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Die Erfindung betrifft ein Bauteil einer Turbine.
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Dampf- und Gasturbinen werden in Kraftwerken zur Erzeugung von elektrischem Strom eingesetzt. In solchen Turbinen wird eine mit Turbinenschaufeln besetzte Welle in eine Drehbewegung versetzt, welche mit einem Generator verbunden ist. Ein in dem Generator angeordneter Rotor wird hierbei zur Erzeugung von elektrischem Strom zur Einspeisung in das Stromnetz über diese Welle angetrieben.
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Gasturbinen kommen insbesondere in Gaskraftwerken zum Einsatz und zeichnen sich durch kurze Anlaufzeiten aus. Gaskraftwerke sind im Vergleich zu anderen thermisch betriebenen Elektrizitätskraftwerken günstig zu bauen, im Betrieb jedoch kostenintensiv. Sie eignen sich daher besonders gut zur Abdeckung von kurzzeitig auftretenden Spitzenlasten im Stromnetz oder zur kurzfristigen Kompensation beim Ausfall von Kraftwerkskapazitäten. Somit kommt es insbesondere bei Gasturbinen in Gaskraftwerken zu einem häufigen Anschalten und Abschalten.
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Insbesondere bei der Inbetriebnahme sowie dem Abschalten einer Turbine erfolgt eine unregelmäßige und schnelle Erhitzung von Bauteilen der Turbine, die mit Ausdehnungsprozessen und mechanischen Spannungen einher geht. Diese mechanischen Spannungen können zu Materialermüdung, Verformungen, Unwuchten bei beweglichen Teilen sowie Defekten führen, welche kostenintensive und aufwändige Reparaturen oder Wartungsarbeiten erforderlich machen.
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Zur Vermeidung von ungewollter Materialermüdung und Defekten werden Bauteile mit entlastenden Strukturmerkmalen genutzt. Hierbei ist die Nutzung von einem so genannten Girlandenflansch (scallopping flange) sowie anderen Bauteilen mit Rundungen, Nuten oder Schlitzen bekannt. Diese Bauteile sind jedoch aufwändig und teuer zu produzieren. Ferner werden bei solchen Bauteilen mit Entlastungen häufig zusätzliche Bauteile wie Dichtbleche benötigt, um eine ausreichende und zuverlässige Dichtwirkung zu gewährleisten.
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Aus der
DE 12 59 142 ist ein Ringflansch eines rohrförmigen Innen- oder Außengehäuses einer Turbine bekannt, der an einer Stirnwand des anderen dieser beiden Gehäuse anliegt. Der Ringflansch ist hierbei durch Längsschlitze segmentiert, welche den Flansch von seinem Innen- bzw. Außenumfang bis in die Nähe des Gehäuses durchsetzen. Die Längsschlitze sind dabei mit einem nachgiebigen Absperrelement versehen. Diese als V-förmige Blechteile ausgestalteten Absperrelemente sind in einen jeweiligen Längsschlitz eingepasst und entlang von Längsschlitzkanten mit einem Ringflanschsegment verlötet. Durch die Segmentierung des Ringflansches mit Längsschlitzen werden durch eine Erwärmung entstehende axiale, wellenförmige Ausschläge des Ringflansches verkleinert oder beseitigt.
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Die Produktion eines solchen Ringflansches ist jedoch aufwändig und kostenintensiv.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein besonders sicheres und günstiges sowie einfach zu produzierendes Bauteil einer Turbine anzugeben, welches insbesondere mechanischen Spannungen in Folge von Erhitzung standhält oder diese kompensiert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Demnach ist ein Bauteil einer Turbine vorgesehen mit einer Randseite und wenigstens einer Flachseite, wobei im Wesentlichen senkrecht zur Randseite eine Rissführungsbohrung mit einer Innenwand zur Bildung einer Sollbruchstelle zwischen der Innenwand und der wenigstens einen Flachseite vorgesehen ist, und wobei im Wesentlichen senkrecht zur Rissführungsbohrung eine Rissabschlussbohrung vorgesehen ist. Ein derartiges Bauteil kann durch zwei Bohrungen an einem herkömmlichen Bauteil einfach und kostengünstig produziert werden.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass sich zur Entlastung von hoch beanspruchten Bauteilen einer Turbine ein natürlicher Vorgang, nämlich die Rissbildung, ausnutzen lässt. Eine Sollbruchstelle zum Starten eines Risses kann durch eine erste Bohrung, eine Rissführungsbohrung, mit kritischem Querschnitt erzeugt werden. Bei ringförmigen Bauteilen kann diese Bohrung beispielsweise radial zur Bauteilmitte verlaufen. Der kritische Querschnitt ist dann gegeben, wenn sich bei entsprechend hoher Belastung Risse zwischen der Rissführungsbohrung und den benachbarten Seiten des Bauteils ergeben, wodurch eine Entlastung des Bauteils realisiert wird. Eine derartige, zielgerichtete Rissbildung sollte aber auch gestoppt werden, um eine Zerstörung des Bauteils zu verhindern.
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Wie nunmehr erkannt wurde, lässt sich durch eine zusätzliche, im Wesentlichen senkrecht zur ersten Bohrung verlaufende zweite Bohrung, eine Rissabschlussbohrung, der Riss in seiner Länge begrenzen. Auf diese Weise kann eine definierte Risslänge sichergestellt werden und das Material des Bauteils kann nicht weiter einreißen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Bauteils verläuft die Rissabschlussbohrung an dem der Randseite abgewandten Ende der Rissführungsbohrung. Der Riss kann sich somit im Wesentlichen entlang der vollen Länge der Rissführungsbohrung ausbreiten.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Bauteils ist ein Dichtungselement in die Rissführungsbohrung eingesetzt und ein Durchmesser der Rissführungsbohrung größer als ein Durchmesser der Rissabschlussbohrung. Durch einen im Vergleich zur Rissabschlussbohrung größeren Durchmesser der Rissführungsbohrung überragt das in die Rissführungsbohrung eingesetzte Dichtungselement – beispielsweise ein zylinderförmiger Metallstift – eine lichte Weite der Rissabschlussbohrung und verhindert somit einen Gas- oder Flüssigkeitsstrom durch die Rissabschlussbohrung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bauteil als ringförmiger Flansch mit einer Flanschmitte und einer umfangsseitig verlaufenden Randseite ausgebildet, wobei die Rissführungsbohrung radial von der Randseite in Richtung der Flanschmitte verläuft. Vorteilhafterweise umfasst ein derartiger Flansch eine Mehrzahl von Rissführungsbohrungen und zugeordneten Rissabschlussbohrungen, welche vorzugsweise umfangsseitig in regelmäßigen Abständen angeordnet sind. Auf diese Weise sind Entlastungen nicht nur an einer Stelle sondern im gesamten Bauteil realisiert.
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Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass sich eine Entlastung eines Bauteils durch zielgerichtete Rissbildung durch zwei Bohrungen realisieren lässt. Entsprechende Bauteile sind demnach einfach herzustellen. Die Gewährleistung der Dichtheit kann auf einfache Weise durch das Einfügen eines Dichtungselementes erzielt werden, so dass zusätzliche Dichtbleche nicht verwendet werden müssen.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in perspektivischer Ansicht ein Innengehäuse einer Gasturbine mit einem Ringflansch und darin eingearbeiteter Rissführungsbohrung und Rissabschlussbohrung,
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2 in Schnittdarstellung den Ringflansch entlang der Schnittlinie I-I gemäß 1,
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3, 4 in Schnittdarstellung den Ringflansch entlang der Schnittlinie II-II bzw. der Schnittlinie III-III gemäß 2,
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5 einen Ausschnitt des Ringflansches mit einem Entlastungsriss zwischen der Rissabschlussbohrung und einer Randseite entlang einer Sollbruchstelle, und
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6 eine alternative Ausgestaltung des Ringflansches mit einer Anzahl von Schrauböffnungen.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt einen Ausschnitt eines aus einer hitzebeständigen Legierung gefertigten Turbineninnengehäuses 1 einer Gasturbine im Bereich einer Brennkammer. An einer Außenwand 3 des Turbineninnengehäuses 1 ist ein als Ringflansch 4 ausgeformtes Bauteil zum Einpassen in eine hier nicht näher dargestellte Nut einer Innenwand eines Turbinenaußengehäuses angeformt. Der Ringflansch 4 umfasst zwei Flachseiten 5 und eine Randseite 6. Eine Anzahl von Rissführungsbohrungen 7 verläuft radial durch den Ringflansch 4 von der Umfangsseite 6 in Richtung des Turbineninnengehäuses 1. Dabei ist jeder Rissführungsbohrung 7 eine Rissabschlussbohrung 9 zugeordnet, welche in die Rissführungsbohrung 7 mündet und diese durchdringt. Bei einer Inbetriebnahme der Gasturbine wird die Brennkammer befeuert, wobei ein rapider Temperaturanstieg des Turbineninnengehäuses 1 und des Ringflansches 4 erfolgt. Die Erwärmung des Ringflansches 4 erfolgt hierbei hauptsächlich durch Wärmeleitung, so dass ein dem Turbineninnengehäuse 1 zugewandter Teil des Ringflansches 4 eine Temperatur von mehreren hundert Grad Celsius aufweist während ein dem Turbinenaußengehäuse zugewandter Abschnitt des Ringflansches 4 eine niedrigere Temperatur aufweist.
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Die 2 zeigt einen Ausschnitt des Ringflansches 4 entlang der Schnittlinie I-I gemäß 1. mit der Rissführungsbohrung 7. Die Rissabschlussbohrung 9 durchdringt die Rissführungsbohrung 7 mittig im innengehäuseseitigen Bereich der Rissführungsbohrung 7. Die Rissabschlussbohrung 9 verläuft hierbei im rechten Winkel zu der Flachseite 5 des Ringflansches 4 und der Rissführungsbohrung 7. Hierbei ist der Durchmesser d der Risshaltebohrung 9 um einen Faktor zwei kleiner als der Durchmesser D der Rissführungsbohrung 7. Ein umfangseitiger Scheitelpunkt 10 der Rissabschlussbohrung 7 bildet dabei eine Einmündung für eine nachfolgend näher dargestellte Sollbruchstelle.
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Die 3 bzw. 4 zeigen einen Schnitt durch den Ringflansch 4 entlang der Schnittlinie II-II bzw. der Schnittlinie III-III. Das Dichtungselement 13, nachfolgend auch als Dichtungsstift bezeichnet, ist dabei in die Rissführungsbohrung 7 eingesteckt und schließt bündig mit einer durch die Rissführungsbohrung 7 gebildeten Innenwand 15 ab. Zwischen der Innenwand 15 und den Flachseiten 5 ist eine ein Millimeter starke dünnwandige Sollbruchstelle 17 gebildet. Diese Sollbruchstelle 17 kann unter mechanischen Spannungen, wie sie bei einer ungleichmäßigen Erhitzung während dem Anfahren oder Abfahren der Turbine entstehen, reißen. Die 4 zeigt die Rissführungsbohrung 7 im Bereich der Rissabschlussbohrung 9, in welche die hier nicht sichtbare Sollbruchstelle 17 gemäß 3 mündet.
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Der Dichtungsstift 13 ist aus einer hitzebeständigen Legierung gefertigt und überragt die Rissabschlussbohrung 9 in ihrem kompletten Umfang. Somit bewirkt der Dichtungsstift 13 eine hermetische Trennung zwischen den Flachseiten 5 des Ringflansches 4 und vermeidet somit einen Gas- oder Flüssigkeitsstrom durch die Rissabschlussbohrung 9 oder durch einen Entlastungsriss an der Sollbruchstelle 17. Der Dichtungsstift 13 ist durch eine hier nicht näher dargestellte Schweißverbindung an der Randseite 6 mit dem Ringflansch 4 verbunden um ein Lösen des Dichtungsstiftes 13 durch Vibration oder einwirkende Kräfte zu vermeiden.
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Die 5 zeigt einen Ausschnitt des Ringflansches 4 mit einem Entlastungsriss 18. Der Entlastungsriss 18 verläuft radial durch den Ringflansch 4 entlang der, durch die hier nicht sichtbare Rissführungsbohrung 7 gebildeten, Sollbruchstelle 17 gemäß 3. Der Entlastungsriss 18 erstreckt sich zwischen dem Scheitelpunkt 10 der Rissabschlussbohrung 9 und der Randseite 6. Durch die Rissabschlussbohrung 9 ist der Dichtungsstift 13 sichtbar, welcher die Flachseiten 5 entlang des klaffenden Entlastungsrisses 18 sowie der Rissabschlussbohrung 9 voneinander dichtend trennt. Durch die Sollbruchstelle 17 und die Rissabschlussbohrung 9 ist ein Verlauf bzw. die maximale Länge des Entlastungsrisses 18 vorgegeben.
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Durch die sich in Richtung des Turbineninnengehäuses 1 sich leicht verjüngende Rissführungsbohrung 7 bildet sich der Entlastungsriss 18 im Bereich der Randseite 6 und wandert mit zunehmender Belastung oder Alterung in Richtung der Rissabschlussbohrung 9. Die Länge des Entlastungsrisses 18 ist somit auch ein Indikator für die auf den Ringflansch 4 wirkende Spannung oder Materialermüdung. Durch diesen kontrolliert gebildeten Entlastungsriss werden Spannungen auf andere Teile der Turbine und des Ringflansches vermieden oder minimiert und ein besonders sicherer und zuverlässiger Turbinenbetrieb gewährleistet.
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Die 6 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Ringflansches 4 zur Halterung einer Rohrleitung mit einer Anzahl von Schrauböffnungen 19. Die Schrauböffnungen 19 durchsetzen den Ringflansch 4 in einem rechten Winkel zur Flachseite 5. Hierbei sind die Schrauböffnungen 19 kreisförmig entlang der Randseite 6 in einem Abstand B von der Randseite 6 des Ringflansches in Richtung einer Flanschmitte 21 angeordnet. Dazu Versetzt und äquidistant zu den daneben gelegenen Schrauböffnungen 19 sind in einem Abstand b zur Umfangsseite 6 die Rissabschlussbohrungen 9 in den Flansch eingearbeitet. Diese Rissabschlussbohrung 9 bildet das der Flanschmitte 21 zugewandte Ende der gestrichelt dargestellten Sollbruchstelle 17. Die Sollbruchstelle 17 verläuft dabei entlang der nicht näher dargestellten Rissführungsbohrung welche von der Umfangsseite 6 in Richtung der Flanschmitte 21 verläuft.
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Die Rissführungsbohrung durchdringt dabei die Rissabschlussbohrung 9 in vollem Umfang und endet 5 Millimeter hinter der Rissabschlussbohrung 9 in Richtung der Flanschmitte 21. In dieser Ausgestaltung des Ringflansches 4 wird eine besonders sichere und zuverlässige Verbindung, insbesondere Verschraubung von Flanschen möglich. Durch die Ausgestaltung des Ringflansches mit der Sollbruchstelle 17 bzw. Sollrissstelle wird einer problematischen Rissbildung im Bereich der Schrauböffnung 19 vorgebeugt und ein eventuelles Lösen oder Herausbrechen eines Ringflanschsegmentes zwischen der Schrauböffnung 19 und der Randseite 6 vermieden. Ferner kann eine Analyse eines Risses entlang der Sollbruchstelle 17 Aufschluss auf strukturelle Überlastungen am Flansch und Materialermüdung geben wodurch eine Wartung oder ein Austausch des Ringflansches 4 vor einem Defekt vereinfacht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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