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Die
Erfindung betrifft ein Turbinengehäuse, insbesondere einer Dampfturbine,
welches aus einem Turbinengehäuseunterteil
und einem Turbinengehäuseoberteil
besteht, die im montierten Zustand aneinander gefügt sind
und dabei an ihren Fügeflächen jeweils
eine Teilfuge ausbilden, wobei jedes Turbinengehäuseteil im Bereich der Teilfuge
einen Teilfugenflansch aufweist, über den die Turbinengehäuseteile
mittels Teilefugenschrauben miteinander verschraubt sind.
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Die
Außengehäuse von
Turbinengehäusen sind üblicherweise
zweiteilig ausgebildet und umfassen ein Turbinengehäuseunterteil
und ein Turbinengehäuseoberteil.
Die zweiteilige Ausführung
des Turbinengehäuses
erleichtert die Montage des Läufers. Das
Turbinengehäuseunterteil
und das Turbinengehäuseoberteil
sind im montierten Zustand über
Fügeflächen aneinander
gefügt.
Hierbei bilden das Turbinengehäuseunterteil
und das Turbinengehäuseoberteil
an ihren Fügeflächen jeweils
einen Teilefuge aus. Im Bereich der Teilfuge weisen die Turbinengehäuseteile
einen Teilfugenflansch auf, über
den die Turbinengehäuseteile
mittels Teilfugenschrauben miteinander verschraubt sind.
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Im
Bereich der Teilfugen treten im Betrieb der Turbine häufig Undichtigkeiten
auf, so dass im Falle einer Dampfturbine heißer Dampf durch die Teilfuge nach
außen
treten kann. Die Undichtigkeiten treten dabei insbesondere zwischen
benachbarten Kammern des Turbinengehäuses auf. Grund für die Undichtigkeit
sind insbesondere die hohen Temperaturdifferenzen zwischen den benachbarten
Kammern, sowie in Folge der Temperaturverteilung, innerhalb der
Turbinengehäuseteile.
Die Bauteiltemperaturverteilung wird dabei maßgeblich über die Fluidtemperatur, den
konvektiven Wärmeübergang
zwischen dem Fluid und dem Gehäuseteilen
sowie über
die Wärmestrahlung
beeinflusst. Die Wandstärke
der Gehäuseteile
ist aufgrund der Teilfugenflansche ungleichmäßig, wodurch sich eine ungleichmäßige Temperaturverteilung
und damit Spannungen im Bauteil ergeben, die zu Undichtigkeiten
im Teilfugenbereich führen.
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Die
Lösung
des Problems erfolgt bisher über Größe, Anordnung,
Materialauswahl und Vorspannung der Teilfugenschrauben bzw. durch Änderung der
thermodynamischen Parameter.
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Hiervon
ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gegenüber dem
Stand der Technik verbesserte und einfachere Abdichtung der Teilfugen
zu erreichen.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander
einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße Turbinengehäuse, umfassend
ein Turbinegehäuseunterteil
und ein Turbinengehäuseoberteil,
die im montierten Zustand aneinander gefügt sind und dabei an ihren
Fügeflächen jeweils
eine Teilfuge ausbilden, wobei jedes Turbinengehäuseteil im Bereich der Teilfuge
einen Teilfugenflansch aufweist, über den die Turbinengehäuseteile
mittels Teilfugenschrauben miteinander verschraubt sind, zeichnet
sich dadurch aus, dass an einer Innenwandung des Turbinengehäuses, im
Bereich des Teilfugenflansches, eine Wandverkleidung vorgesehen
ist, die so angeordnet und ausgebildet ist, dass sie den konvektiven
Wärmeübergang
und die Wärmestrahlung
im Bereich des Teilfugenflansches verringert. Die Verringerung des
konvektiven Wärmeübergangs
und der Wärmestrahlung
im Bereich des Teilfugenflansches führt zu einer Verringerung des
axialen Temperaturgradienten und ermöglicht auch bei hohen Temperaturdifferenzen
zwischen benachbarten Kammern eine sichere Abdichtung des Turbinengehäuses im
bereich der Teilfugen. Die Wandverkleidung ist dabei eine einfache
und wirkungsvolle Maßnahme.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Wandverkleidung
im Wesentlichen aus einem metallischen Material besteht. Das metallische
Material ist kostengünstig,
lässt sich einfach
herstellen und ist einfach an der Innenwandung des Turbinengehäuses zu
befestigen. Im Bedarfsfall kann eine beschädigte Wandverkleidung einfach
ersetzt werden, da metallische Materialien leicht zu beschaffen
und vor Ort zu bearbeiten sind.
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Eine
besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
die Wandverkleidung mittels einer wärmeelastischen Befestigung
an der Innenwandung des Turbinengehäuses befestigt ist. Die wärmeelastische
Befestigung der Wandverkleidung sorgt dafür, dass es zu keinen Spannungen
in der Wandverkleidung aufgrund von Temperaturgradienten kommen
kann, die möglicherweise
zu einer Beschädigung
der Wandverkleidung führen
könnten, bzw.
die die Befestigung an der Innenwand zerstören bzw. beschädigen könnten.
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Eine
besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die wärmeelastische
Befestigung mittels Verschraubung erfolgt. Die Verschraubung lässt sich
sehr einfach ausbilden und sorgt für eine dauerhafte und sichere
Befestigung der Wandverkleidung an der Innenwandung des Turbinengehäuses bzw. des
Turbinengehäuseteils.
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Besonders
bevorzugt erfolgt die Verschraubung durch wenigstens eine Distanzschraube.
Die Distanzschraube sorgt dafür,
dass die Wandverkleidung nicht unmittelbar am Turbinengehäuseteil
anliegt. Hierdurch wird ein Spalt zwischen der Wandverkleidung und
dem Turbinengehäuse
erzielt, der für eine
verbesserte Abschirmung gegenüber
konvektiven Wärmeübergang
und Wärmestrahlung
sorgt.
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Eine
weiter bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die
jeweilige Wandverkleidung sich über
einen Umfangswinkel α von
30° bis 60°, gemessen
von der jeweiligen Teilfuge, erstreckt. Eine solchermaßen ausgebildete
Wandverkleidung sorgt für
einen ausreichenden Schutz der Teilfuge bei gleichzeitig geringem
Materialeinsatz. Eine Wandverkleidung mit einem größeren Umfangswinkel
ist zwar möglich,
würde jedoch
zu einer nur unwesentlichen Verbesserung beitragen. Bei einem kleineren
Umfangswinkel der Wandverkleidung würde der Schutz im Bereich der
Teilfuge nur unzureichend sein, so dass Undichtigkeiten im Bereich
der Teilfuge nicht wirkungsvoll und sicher ausgeschlossen werden
können.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sich
die Wandverkleidung in axialer Richtung über eine bis drei Teilungen
der Teilfugenschrauben erstreckt. Hierdurch wird eine ausreichende
Abdeckung der Teilfuge sichergestellt, und der Materialbedarf auf
das notwendige Minimum gesenkt. Eine größere Wandverkleidung würde zu keiner
Verbesserung der Abdichtung im Teilfugenbereich beitragen. Eine
Verringerung der axialen Erstreckung der Wandverkleidung würde dagegen
dazu führen,
dass eine sichere Abdichtung der Teilfuge nicht gewährleistet
werden kann.
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Dem
erfindungsgemäßen Turbinengehäuse liegt
der Gedanke zugrunde, dass durch eine einfache Wandverkleidung im
Bereich der Teilfuge der konvektive Wärmeübergang und die Wärmestrahlung
vom Fluid auf die Turbinengehäusewandung wirkungsvoll
reduziert werden kann, wodurch Undichtigkeiten im Bereich der Teilfugen
auf einfache und kostengünstige
Weise verhindert werden können.
Eine solche Wandverkleidung kann insbesondere für Dampfturbinengehäuse verwendet
werden, wo häufig
Dichtigkeitsprobleme im Bereich der Teilfuge auftreten und diese
mit großem
Aufwand reduziert werden müssen.
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Ausführungsbeispiele
und weitere Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen
erläutert.
Es zeigt schematisch:
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1 einen
dreidimensionalen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Turbinengehäuse;
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2 einen
Radialschnitt durch das erfindungsgemäße Turbinengehäuse.
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Bei
den Figuren handelt es sich jeweils um stark vereinfachte Darstellungen,
bei denen nur die wesentlichen, zur Beschreibung der Erfindung notwendigen,
Bauteile gezeigt sind. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind
figurübergreifend
mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
einen dreidimensionalen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Turbinengehäuse. Das
Turbinengehäuse 1 umfasst
ein Turbinegehäuseunterteil 2 und
ein Turbinengehäuseoberteil 3.
Die beiden Turbinengehäuseteile 2, 3 sind
im montierten Zustand aneinander gefügt. Dabei bilden sich an den Fügeflächen jeweils
Teilfugen 4 aus. Damit kein Fluid von der Innenseite des
Turbinengehäuses 1 nach
außen
strömen
kann, müssen
die Teilfugen 4 möglichst dicht
abschließen.
Hierzu wird das Turbinengehäuseunterteil 2 und
das Turbinengehäuseoberteil 3 fest miteinander
verschraubt. Um eine gute Verschraubung der beiden Turbinengehäuse 2 und 3 zu
ermöglichen,
weisen beide Turbinengehäuseteile
jeweils Teilfugenflansche 5, 6 auf. In den Teilfugenflanschen 5, 6 sind
Teilfugenschrauben 11 (in 1 nicht
erkennbar) angeordnet. Durch das Verschrauben der beiden Turbinengehäuseteile 2, 3 wird
das Turbinengehäuse 1 abgedichtet.
An der Innenseite des Außengehäuses sind
an verschiedenen Stellen Stege 12 zur Aufnahme der Leitschaufelträger vorgesehen. Durch
die Leitschaufel werden unterschiedliche Kammern 13, 14 innerhalb
des Turbinengehäuses 1 ausgebildet.
Zwischen den einzelnen Kammern 13, 14 bestehen
hohe Temperaturdifferenzen. Durch die hohen Temperaturdifferenzen
zwischen benachbarten Kammern 13, 14 kommt es
zu einer unterschiedlichen Bauteiltemperatur bzw. zu einer Bauteiltemperaturverteilung
welche zu unterschiedlichen Ausdehnungen der Bauteile führen, wodurch
Undichtigkeiten im bereich der Teilfuge 4 entstehen. Die
Bauteiltemperaturverteilung wird maßgeblich durch die Fluidtemperatur,
den konvektiven Wärmeübergang
zwischen dem Fluid und den Bauteilen und durch die Wärmestrahlung
beeinflusst. Um Undichtigkeiten aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungen
der Bauteile zu verhindern, ist eine Minimierung des axialen Temperaturgradienten
im Teilfugenflanschbereich notwendig. Die Minimierung des axialen
Temperaturgradienten im Teilfugenflanschbereich wird durch eine
Wandverkleidung 8 erreicht. Die Wandverkleidung 8 ist
so angeordnet und ausgebildet, dass sie den konvektiven Wärmeübergang
und die Wärmestrahlung
im Bereich des Teilfugenflansches 5, 6 erheblich
verringert. Hierdurch wird die unterschiedliche Ausdehnung der Bauteile
reduziert und eine sichere Abdichtung im Bereich des Teilfugenflansches 4 erreicht.
Die Ausbildung der Wandverkleidung 8 ist in 2 im
Detail dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.
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2 zeigt
einen Radialschnitt durch das Turbinengehäuse 1, wie es bereits
in 1 näher
beschrieben ist. Um den axialen Temperaturgradienten im Teilfugenflanschbereich
zu minimieren, ist eine Wandverkleidung 8 an der Innenwandung 7 des
Turbinengehäuses 1,
im Bereich des Teilfugenflansches 5, 6 vorgesehen.
Die Wandverkleidung 8 besteht im Wesentlichen aus einem
metallischen Material. Selbstverständlich können auch andere hitzeresistente
Materialien verwendet werden. Die Wandverkleidung 8 ist
mittels einer wärmeelastischen
Befestigung 9 an der Innenwand 7 der Turbinengehäuseteile 2, 3 befestigt.
Die wärmeelastische
Befestigung 9 sorgt dafür,
dass es bei einer Ausdehnung infolge von Wärmedehnung nicht zu einer Beschädigung der Wandverkleidung 8 kommt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die Wandverkleidung 8 zweiteilig ausgebildet, wobei
jeweils eine Wandverkleidung 8 zur Abschirmung eines Teilfugenflansches 5, 6 vorgesehen
ist.
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Die
Erfindung umfasst jedoch auch einteilige Wandverkleidungen, die
sich über
beide Teilfugenflansche 5, 6 erstrecken. Die zweiteilige
Ausführung hat
im Gegensatz zur einteiligen Ausführung lediglich den Vorteil
der einfacheren Montage und Demontage vom Turbinengehäuseoberteil 2 und
Turbinengehäuseunterteil 3.
Die wärmeelastische
Befestigung 9 erfolgt mittels Verschraubung 10.
Die Verschraubung 10 erfolgt dabei an einem Ende der Wandverkleidung 8.
Das andere Ende der Wandverkleidung 8 kann unmittelbar
mit dem entsprechenden Gehäuseteil
verschweißt
werden. Die Verschraubung 10 erfolgt dabei mittels wenigstens
einer Distanzschraube 11. Durch die Verwendung einer Distanzschraube 11 wird
ein gewisser Abstand zwischen der Wandverkleidung 8 und
der Innenwandung 7 des Turbinengehäuses 1 erzielt. Durch
den Zwischenraum zwischen der Wandverkleidung 8 und der
Innenwandung 7 des Turbinengehäuses 1 wird der Wärmeübergang
von der Wandverkleidung 8 auf den Teilfugenflansch 5, 6 deutlich
reduziert. Ein Wärmeübergang
kann somit nur über
die Distanzschraube 11 und den Schweißpunkt erfolgen. Die Wärmestrahlung
von der Wandverkleidung auf den Teilfugenflansch 5, 6 ist
deutlich geringer als die Wärmestrahlung
ohne Wandverkleidung.
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Durch
die Wandverkleidung 8 wird somit sowohl der konvektive
Wärmeübergang
als auch die Wärmestrahlung
im Bereich des Teilfugenflansches deutlich verringert, wodurch es
zu einer Minimierung des axialen Temperaturgradienten im Teilfugeflanschbereich
kommt und eine sichere Abdichtung der Teilfugen 4 kommt.
Die jeweilige Wandverkleidung 8 erstreckt sich bei einer
zweiteiligen Ausbildung vorzugsweise über einen Umfangswinkel α von etwa
30° bis
60°, gemessen
von der jeweiligen Teilfuge 4. Bei geringeren Umfangswinkel α der Wandverkleidung
nimmt die Wärmeabschirmung
ab, wodurch eine sichere Abdichtung der Teilfugen 4 nicht
gewährleistet
werden kann. Größere Umfangswinkel α von über 60° bringen
keinen nennenswerten Vorteil, bezogen auf die Abschirmung. In axialer
Richtung sollte die Wandverkleidung 8 sich über eine
etwa eine bis drei Teilungen der Teilfugenschrauben erstrecken,
um eine sichere Abschirmung und damit Abdichtung der Teilfugen 4 zu
gewährleisten.
Die Wandverkleidung 8 ist axial zwischen jeweils 2 Kammern des
Turbinengehäuses 1 angeordnet.
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Durch
das erfindungsgemäße Turbinengehäuse 1 mit
einer an der Innenwandung 7 des Turbinengehäuses 1 angeordneten
Wandverkleidung 8 kann somit auf besonders einfache und
kostengünstige
Weise eine Minimierung des axialen Temperaturgradienten im Teilfugenflanschbereich
durch eine innere Wärmeabschirmung erreicht
werden. Hierdurch wird die Dichtigkeit der Teilfugen 4 erheblich
gesteigert und die Betriebssicherheit verbessert. Das Turbinengehäuse 1 mit
der Wandverkleidung 8 lässt
sich besonders effektiv für
Dampfturbinen einsetzen. Grundsätzlich
ist sie aber für
jegliche Art von Turbinengehäusen
geeignet. Eine Nachrüstung
bereits vorhandener Turbinengehäuse
ist möglich.
