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TECHNISCHES GEBIET
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Der
hierin offenbarte Erfindungsgegenstand betrifft im Wesentlichen
Turbinen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Gasturbinenkonfiguration
mit einer verbesserten Befestigungsanordnung zwischen den inneren
und äußeren Gehäusen, welche eine wärmebedingte
Ausdehnung und Zusammenziehung des inneren Gehäuses in
Bezug auf das äußere Gehäuse sowohl in
radialen als auch in Umfangsrichtungen ermöglicht.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In
dem früheren
U.S. Patent
Nr. 5 685 693 des gemeinsamen Zessionars mit diesem ist
eine Industriegasturbine mit inneren und äußeren
Gehäusen dargestellt. Das innere Gehäuse hat ein
Paar axial in Abstand angeordneter Umfangsanordnungen von radial
nach außen vorstehenden Stiften, die in reduzierten Teilabschnitten
mit Abflachungen auf ihren gegenüberliegenden Umfangsseiten
enden. Im Allgemeinen stehen zylindrische Hülsen nach innen und
um Zugangsöffnungen in dem äußeren Gehäuse herum
vor und haben sich in Umfangsrichtungen erstreckende Gewindeschraubenlöcher.
Schrauben erstrecken sich durch die Löcher, um mit den
Abflachungen auf den Seiten der Stifte in Eingriff zu stehen. Durch
Einstellen der Schrauben ist das innere Gehäuse von außerhalb
des äußeren Gehäuses aus einstellbar,
um das innere Gehäuse um die Rotorachse herum anzuordnen.
Während des Turbinenbetriebs können sich die inneren
Gehäuse ausdehnen und ihre Rundheit und Konzentrizität
in Bezug auf das äußere Gehäuse verlieren,
wenn die Gehäuse auf thermische und physikalische Belastungen
reagieren. Da der Turbinenwirkungsgrad durch die Rundheit und Konzentrizität
des inneren Gehäuses in Bezug auf das äußere
Gehäuse beeinträchtigt wird, ermöglichte
dieses eine neue Einstellung der Gehäuse ohne Zerlegung
der Turbine. Die Rundheit und Konzentrizität bestimmen
den Spalt zwischen den (an dem Rotor befestigten) Turbinenschaufeln und
den an dem Turbinengehäuse befestigten Schaufeldeckbändern,
welcher wiederum die Gasmenge bestimmt, die an den Schaufeln vorbei
strömt. Da keine Arbeit aus diesem Nebenstromgas von den Schaufeln
entzogen wird, ist die Gasturbinenleistung umgekehrt proportional
zu diesem Abstandsspalt.
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Dieses
Problem wurde weiter in dem
U.S. Patent
Nr. 6 457, 936 , welches hiermit durch Bezugnahme in seiner
Gesamtheit beinhaltet ist, durch eine verbesserte Montageanordnung
zwischen den inneren und äußeren Gehäusen
unter Verwendung von Lagerungsstiften angegangen, welche nur in
der Umfangs- oder Tangentialrichtung vorgespannt sind. Die in Umfangsrichtung
in Abstand angeordneten Lagerungsstifte werden durch Zugangsöffnungen
in dem äußeren Gehäuse hindurch angeordnet
und haben in Aussparungen des inneren Gehäuses aufgenommene
Vorsprünge, um mit den zwei Gehäusen in einer Weise
in Eingriff zu stehen, die das innere Gehäuse gegenüber
einer radialen und Umfangsbewegung in Bezug auf das äußere
Gehäuse abstützt und eine thermische Ausdehnung
und Zusammenziehung des inneren Gehäuses in Bezug auf das äußere
Gehäuse in radialen und axialen Richtungen ermöglicht.
Durch Steuern der thermischen Ausdehnung und Zusammenziehung des
inneren Turbinengehäuses wird der Abstandsspalt zwischen
den Schaufelspitzen und den Deckbändern während
des Betriebs der Gasturbine gesteuert, was zu einem verbesserten
Wirkungsgrad führt.
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Neuere
Simulationen von Lagerungsstiften zeigen jedoch, dass die Konzentrizität
und Rundheit des inneren Turbinengehäuses dadurch beeinflusst wird,
mit welchem Spalt die Stifte zu Beginn während des Zusammenbaus
angeordnet werden. Insbesondere muss für ein durch mehrere
Lagerungsstifte unterstütztes Innenturbinengehäuse
ein Minimum von wenigstens zwei Stiften, die Schwerkraftbelastung aufnehmen,
wenn sich der Rotor im Stillstand befindet. Wenn die Maschine startet,
wirken die Lagerungsstifte dem angelegten Drehmoment entgegen, das
von den durch das innere Gehäuse getragenen Leitapparaten
erzeugt wird. Die zwei schwerkraftmäßig belasteten
Stifte werden gleichzeitig Schwerkraft und entgegenwirkenden Drehmomentbelastungen ausgesetzt,
was zu einem Verlust von Rundheit und Konzentrizität führt,
wenn sich die Gehäuse unterschiedlich während
des Turbinenbetriebs ausdehnen. Ferner wird einer von den Stiften
einer Schwerkraftbelastung in der entgegengesetzten Richtung wie
die entgegenwirkende Drehmomentbelastung ausgesetzt. Wenn die Turbine
läuft, drücken dieser Stift und der nächste
benachbarte Stift das Segment des inneren Gehäuses zwischen
diesen gegeneinander. Demzufolge wird, wenn sich das Segment des inneren
Gehäuses während des Betriebs ausdehnt, dieses
Segment zwischen den zwei Stiften eingequetscht, was eine Exzentrizität
und Unrundheit des gesamten inneren Turbinengehäuses bewirkt.
Eine Möglichkeit, diese Probleme anzugehen, besteht in der
Lockerung der Anfangsspalte der Lagerungsstifte, wobei aber derartige
Konfigurationen den Turbinenwirkungsgrad verringern.
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Simulationen
zeigen auch, dass das Oberflächenprofil der Kontaktlinie
zwischen dem Stift und dem inneren Gehäuse die Konzentrizität
und Rundheit des inneren Gehäuses während des
Turbinenbetriebs beeinträchtigt. Demzufolge verbleibt ein
Bedarf für eine fortschrittlichere Konfigurationsanordnung zwischen
den inneren und äußeren Gehäusen in einer
modernen Gasturbinenkonstruktion.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Um
das Schwerkraftstiftunterstützungsdilemma zu mindern, stellen
von der vorliegenden Offenbarung umfasste Ausführungsformen
eine Turbine mit einem äußeren Gehäuse,
einem inneren Gehäuse, das mit dem äußeren
Gehäuse verbunden und davon im Wesentlichen in konzentrischer
Beziehung dazu umgeben ist, wenigstens einen in dem inneren Gehäuse
untergebrachten Turbinenrotor, mehrere von dem inneren Gehäuse
getragene Leitapparate und Deckbänder, mehrere Verbindungselemente,
die mit den inneren und äußeren Gehäusen
in Eingriff stehen und zur Ausrichtung des inneren Gehäuses
um den Rotor dienen, und wenigstens eine nachgebende Unterstützung
bereit. In einer speziellen Ausführungsform haben die Verbindungselemente
in Umfangsrichtung zeigende gekrümmte Seiten, die mit dem
inneren Gehäuse entlang Linienkontakten in Eingriff stehen,
deren ebeneren Flächen radial zu der Rotormittellinie gerichtet
sind.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Offenbarung umfassen auch eine Turbine mit einem äußeren
Strukturgehäuse, einem inneren Gehäuse, das mit
dem äußeren Strukturgehäuse in einer
im Wesentlichen konzentrischen Beziehung dazu verbunden und davon
umgeben ist, wobei das innere Gehäuse mehrere in Umfangsrichtung
darum in Abstand angeordnete Aussparungen hat, mehrere von dem inneren
Gehäuse getragene Leitapparate und Deckbänder,
einen in dem inneren Gehäuse untergebrachten Turbinenrotor,
wobei das innere Gehäuse zwei radial nach außen
vorstehende Vorsprünge in entgegengesetzten Richtungen
entlang einer horizontalen Teilungslinie des Rotors haben, mehrere Stifte,
die zwischen den inneren und äußeren Gehäusen
in Eingriff stehen, um das innere Gehäuse um den Rotor
herum auszurichten, wobei jeder Stift mit jeder Aussparung mit einem
ersten Umfangsrichtungsspielraum in der Richtung der aufgebrachten Drehmomentbelastung,
die durch die Leitapparate erzeugt wird, und einem ersten Umfangsrichtungsspielraum
in der Richtung der entgegenwirkenden Drehmomentbelastung in Eingriff
steht, um eine unterschiedliche Zunahme und Zusammenziehung des inneren
Gehäuses in Bezug auf das äußere Gehäuse zu
ermöglichen, wobei das äußere Gehäuse
ferner zwei Träger aufweist, um Abschnitte der zwei radialen
Auswärtsvorsprünge aufzunehmen, um eine horizontale
Unterstützung für die Turbinenanordnung des inneren
Gehäuses während des Zusammenbaus der Turbine
bereitzustellen, wobei jeder radiale Auswärtsvorsprung
mit jedem Träger mit einem zweiten Umfangsspielraum in
der Richtung der aufgebrachten Drehmomentbelastung, die durch die
Leitapparate erzeugt wird, und einen zweiten Umfangsspielraum in
der Richtung der entgegenwirkenden Drehmomentbelastung in Eingriff
steht, um eine unterschiedliche Zunahme und Zusammenziehung des
inneren Gehäuses in Bezug auf das äußere
Gehäuse zu ermöglichen; und eine an einem von
den Trägern befestigte Feder, um den zweiten Umfangsspielraum in
der Richtung der aufgebrachten Drehmomentbelastung dieses Trägers
größer als etwa 0 mils (1 mil = 25,4 μm)
zu halten.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Offenbarung umfassen auch ein Verfahren zum Konfigurieren
einer Turbine mit verbessertem Wirkungsgrad. Das Verfahren beinhaltet
das Bereitstellen eines äußeren Gehäuses
mit wenigstens zwei Trägern, eines inneren Gehäuses
mit mehreren in Umfangsrichtung darum herum in Abstand angeordneten
Aussparungen, wobei das innere Gehäuse mit dem äußeren Gehäuse
verbunden und im Wesentlichen konzentrischer Beziehung dazu durch
mehrere Verbindungselemente umgeben ist, mehrerer von dem inneren
Gehäuse getragener Leitapparate und Deckbänder,
eines in dem inneren Gehäuse untergebrachten Rotors, wobei
jede Aussparung mit jedem Verbindungselement in Eingriff steht,
um einen ersten Umfangsspielraum in der Richtung der aufgebrachten
Drehmomentbelastung, die durch die Leitapparate erzeugt wird, und
einen ersten Umfangsspiel raum in der Richtung der entgegenwirkenden
Drehmomentbelastung aufrecht zu erhalten, um eine unterschiedliche
Zunahme und Zusammenziehung des inneren Gehäuses in Bezug
auf das äußere Gehäuse in einer Umfangsrichtung
des Rotors zu ermöglichen, um eine unterschiedliche Zunahme
und Zusammenziehung des inneren Gehäuses in Bezug auf das äußere Gehäuse
zu ermöglichen, ein in Eingriff bringen der mehreren Aussparungen
mit mehreren Stiften, wobei jede Aussparung einen Abschnitt jedes
Stiftes mit einen ersten Umfangsspielraum in der Richtung der aufgebrachten
Drehmomentbelastung, die durch die Leitapparate erzeugt wird, und
einem zweitem Umfangsspielraum in der Richtung der entgegenwirkenden
Drehmomentbelastung aufnimmt, in Eingriff bringen der zwei Träger
des äußeren Gehäuses mit zwei radialen
Auswärtsvorsprüngen des inneren Gehäuses,
die in entgegengesetzte Richtung entlang einer horizontalen Teilungslinie
des Rotors vorstehen, während des Zusammenbaus der Turbine,
wobei jeder Träger einen Teil jedes radialen Auswärtsvorsprungs
mit einen zweiten Umfangsspielraum in der Richtung der aufgebrachten
Drehmomentbelastung, die durch die Leitapparate erzeugt wird, und
einem zweiten Umfangsspielraum in der Richtung der entgegenwirkenden
Drehmomentbelastung aufnimmt, und Anordnen einer nachgebenden Unterstützung
an einem von den Trägern, um den zweiten Umfangsspielraum
in der Richtung der aufgebrachten Drehmomentbelastung größer
als etwa 0 mils zu halten.
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden aus der
nachstehenden detaillierten Beschreibung und den Ansprüchen
ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Teilquerschnittsansicht eines Teilbereichs einer eine radiale
Stiftgeometrie enthaltenden Turbine.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht eines inneren Gehäuses, bei
dem die Leitapparate zur Verdeutlichung nicht dargestellt sind.
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3 ist
eine schematische axiale Endenansicht, welche die Verbindung zwischen
den inneren und äußeren Gehäusen mit
Stiften, die mit Aussparungen in Eingriff stehen und Trägern,
die mit Vorsprüngen in Eingriff stehen, veranschaulicht.
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht des Querschnittes A-A'
von 3.
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5A ist
eine vergrößerte Ansicht des Querschnittes A-A'
von 3, die die in entgegengesetzter Richtung auf die
Verbindungselemente und Träger wirkenden Kräfte
darstellt.
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5B ist
eine vergrößerte Ansicht des Querschnittes A-A'
von 3, die die in gleicher Richtung auf die Verbindungselemente
und Träger wirkenden Kräfte darstellt.
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6 ist
eine schematische axiale Endenansicht, welche die Verbindung zwischen
den inneren und äußeren Gehäusen nur
mit in Aussparungen in Eingriff stehenden Stiften darstellt.
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7 ist
eine Teilansicht eines Lagerungsstiftes.
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8 und 9 sind
Draufsichten auf den Kontakt zwischen dem Stift und der Aussparung
des inneren Gehäuses.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Wie
vorstehend zusammengefasst, umfassen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung eine Turbine mit einem verbesserten Turbinenwirkungsgrad
und ein Konfigurationsverfahren zum Verbessern des Turbinenwirkungsgrades
durch die Reduzierung des Rundheits- und Konzentrizitätsverlustes
des inneren Gehäuses in Bezug auf das äußere Gehäuse,
wenn sich die Turbine in Betrieb befindet.
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In
speziellen Ausführungsformen weist die Turbine ein äußeres
Gehäuse, ein mit dem äußeren Gehäuse
verbundenes und davon umgebenes inneres Gehäuse in im Allgemeinen
konzentrischer Beziehung dazu, wenigstens einen in dem inneren Gehäuse
untergebrachten Turbinenrotor, mehrere von dem inneren Gehäuse
getragene Leitapparate und Deckbänder, mehrere Verbindungselemente,
die einen Eingriff zwischen den inneren und äußeren
Gehäusen unter Ausrichtung des inneren Gehäuses
um den Rotor und wenigstens eine nachgebende Unterstützung
auf.
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Unterstützungskonfigurationen
des inneren Turbinengehäuses
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Eine
spezielle Ausführungsform eines Turbinenbereiches ist in 1 dargestellt.
Die Turbine 10 hat ein äußeres Gehäuse 11 und
ein von dem äußeren Gehäuse 11 unterstütztes
inneres Gehäuse 12. Das innere Gehäuse 12 trägt
eine Anordnung von Leitapparaten 13 und Deckbändern 14.
Das innere Gehäuse 12 umgibt einen insgesamt mit 15 bezeichneten
Rotor, der um die Rotorachse 16 drehbar ist. Mehrere Verbindungselemente
befestigen das innere Gehäuse 12 an dem äußeren
Gehäuse 11 entlang radialen Ebenen senkrecht zur
Achse des Rotors, welche sich in der radialen Richtung 110 und
an (nicht dargestellten) axialen Stellen in der axialen Richtung 120 befinden.
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Gemäß einer
in 2 dargestellten Ausführungsform weist
das innere Gehäuse 12 in Umfangsrichtung in Abstand
angeordnete Aussparungen 20 zum Aufnehmen von Verbindungselementen
auf. In einer in 3 dargestellten speziellen Ausführungsform umfassen
die Verbindungselemente Lagerungsstifte 31, die durch Zugangsöffnungen 32 des äußeren
Gehäuses 11 hindurchtreten, und welche durch die
Aussparungen 20 des inneren Gehäuses 12 aufgenommen
werden. Mehrere Umfangsspielräume 33 und 34 in
der Umfangsrichtung 130 sind zwischen den Lagerungsstiften 31 und
den Aussparungen 20 des inneren Gehäuses 12 vorgesehen.
In speziellen Ausführungsformen kann die Turbine ferner
einen Spielraum in der axialen Richtung 120 des Rotors
in den Aussparungen 20 des inneren Gehäuses 12 zwischen
dem Verbindungselement 31 und dem inneren Turbinengehäuse
aufweisen. Derartige axiale Spielräume ermöglichen
eine unterschiedliche Zunahme des inneren Gehäuses in Bezug
auf das äußere Gehäuse 11.
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Der
Fachmann auf diesem Gebiet dürfte erkennen, dass die Turbine
jede geeignete Anzahl von Verbindungselementen aufweisen kann. Theoretisch wäre
eine unbegrenzte Anzahl von Verbindungselementen am wünschenswertesten;
jedoch wird der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen, dass eine unbegrenzte
Anzahl von Verbindungselementen nicht durchführbar ist,
und dass die maximale Anzahl von Verbindungselementen daher von
Herstellungs- und Kostenüberlegungen abhängt.
Beispielsweise kann die Turbine in speziellen Ausführungsformen eine
beliebige Anzahl von Verbindungselementen von 2 bis 36 bevorzugter
4 bis 16 und noch bevorzugter 6 bis 10 aufweisen. Beispielsweise
weisen in einer in 4 dargestellten speziellen Ausführungsform die
Verbindungselemente 8 radial in Abstand um das innere Gehäuse 12 angeordnete
Lagerungsstifte 31 auf.
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Das
innere Gehäuse 12 kann ferner wenigstens zwei
radiale Auswärtsvorsprünge 35 und 36 aufweisen,
die in entgegengesetzten Richtungen aus dem inneren Gehäuse
vorstehen. In speziellen Ausführungsformen weisen die wenigstens
zwei radialen Auswärtsvorsprünge 35 und 36 Stifte 31 wie
die hierin vorstehend beschriebenen auf. In einer speziellen Ausführungsform
sind die radialen Auswärtsvorsprünge 35 und 36 entlang
der horizontalen Teilungslinie 37 angeordnet, um eine horizontale
Unterstützung für das innere Gehäuse 12 während
des Turbinenzusammenbaus bereitzustellen. Das äußere
Gehäuse 11 kann ferner wenigstens zwei Unterstützungsträger 38 und 39 zum
Aufnehmen der Vorsprünge 35 bzw. 36 aufweisen.
Das äußere Gehäuse 11 kann ferner
wenigstens zwei Unterstützungsträger 38 und 39 zur
Aufnahme der Vorsprünge 35 bzw. 36 aufweisen.
In einer in 4 dargestellten speziellen Ausführungsform
stehen die Träger 38 und 39 mit den Vorsprüngen 35 und 36 in
Eingriff und stellen dadurch eine horizontale Unterstützung
für das innere Gehäuse 12 während
des Turbinenzusammenbaus bereit, während sie auch gleichzeitig
einen gewünschten Umfangsspielraum 40 und 41 zwischen den
Vorsprüngen 35 und 36 und dem Träger 36 und 39 aufrecht
erhalten.
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Der
Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass, wenn die Turbine
eingeschaltet ist, die Leitapparate eine aufgebrachte Drehmomentbelastung
auf den Rotor sowie die inneren und äußeren Gehäuse
erzeugt. Unabhängig von jeder Theorie glaubt man, dass
die Lagerungsstifte der Drehmomentbelastung entgegenwirken, um einen
Verlust an Rundheit und Konzentrizität des inneren Gehäuses in
Bezug auf das äußere Gehäuse zu verringern.
Beispielsweise würde gemäß Bezugnahme
auf 4, wenn das von den Leitapparaten aufgebrachte
Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn verläuft (gestrichelter
Pfeil), die entgegengesetzt wirkende Drehmomentbelastung auf die
Lagerungsstifte im Uhrzeigersinn (weiße Blockpfeile) verläuft.
Die Umfangsspielräume 33 und 40 sind
Spalte ”in der Richtung der entgegenwirkenden Drehmomentbelastung”,
da die Spielräume verkleinert werden, wenn die entgegenwirkende
Drehmomentbelastung das innere Gehäuse gegen die Stifte
drückt. In einer Ausführungsform sind der eine
oder die mehreren Umfangsspielräume in der Richtung der
entgegenwirkenden Drehmomentbelastung auf etwa 0 μm (0
mils) und etwa 508 μm (20 mils) während des Turbinenzusammenbaus, zwischen
etwa 127 μm (5 mils) und 254 μm (15 mils) oder
zwischen etwa 127 μm (5 mils) und 381 μm (10 mils)
konfiguriert. In einer weiteren Ausführungsform sind der
eine oder die mehreren Umfangsspielräume in der Richtung
der entgegenwirkenden Drehmomentbelastung zwischen etwa 0 μm
(0 mils) und etwa 152 μm (6 mils) während des
Zusammenbaus konfiguriert. In noch einer weiteren Ausführungsform
können der eine oder die mehreren Umfangsspielräume in
der Richtung der entgegenwirkenden Drehmomentbelastung auf etwa
0 μm (0 mils) während des Zusammenbaus konfiguriert
sein.
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Unter
Verwendung desselben Beispiels, in welchem das von den Leitapparaten
angelegte Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn liegt, sind die Umfangsspielräume 34 und 41 Spalte ”in
der Richtung der aufgebrachten Drehmomentbelastung”, da
die Spielräume verkleinert werden, wenn die aufgebrachte
Drehmomentbelastung das innere Gehäuse gegen die Stifte
drückt. In einer Ausführungsform sind der eine
oder die mehreren Umfangsspielräume in der Richtung der
aufgebrachten Drehmomentbelastung zwischen etwa 127 μm
(5 mils) und etwa 508 μm (20 mils) während des
Turbinenzusammenbaus konfiguriert. In einer weiteren Ausführungsform
sind der eine oder die mehreren Umfangsspielräume in der
Richtung der Drehmomentbelastung zwischen etwa 203 μm (8
mils) und 381 μm (15 mils) konfiguriert. In noch einer
weiteren Ausführungsform sind der eine oder die mehreren
Umfangsspielräume in der Richtung der entgegenwirkenden
Drehmomentbelastung auf etwa 330 μm (13 mils) während
des Zusammenbaus konfiguriert.
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Im
Wesentlichen sollte die Summe der Umfangsspielräume 33 und 34 oder 40 und 41 (der
Gesamtumfangsspielraum) nicht größer als die größte Wärmeausdehnung
der Verbindungselemente 31 und der Aussparungen 20 sein,
um zu verhindern, dass sich die se Komponenten während des
Maschinenbetriebs verbinden. Somit hängt der Bereich für diese
Umfangsspielräume von der Abmessung der speziellen Maschine,
der speziellen Aussparung und dem speziellen Verbindungselement
ab, welche eingesetzt werden.
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In
den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind die
zwei radialen Auswärtsvorsprünge 35 und 36 und
deren entsprechenden Unterstützungsträger 38 und 39 in
der Lage, der Trägheitsbelastung des inneren Gehäuses 12 während
des Turbinenzusammenbaus zu widerstehen (3). Um die
Konfiguration der Umfangsspielräume 40 und 41 sicherzustellen,
können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
eine nachgebende Unterstützung 51 aufweisen, die
in dem Umfangsspielraum 41 zwischen dem radialen Auswärtsvorsprung 35 und dem
Unterstützungsträger 39 (5A)
angeordnet ist, sodass sie sowohl den Trägheitsals auch
entgegenwirkenden Drehmomentbelastungen in entgegengesetzten Richtungen
ausgesetzt ist. Unabhängig von jeder Theorie glaubt man,
dass eine derartige Konfiguration der Trägheitsbelastung
des inneren Gehäuses entgegenwirkt, dem inneren Gehäuse eine
Wärmeausdehnung und Zusammenziehung sowohl in radialer
als auch in Umfangsrichtung ermöglicht und die Konzentrizität
um die Rotorachse aufrecht erhält. Diese nachgebende Unterstützung übt eine
ausreichende Kraft aus, die erforderlich ist, um den Trägheitskräften
während des Zusammenbaus entgegenzuwirken, und dadurch
den Umfangspielraum 40 auf nahezu 0 μm (0 mils)
zu schließen. Jedoch sollte die durch die nachgebende Unterstützung aufgebrachte
Kraft nicht ausreichend sein, um den Auswärtsvorsprung 35 an
den Unterstützungsträger 39 aufgrund
des kombinierten Effektes des Unterstützungskraft und der
Reibung zwischen den Oberflächen zu binden.
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Beispielsweise
wirkt gemäß 5A das
von den Leitapparaten angelegte Drehmoment (unterbrochener Pfeil)
im Gegenuhr zeigersinn und die entgegengesetzte Drehmomentbelastung
auf die Stifte (weißer Blockpfeil) im Uhrzeigersinn. Die
Trägheitsbelastung auf den Träger 39 drückt
nach oben (schwarzer Blockpfeil). In einer speziellen Ausführungsform
ist die nachgebende Lagerung 51 an dem Träger 39 befestigt
und Schwerkraft- und entgegenwirkenden Drehmomentbelastungen in
entgegengesetzten Richtungen ausgesetzt, um dadurch den Umfangspielraum 41 in
der Richtung der aufgebrachten Drehmomentbelastung dieses Trägers
größer als etwa 0 μm (0 mils) während
der Drehmomentanlegung und des Betriebs zu halten. Die Zustände
des gegenüberliegenden radial äußeren
Vorsprungs 36 und des Unterstützungsträgers 38 mit
Umfangsspielräumen 42 und 43 sind in 55 dargestellt. In dieser speziellen Ausführungsform
wirkt das angelegte Drehmoment von den Leitapparaten (unterbrochener Pfeil)
in Gegenuhrzeigersinnrichtung, die entgegenwirkende Drehmomentbelastung
auf die Stifte (weißer Blockpfeil) im Uhrzeigersinn, und
die Trägheitsbelastung auf den Träger 38 drückt
nach oben (schwarzer Blockpfeil). Da die Trägheitsbelastung und
die entgegenwirkende Drehmomentbelastungen miteinander übereinstimmen,
ist keine nachgebende Unterstützung erforderlich, um die
Umfangsspielräume 42 und 43 aufrecht
zu erhalten. In einer speziellen Ausführungsform wird der
Umfangsspielraum in der Richtung der aufgebrachten Drehmomentbelastung zwischen
etwa 0 μm (0 mils) und etwa 381 μm (15 mils) aufrecht
erhalten, oder in einer weiteren Ausführungsform zwischen
etwa 127 μm (5 mils) und etwa 254 μm (10 mils)
während des Turbinenzusammenbaus und des Betriebs. In noch
einer weiteren speziellen Ausführungsform wird der Umfangsspielraum
auf etwa 330 μm (13 mils) während des Turbinenzusammenbaus
und Betriebs gehalten. Der Fachmann auf diesem Gebiet dürfte
jedoch erkennen, dass geeignete Bereiche für den Umfangsspielraum
im Wesentlichen von der eingesetzten spezifischen Maschinengröße
abhängen.
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In
einer in 6 dargestellten alternativen Ausführungsform
werden zwei zusätzliche Stifte 61 und 62 und
entsprechende Aussparungen 63 und 64 anstelle
der Vorsprünge 35 und 36 und der Unterstützungsträger 38 und 39 verwendet.
Die Anzahl und Position der Stifte und Aussparungen kann so angepasst
werden, sodass sie in jeder geeigneten Weise in Umfangsrichtung
um das innere Gehäuse in Abstand angeordnet sind. Eine
nachgebende Unterstützung 65 kann auch der Aussparung
hinzugefügt werden, welche Schwerkraft- und entgegenwirkenden Drehmomentbelastungen
in entgegengesetzten Richtungen ausgesetzt ist, um die Umfangsspielräume
während des Turbinenzusammenbaus und Betriebs in den vorstehend
beschriebenen Bereichen zu halten. In dieser Ausführungsform
werden die Umfangsspielräume 33 in der Richtung
der entgegenwirkenden Drehmomentbelastung während des Zusammenbaus
geschlossen (d. h., bei etwa 0 μm (0 mils) gehalten) und
haben die Tendenz, während des Betriebs aufgrund des entgegenwirkenden
Leitapparatdrehmomenteffektes geschlossen zu bleiben, da die Umfangsspielräume 34 in
der Richtung der aufgebrachten Drehmomentbelastung größer
als etwa 0 μm (0 mils) sind. In speziellen Ausführungsformen sind
die Umfangsspielräume 33 während des
Zusammenbaus und Betriebs geschlossen, da die Umfangsspielräume 34 zwischen
etwa 127 μm (5 mils) und etwa 381 μm (15 mils)
liegen.
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In
alternativen Ausführungsformen kann das Verbindungselement,
welches den Schwerkraft- und entgegenwirkenden Drehmomentbelastungen
in entgegengesetzten Richtungen ausgesetzt ist, während des
Turbinenbetriebs durch einen externen Mechanismus neu positioniert
werden.
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Gemäß speziellen
Ausführungsformen weist die nachgebende Unterstützung
eine Feder, einen Balgen, eine Sprengscheibe oder einen Wellenring oder
irgendeine andere geeignete Vorspannungsvorrichtung, wie z. B. eine
Kraftverschiebungsvorrichtung oder Konstantkraftvorrichtung (z.
B. einen pneumatischen Kolben) auf. Der Fachmann auf diesem Gebiet
dürfte erkennen, dass das Material für die nachgebende
Unterstützung von der Anwendung der Turbine abhängt,
und Faktoren berücksichtigen sollte, welche Betriebstemperatur,
Größe der angelegten Kräfte und zyklische
Belastung umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind.
Nicht einschränkende Beispiele von geeigneten Materialien
für die nachgebende Unterstützung enthalten eisenhaltige
Legierungen und nicht eisenhaltige Legierungen, einschließlich rostfreien
Stahl, Phosphorbronze und Berylliumkupfer.
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Kontaktoberflächenprofile
der Verbindungselemente
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Es
wurde ebenfalls bereits offenbart, dass das Kontaktoberflächenprofil
der Verbindungselemente mit dem inneren Gehäuse ebenfalls
die Konzentrizität der inneren und äußeren
Turbinengehäuse um die Rotorachse beeinflusst. In speziellen
Ausführungsformen weisen die in 7 dargestellten
Lagerungsstifte 31 einen vergrößerten
Kopf mit einem Schraubenlochkreis 71 mit mehreren Schraubenöffnungen 72,
einen im Wesentlichen zylindrischen Schaft 73 und einen
verlängerten Ansatz 74 auf dem radial innersten
Ende des Lagerungsstiftes auf. Jede von den entgegengesetzt in Umfangsrichtung
zeigenden Seiten 75 des Ansatzes 74 hat eine gekrümmte
Oberfläche. Die gekrümmte Oberfläche
jeder Seite 75 weist einen Abschnitt einer zylindrischen Oberfläche
um eine Achse auf, die sich im Wesentlichen parallel zu der Achse
des Rotors erstreckt.
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Gemäß einer
speziellen Ausführungsform tragen die gekrümmten
Oberflächen jeder Seite 75 der Lagerungsstifte 31 in
einem Linienkontakt entlang den Seiten der Aussparungen des inneren
Gehäuses in der Umfangsrichtung. Der Linienkontakt erstreckt
sich in einer axialen Richtung. In einer in 8 dargestellten
speziellen Ausführungsform liegt der Linienkontakt 82 ent lang
Oberflächen, deren ebeneren Flächen radial zu
der Rotormittellinie (z. B. den gekrümmten Oberflächen
jeder Seite 75 der Lagerungsstifte 31) ausgerichtet
sind. Wenn die Lagerungsstifte das innere Gehäuse 12 entlang
Oberflächen berühren, deren ebeneren Flächen
radial zu der Rotormittellinie ausgerichtet sind, kann der Widerstand,
wenn sich die äußeren 12 und inneren
Gehäuse 12 mit unterschiedlichen Raten ausdehnen,
für diese Relativbewegung nur die Reibungskraft aufgrund
der Kontaktkraft senkrecht zu dem Linienkontakt und dem Reibungskoeffizienten
sein. Wenn alle derartigen Konfigurationen des Stiftes und des inneren
Gehäuses dieselbe Konfiguration haben, bleibt das System
konzentrisch.
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Gemäß Darstellung
in 9 können, wenn das Kontaktoberflächenprofil 82 nicht
mit einer Linie, die radial zu dem Rotormittelpunkt 81 ausgerichtet ist,
komplanar ist, radiale Kraftkomponenten (zusätzlich zur
Reibung) erzeugt werden, welche den Ring exzentrisch machen, sobald
sich der Ring thermisch ausdehnt oder zusammenzieht. Während
sich das innere Gehäuse ausdehnt oder zusammenzieht, erfahren
die einzelnen Stift- und Gehäusekontakte Perioden ohne
Relativbewegung gefolgt von einer als Stick-Slip-Ereignis bezeichneten
plötzlichen Relativbewegung. Die nicht radialen Kraftkomponenten
beeinflussen nachteilig die Konzentrizität während
dieser Stick-Slip-Ereignisse. In alternativen Ausführungsform
können die Verbindungselemente nicht zylindrische Kontaktflächen
haben, die die vorstehend beschriebenen radialen Kraftkomponenten
reduzieren oder beseitigen; derartige Verbindungselemente liegen
jedoch außerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung.
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Man
wird erkennen, dass die Ausführungsformen der hierin bereitgestellten
Lagerungsstifte eine thermische Ausdehnung und Zusammenziehung des
inneren Gehäuses in Radial-, Umfangs- und Axial-Richtung
bei gleichzeitiger Erhaltung der Rundheit und Konzentrizität
um die Rotorachse ermöglichen. Wenn die Turbine startet,
kann das innere Gehäuse radial nach außen in Bezug
auf das äußere Gehäuse durch die Erwärmung
des inneren Gehäuses ausgedehnt werden. In ähnlicher
Weise kann anschließend das innere Gehäuse gekühlt
werden, um sich in Bezug auf den Turbinenrotor zusammenzuziehen,
um die Schaufel/Deckband-Spielräume nach Bedarf zu steuern.
Bei den vorgenannten Anordnungen der Stifte und deren Konfiguration
kann ein Stift oder ein Vorsprung gleichzeitig die Drehmomentbelastung
und die Schwerkraftbelastungen ohne Einquetschen des Segmentes des
inneren Gehäuses zwischen den Stiften oder Vorsprüngen
aufnehmen. Das Stiftoberflächenkontaktprofil hält
ebenfalls die Konzentrizität des inneren Gehäuses
in Bezug auf das äußere Gehäuse und die
Rotorachse aufrecht. Ferner wird, da die Aussparungen in axialer
Dimension größer als die axiale Dimension der
Ansätze sind und die Ansätze unmittelbar in den
Aussparungen angeordnet sind, eine unterschiedliche Zunahme des inneren
Gehäuses in einer axialen Richtung nicht durch die Lagerungsstifte
aufgenommen.
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Die
Erfindung wird ferner durch das nachstehende Beispiel veranschaulicht,
welches in keinem Falle als Einschränkungen auf deren Schutzumfang vorgebend
zu betrachten ist. Im Gegensatz dürfte es sich deutlich
verstehen, dass auf verschiedene weitere Ausführungsformen,
Modifikationen und Äquivalente davon Rückgriff
genommen werden kann, welche sich nach dem Lesen der Beschreibung
hierin von selbst dem Fachmann auf diesem Gebiet ohne Abweichung
von dem Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung und/oder Schutzumfang
der beigefügten Ansprüche aufdrängen.
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Eine
Turbine mit acht Stiften, die in Umfangsrichtung um das innere Gehäuse
verteilt sind, wobei zwei radiale Auswärtsvorsprünge
von zwei Trägern des äußeren Gehäuses
aufgenommen werden, wurde zuerst so konfiguriert, dass Spielräume
zwischen den Stiften und Aussparungen und alle Spielräume zwischen
Trägern und Vorsprüngen etwa 165 μm (6,5
mils) beim Zusammenbauen waren. Nach Durchführung eines
Experimentes mit Messung der Temperaturen und Kräfte als
eine Funktion der Zeit wurden die sich ergebenden Fourier-Koeffizienten aus
der thermisch/strukturellen Finite-Elemente-Analyse entnommen. Die
Turbine wurde dann so rekonfiguriert, dass die Spielräume
in der Richtung der entgegenwirkenden Drehmomentbelastung geschlossen
wurden und die Spielräume in der Richtung der aufgebrachten
Drehmomentbelastung etwa 330 μm (13 mils) bei dem Zusammenbau
waren. Dasselbe Experiment wurde durchgeführt und die sich
ergebenden Fourier-Koeffizienten entnommen. Ein Vergleich der Testergebnisse
zeigte eine 43-prozentige Verbesserung der Rundheit in der zweiten
Konfiguration im Vergleich zu der ersten Konfiguration.
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Es
dürfte sich verstehen, dass Vorstehendes eine spezielle
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft, und
dass zahlreiche Änderungen darin ohne Abweichung von dem
Schutzumfang gemäß Definition durch die nachstehenden
Ansprüche ausgeführt werden können.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Offenbarung betreffen eine Turbine 10,
welche ein äußeres Gehäuse 11,
ein inneres Gehäuse 12, das mit dem äußeren
Gehäuse 11 verbunden und von diesem in einer im
Wesentlichen konzentrischen Beziehung dazu umgeben ist, wenigstens
einen Turbinenrotor 15, der in dem inneren Gehäuse 12 untergebracht
ist, mehrere Leitapparate 13 und Deckbänder 14,
die von dem inneren Gehäuse 12 getragen werden,
mehrere Verbindungselemente 31, die mit den inneren 12 und äußeren 11 Gehäusen
in Eingriff stehen und das innere Gehäuse 12 um
den Rotor 15 herum ausrichten, und wenigstens eine nachgebende
Unterstützung 51 aufweist. Ausführungsformen
der vorliegenden, Offenbarung betreffen auch ein Verfahren zum Konfigurieren
der Befestigungsanordnung zwischen dem inneren Gehäuse 12 und
dem Äußeren Gehäuse 11 einer
Turbine 10.
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- 10
- Turbine
- 11
- Äußeres
Gehäuse
- 12
- Inneres
Gehäuse
- 13
- Leitapparate
- 14
- Deckbänder
- 15
- Rotor
- 16
- Rotorachse
- 20,
63, 64
- Aussparungen
- 31,
61, 62
- Lagerungsstifte
- 32
- Zugangsöffnungen
- 33,
34, 40, 41, 42, 43
- Spielräume
- 33
- Zweiter
Umfangsspielraum
- 34
- Erster
Umfangsspielraum
- 35,
36
- Auswärtsvorsprünge
- 37
- Horizontale
Teilungslinie
- 38,
39
- Unterstützungsträger
- 40
- Vierter
Umfangsspielraum
- 41
- Dritter
Umfangsspielraum
- 51,
65
- Nachgebende
Unterstützung
- 71
- Schraubenlochkreis
- 72
- Schraubenöffnungen
- 73
- Schaft
- 74
- Ansatz
- 75
- Seiten
- 81
- Rotormittelpunkt
- 82
- Linienkontakt
- 110
- Radiale
Richtung
- 120
- Axiale
Richtung
- 130
- Umfangsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5685693 [0002]
- - US 6457936 [0003]