu belassen. Erreicht wird dies dadurch, dass das Turbinengehäuse zunächst axial in zwei Axialabschnitte getrennt wird, wobei der erste Axialabschnitt den Flansch und der zweite Axialabschnitt den Heißgaseinlass aufweist. Die Trennung wird dabei so durchgeführt, dass sich dabei eine Trennzone ausbildet, die insbesondere bezüglich der Rotationsachse rotationssymmetrisch ausgestaltet ist. Anschließend können die beiden Axialabschnitte um die Rotationsachse relativ zueinander soweit verdreht werden, bis die jeweils gewünschte neue Relativlage gefunden ist. Anschließend können die beiden Axialabschnitte in der neuen Relativlage entlang der Trennzone wieder miteinander verbunden werden. Das vorgeschlagene Umbauverfahren ermöglicht einerseits die Verwendung des ursprünglichen Turbinengehäuses, so dass kein neues Turbinengehäuse benötigt wird. Zum anderen kann der Flansch in seiner ursprünglichen Relativlage bleiben, so dass auch hier keine aufwändigen Adaptionsmaßnahmen erforderlich sind. Der Aufwand zum Umbau ist somit vergleichsweise gering und im Hinblick auf die durch den Umbau erwartete Wirkungsgradverbesserung aus wirtschaftlichen Gründen erwägenswert.
Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausführungsform, bei der das Trennen des Turbinengehäuses in die beiden Axialabschnitte mit Hilfe eines Wasserstrahlschneidverfahrens realisiert wird. Es hat sich gezeigt, dass das Wasserstrahlschneiden einerseits vergleichsweise preiswert realisierbar ist und andererseits mit einer extrem geringen Materialabtragung auskommt. Dies ist von besonderem Vorteil, da der beim Wasserstrahlschneiden entstehende Spalt eine extrem kleine Spaltbreite besitzt, die einen axialen Ausgleich beim späteren Verbinden der beiden Axialabschnitte vereinfacht. Es hat sich sogar gezeigt, dass eine derartig geringe Spaltbreite innerhalb der axialen Toleranzen der Turbomaschine liegt, so dass der beim Wasserstrahlschneiden entstehende Materialverlust unproblematisch ist. Grundsätzlich sind auch andere Schneideerfahren oder Trennverfahren denkbar, die jedoch aus verschiedenen Gründen nicht optimal sind. Beispielsweise kann das Gehäuse aufgesägt werden. Der Materialverlust ist dabei jedoch so groß, dass ein axialer Ausgleich nicht mehr ohne weiteres gewährleistet ist. Beim Trennschweißen oder Laserschneiden kann es zu einer Gefügeveränderung im Gusswerkstoff des Turbinengehäuses kommen, was die Festigkeit des Turbinengehäuses beeinträchtigt. Ferner ist ein Drahterosionsverfahren denkbar, das jedoch bei den hier zu trennenden Gehäusestärken, die bei über 100 mm liegen können, extrem kostspielig und zeitaufwändig ist.
Zum Verbinden der beiden zueinander verdrehten Axialabschnitte wird ein Schweißverfahren bevorzugt, das ohne Materialzugabe auskommt. Eine Materialzugabe kann zu Gefügeänderungen führen, welche die Stabilität des Turbinengehäuses beeinträchtigt. Ebenso können hierdurch aufwändige Nachbearbeitungsmaßnahmen erforderlich werden. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Laserschweißverfahrens oder eines Elektronenstrahlschweißverfahrens. Mit derartigen Schweißtechnologien lassen sich vergleichsweise enge Trennspalte an ihren einander zugewandten Trennflächen soweit Aufheizen, dass eine Fusionsverbindung erzielt werden kann.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
1 bis 6 jeweils eine stark vereinfachte, prinzipielle Seitenansicht eines Turbinengehäuses während verschiedenen Phasen des Umbaus.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend den 1 bis 6 umfasst ein Turbinengehäuse 1 einer im übrigen nicht gezeigten Turbomaschine oder Turbine einen Flansch 2, der bezüglich einer Rotationsachse 3 eines hier nicht gezeigten Rotors der Turbine axial orientiert ist. Ferner weist das Turbinengehäuse 1 einen bezüglich der Rotationsachse 3 radial orientierten Heißgaseinlass 4 auf. Das Turbinengehäuse 1 besitzt einen grundsätzlich herkömmlichen Aufbau und ist somit insbesondere aus zwei Halbschalen aufgebaut, nämlich aus einer Oberschale 5 und einer Unterschale 6. Die beiden Halbschalen 5, 6 liegen entlang einer Teilungsebene 7, die senkrecht auf der Zeichnungsebene steht, aneinander an und sind im Bereich der Teilungsebene 7 über eine Flanschverbindung 8 aneinander befestigt. Die Halbschalen 5, 6 sind jeweils als einstückige Gussteile ausgestaltet. Die Oberschale 5 weist integral eine obere Hälfte 9 des Flansches 2 und eine obere Hälfte 10 des übrigen Gehäuseabschnitts auf. Analog dazu umfasst die Unterschale 6 integral eine untere Hälfte 11 des Flansches 2 sowie eine untere Hälfte 12 des übrigen Gehäuseabschnitts. Die untere Gehäuseabschnittshälfte 12 weist außerdem den Heißgaseinlass 4 auf. Dieser ist insbesondere ebenfalls integraler Bestandteil der Unterschale 6.
1 zeigt das Turbinengehäuse 1 in einem alten Zustand, also vor einem Umbau, der im folgenden näher beschrieben wird. In diesem Altzustand ist der Heißgaseinlass 4 unten angeordnet, also an der alten Unterschale 6. Die alte Oberschale 5 ist über die Flanschverbindung 4 lösbar an der alten Unterschale 6 befestigt. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Umbauen des alten Turbinengehäuses 1 in ein in 6 gezeigtes neues Turbinengehäuse 1' läuft wie folgt ab:
Entsprechend 2 wird zunächst das alte Turbinengehäuse 1 axial in zwei Axialabschnitte getrennt, nämlich in einen ersten Axialabschnitt 13 und einen zweiten Axialabschnitt 14. Die Trennung erfolgt dabei so, dass sich eine bezüglich der Rotationsachse 3 rotationssymmetrische Trennzone 15 ausbildet. Diese Trennzone 15 kann dabei bevorzugt in einer Trennebene 16 liegen, die sich quer zur Rotationsachse 3 erstreckt. Alternativ ist beispielsweise auch eine Trennzone 15 denkbar, die sich entlang eines Mantels eines Kegelstumpfes erstreckt, der sich koaxial zur Rotationsachse 3 erstreckt. Die Trennung des Turbinengehäuses 1 wird dabei gezielt so realisiert, dass anschließend der erste Axialabschnitt 13 den Flansch 2 aufweist, während der zweite Axialabschnitt 14 den Heißgaseinlass 4 aufweist.
Die Auftrennung des Turbinengehäuses 1 in die beiden Axialabschnitte 13, 14 wird bevorzugt mit einem Wasserstrahlschneidverfahren realisiert. Beim Wasserstrahlschneiden kann auch bei relativ großen Wandstärken, wie sie bei Turbinengehäusen 1 üblich sind, ein Trennschnitt realisiert werden, bei dem vergleichsweise wenig Material abgetragen wird. Beispielsweise kann durch das Wasserstrahlschneiden auch bei Wandstärken von mehr als 100 mm ein Spalt generiert werden, der im Bereich von 1 bis 2 mm liegt. Besonders vorteilhaft ist beim Wasserstrahlschneiden außerdem, dass es vergleichsweise einfach an unterschiedliche Geometrien und Wandstärken des Turbinengehäuses 1 adaptierbar ist.
Nach dem Trennen des Turbinengehäuses 1 in die beiden Axialabschnitte 13, 14 können diese entsprechend 3 in axialer Richtung zueinander bewegt werden. Der den Flansch 2 aufweisende erste Axialabschnitt 13 ist in 3 axial beabstandet zu dem den Heißgaseinlass 4 aufweisenden zweiten Axialabschnitt 14 positioniert.
Entsprechend 4 können nun die beiden Axialabschnitte 13, 14 auch relativ zueinander um die Rotationsachse 3 gedreht werden. Beim hier gezeigten bevorzugten Beispiel des Umbauverfahrens erfolgt eine Drehung um 180°. Dementsprechend ist ab dem in 4 gezeigten Zustand der Heißgaseinlass 4 oben am zweiten Axialabschnitt 14 angeordnet, während er bis zum Zustand gemäß 3 noch unten am zweiten Axialabschnitt 14 beziehungsweise unten am Turbinengehäuse 1 angeordnet ist. Grundsätzlich sind auch andere Drehwinkel denkbar. In den 1 bis 3 weisen die beiden Axialabschnitte 13, 14 (soweit vorhanden) eine alte Relativlage zueinander auf. Im Unterschied dazu besitzen die beiden Axialabschnitte 13, 14 in den 4 bis 6 eine neue Relativlage zueinander.
Nach dem Verdrehen der beiden Axialabschnitte 13, 14 relativ zueinander um die Rotationsachse 3 werden die beiden Axialabschnitte 13, 14 wieder axial relativ zueinander bewegt, bis sie im Bereich der Trennzone 15 entsprechend 5 wieder axial aneinander anliegen oder zumindest bis auf einen für die jeweilige Verbindungstechnologie benötigten Spalt aneinander anliegen. Dies ist ohne weiteres realisierbar, da die Trennzone 15 bezüglich der Rotationsachse 3 rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Anschließend werden die beiden Axialabschnitte entsprechend 6 entlang der Trennzone 15 miteinander verbunden. Hierzu eignet sich in besonderer Weise eine Schweißverbindung 17, die in 6 durch eine Kreuzschraffur angedeutet ist. Als Schweißverfahren wird hierbei bevorzugt ein Schweißverfahren verwendet, das ohne Materialzugabe arbeitet, also insbesondere ohne sich abnutzende beziehungsweise abschmelzende Elektrode auskommt. Besonders vorteilhaft kann hier ein Laserschweißverfahren oder ein Elektronenstrahlschweißverfahren zum Einsatz kommen. Derartige Schweißverfahren eignen sich in besonderer Weise zur Verbindung metallischer Bauteile bei engen Spaltmaßen ohne Materialzugabe.
6 zeigt nun das umgebaute oder neue Turbinengehäuse 1', das eine neue Oberschale 5' und eine neue Unterschale 6' aufweist. Die neue Oberschale 5' besteht nach dem Zusammenbauen der beiden Axialabschnitte 13, 14 aus der oberen Flanschhälfte 9 und aus der den Heißgaseinlass 4 aufweisenden unteren Gehäuseabschnittshälfte 12. Im Unterschied dazu besteht die neue Unterschale 6' aus der unteren Flanschhälfte 11 und der oberen Gehäuseabschnittshälfte 10. Wie beim ursprünglichen alten Turbinengehäuse 1 liegen auch beim neuen Turbinengehäuse 1' die beiden neuen Halbschalen 5', 6' entlang der Teilungsebene 7 aneinander an und sind über die Flanschverbindung 8 lösbar aneinander befestigt.
Nach dem Verbinden der beiden Axialabschnitte 13, 14 kann noch eine thermische Nachbehandlung des neuen Turbinengehäuses 1' zumindest im Bereich der Schweißverbindung 17 durchgeführt werden, z. B. um Verspannungen im Gefüge abzubauen.
Es ist klar, dass es nicht erforderlich ist, das gesamte Turbinengehäuse 1 in der beschriebenen Weise in die beiden Axialabschnitt 13, 14 zu trennen und anschließend bei veränderter Drehlage die beiden Axialabschnitte 13, 14 wieder aneinander zu befestigen. Insbesondere ist es möglich, die beiden alten Halbschalen 5, 6 unabhängig voneinander zu trennen. Zusätzlich oder alternativ können auch die Flanschhälften 9, 11 einzeln an den zugehörigen Gehäuseabschnittshälften 10, 12 der jeweiligen neuen Halbschale 5', 6' angebracht werden.

1: (altes) Turbinengehäuse
1': (neues) Turbinengehäuse
2: Flansch
3: Rotationsachse
4: Heißgaseinlass
5: (alte) Oberschale
5': (neue) Oberschale
6: (alte) Unterschale
6': (neue) Unterschale
7: Teilungsebene
8: Flanschverbindung
9: obere Flanschhälfte
10: obere Gehäuseabschnittshälfte
11: untere Flanschhälfte
12: untere Gehäuseabschnittshälfte
13: erster Axialabschnitt
14: zweiter Axialabschnitt
15: Trennzone
16: Trennebene
17: Schweißverbindung

Claims

Verfahren zum Umbauen eines Turbinengehäuses (1) einer Turbine, das einen bezüglich einer Rotationsachse (3) eines Rotors der Turbine axialen Flansch (2) und einen bezüglich der Rotationsachse (3) radialen Heißgaseinlass (4) aufweist, – bei dem das Turbinengehäuse (1) unter Ausbildung einer Trennzone (15) axial in zwei Axialabschnitte (13, 14) getrennt wird, wobei der erste Axialabschnitt (13) den Flansch (2) aufweist, während der zweite Axialabschnitt (14) den Heißgaseinlass (4) aufweist, – bei dem die beiden Axialabschnitte (13, 14) aus ihrer ursprünglichen alten Relativlage durch Drehen der beiden Axialabschnitte (13, 14) relativ zueinander um die Rotationsachse (3) in eine neue Relativlage überführt werden, – bei dem die beiden Axialabschnitte (13, 14) in ihrer neuen Relativlage entlang der Trennzone (15) miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennen durch Wasserstrahlschneiden erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass das Trennen so durchgeführt wird, dass eine bezüglich der Rotationsachse (3) rotationssymmetrische Trennzone (15) ausgebildet wird, und/oder – dass das Trennen so durchgeführt wird, dass die Trennzone (15) in einer sich senkrecht zur Rotationsachse (3) erstreckenden Trennebene (16) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Axialabschnitte (13, 14) zueinander um 180° um die Rotationsachse (3) gedreht werden, um sie aus ihrer alten Relativlage in ihre neue Relativlage zu überführen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbinden der beiden Axialabschnitte (13, 14) ein Schweißverfahren verwendet wird, das ohne Materialzugabe arbeitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbinden der beiden Axialabschnitte (13, 14) ein Laserschweißverfahren oder ein Elektronenstrahlschweißverfahren verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, – dass das Turbinengehäuse (1) vor dem Umbau eine alte Oberschale (5) und eine alte Unterschale (6) aufweist, die entlang einer Teilungsebene (7) aneinander anliegen und über eine Flanschverbindung (8) lösbar aneinander befestigt sind, – dass die alte Oberschale (5) ein Gussteil ist, das integral eine obere Hälfte (9) des Flansches (2) und eine obere Hälfte (10) des übrigen Gehäuseabschnitts aufweist, – dass die alte Unterschale (6) ein Gussteil ist, das integral eine untere Hälfte (11) des Flansches (2) und eine den Heißgaseinlass (4) aufweisende untere Hälfte (12) des übrigen Gehäuseabschnitts aufweist, – dass das Turbinengehäuse (1') nach dem Umbau eine neue Oberschale (5') und eine neue Unterschale (6') aufweist, die entlang der Teilungsebene (3) aneinander anliegen und über die Flanschverbindung (8) lösbar aneinander befestigt sind, – dass die neue Oberschale (5') die obere Flanschhälfte (9) und die untere Gehäuseabschnittshälfte (12) aufweist, – dass die neue Unterschale (6') die untere Flanschhälfte (11) und die obere Gehäuseabschnittshälfte (10) aufweist.
Turbinengehäuse einer Turbine, das im Einbauzustand einen obenliegenden Heißgaseinlass (4) aufweist und das durch Umbau, insbesondere nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, aus einem Turbinengehäuse (1) mit untenliegendem Heißgaseinlass (4) hervorgeht.
Verwendung eines Wasserstrahlschneidverfahrens zum axialen Trennen eines Turbinengehäuses (1) einer Turbine in einen ersten Axialabschnitt (13), der einen axialen Flansch (2) des Turbinengehäuses (1) aufweist, und einen zweiten Axialabschnitt (14), der einen radialen Heißgaseinlass (4) des Turbinengehäuses (1) aufweist.
Verwendung eines Laserschweißverfahrens oder eines Elektronenstrahlschweißverfahrens zum Verbinden eines ersten Axialabschnitts (13) eines Turbinengehäuses (1), der einen axialen Flansch (2) aufweist, mit einem zweiten Axialabschnitt (14) des Turbinengehäuses (1), der einen radialen Heißgaseinlass (4) aufweist.