DE102011052076A1

DE102011052076A1 - Verstärktes Turbomaschinen-Aussengehäuse aus Beton

Info

Publication number: DE102011052076A1
Application number: DE102011052076A
Authority: DE
Inventors: Dwight Davison; Herbert ROBERTS
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-08-02
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2012-02-02
Also published as: JP2012031854A; CN102418570A; CH703585A2; US20120027581A1

Abstract

Ein Turbomaschinenaußengehäuse (112) enthält ein Paar von Außengehäuseabschnitten (122, 124), wovon jedes mit Befestigungsflanschen (125, 126 und 128, 130) zum Befestigen des Paares der Außengehäuseabschnitte um eine Innenrotorstruktur (114) herum versehen ist, wobei das Paar der Außengehäuseabschnitte aus einem Zementverbundstoffmaterial aufgebaut ist. Die Außengehäuseabschnitte können mit einer relativ dünnen Metalllegierung ausgekleidet sein.

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ortsfeste Turbomaschinen und insbesondere ein Außenstrukturgehäuse, das die während des Triebwerkbetriebs über die Turbine übertragenen Axial- und Torsionslasten aufnimmt.
Herkömmliche Turbinenaußengehäuse sind aus großen Metall-Sandgussteilen ausgebildet, die Innengehäusestrukturen befestigen, um im Falle einer Gasturbine, die Komponenten des Heißgaspfades abzustützen. Metallaußengehäuse haben jedoch thermische Strukturprobleme, die die Rotorausrichtung und Blattspitzenabstände in dem Heißgaspfad beeinflussen. Es gab bereits einige Versuche, die Probleme in Verbindung mit Metallaußengehäusen zu lösen, indem Mehrfach-Gehäuse zum Isolieren der thermischen und axialen Strukturbelastung verwendet wurden.
Es wäre wünschenswert, eine weniger komplexe Gehäusestruktur zu entwickeln, um thermische Eigenschaften von dem Außengehäuse einer Turbomaschine wie z. B. einer Gasturbine wegzunehmen oder zu trennen und dadurch den Einfluss des Außengehäuses auf die internen Heißgaspfadkomponenten zu verringern.
Kurzzusammenfassung der Erfindung
Gemäß einer exemplarischen, jedoch nicht einschränkenden Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Turbomaschinenaußengehäuse mit einem Paar von Außengehäuseabschnitten bereit, wovon jeder mit Befestigungsflanschen zum Befestigen des Paares der Außengehäuseabschnitte um eine Innenrotorstruktur herum versehen ist, wobei das Paar der Außengehäuseabschnitte aus einem Zementverbundstoffmaterial aufgebaut ist.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Turbomaschinenaußengehäuse bereit, das ein Paar im Wesentlichen halbzylindrischer Außengehäuseabschnitte aufweist, wobei jeder mit Befestigungsflanschen entlang seinen gegenüberliegenden freien Enden zum Befestigen des Paares im Wesentlichen halbzylindrischer Außengehäuseabschnitte um eine Innenrotorstruktur herum versehen ist, wobei das Paar der im Wesentlichen halbzylindrischen Außengehäuseabschnitte aus einem relativ dicken Zementverbundstoffmaterial aufgebaut ist, das mit einem relativ dünnen Metallmaterial ausgekleidet ist.
In noch einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Außengehäuseabschnittes für eine Turbine bereit, das die Schritte aufweist: Erzeugen einer geteilten Form mit Verstärkungsstangen und darin enthaltenen Befestigungselementen; Gießen von ungehärtetem Beton in die geteilte Form, um ein Paar verstärkter Betongehäuseabschnitte mit Befestigungsflanschen zu erzeugen, die dafür angepasst sind, die Befestigung des Paares der Gehäuseabschnitte um eine Innenrotorstruktur herum zu ermöglichen; Aushärten des Betons; und Entfernen der geteilten Form.
Die Erfindung wird nun in Verbindung mit den nachstehend angegebenen Zeichnungen beschrieben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Teildarstellung einer Turbine mit einem monolithischen Metallaußengehäuse und dessen Beziehung zu dem Innenrotorsystem;
2 ist eine schematische Endansicht oder ein Querschnitt eines geteilten Metallgehäuses einer Turbine des in 1 dargestellten Typs;
3 ist eine schematische Darstellung ähnlich der von 1, stellt aber eine Verbundstoffbeton-Außengehäusewand mit Verstärkungsstäben und lokalen Schaufelblattverbindungspunkten gemäß einer ersten exemplarischen, aber nicht einschränkenden Ausführungsform der Erfindung darstellt;
4 ist ein schematischer und/oder End-Querschnitt ähnlich dem von 2, der aber das in 3 dargestellte geteilte Turbinenverbundstoffgehäuse veranschaulicht; und
5 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Gemäß den 1 und 2 enthält ein ortfester Turbinenabschnitt 10 ein Außengehäuse 12, das ein Innenrotorsystem 14 einschließt. In der exemplarischen Ausführungsform ist die Turbomaschine eine Gasturbine, wobei aber die Erfindung nicht auf Gasturbinen beschränkt ist. Das Innenrotorsystem enthält mehrere Stufen, wovon jede, wie der Fachmann weiß, ein Turbinenrad enthält, das eine ringförmige Reihe von Laufschaufeln oder Schaufeln enthält. Drei Stufen sind schematisch bei 16, 18 und 20 in 1 dargestellt.
Das ringförmige Außengehäuse oder Gehäuse 12 besteht aus einer oberen im Wesentlichen halbzylindrischen Gehäusehälfte 12 und einer unteren im Wesentlichen halbzylindrischen Gehäusehälfte 24, wie es am besten in 2 zu sehen ist. Die oberen und unteren Gehäusehälften sind an ausgerichteten horizontalen Flanschpaaren 25, 26 und 28, 30, die sich in Längsrichtung entlang dem Außengehäuse 12 erstrecken, mittels geeigneter Schrauben oder anderer (nicht dargestellter) äquivalenter Befestigungselemente befestigt, die sich durch axial in Abstand angeordnete Löcher in den entsprechenden Flanschpaaren erstrecken.
Der Innenbereich des Außengehäuses 12 ist mit Befestigungspunkten oder Beschlagelementen 32, 34 und 36 versehen, welche entsprechende stationäre Stator- oder Leitschaufelzwischenböden 32, 40 und 42 unterstützen, welche sich radial zwischen den entsprechenden Stufen 16, 18 und 20 erstrecken. Die Turbinenbrennkammer(n) verlassende Verbrennungsgase strömen gemäß Darstellung durch den Strömungspfeil A entlang dem Rotor 14 durch die mehreren Stufen 16, 18, 20 in einem im Allgemeinen als ”Heißgaspfad” bezeichneten Pfad.
Wie vorstehend angegeben, besteht das Außengehäuse oder der Mantel 12 typischerweise aus einem gegossenen Metall, wie z. B. einer Stahllegierung, was zu Wärmegradientenproblemen führt, die die Rotorausrichtung und Blattspitzenabstände beeinflussen.
In den 3 und 4 ist eine ortsfeste Turbine 110 gemäß einer exemplarischen, jedoch nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch in einer ähnlichen Weise wie das in den 1 und 2 dargestellte Außengehäuse dargestellt. Die Turbine 110 enthält ein Außengehäuse 112, das ein Innenrotorsystem 114 umschließt. Das Innenrotorsystem 114 enthält ebenfalls mehrere bei 116, 118 und 120 dargestellte Stufen, wovon jede ein eine ringförmige Reihe von Laufschaufeln oder Schaufeln befestigendes Turbinenrad enthält.
Wie bei der früheren bekannten Gehäusekonstruktion besteht das Außengehäuse oder das ringförmige Gehäuse 112 aus einer oberen im Wesentlichen halbzylindrischen Gehäusehälfte oder Abschnitt 122 und einer unteren im Wesentlichen halbzylindrischen Gehäusehälfte oder Abschnitt 124 (4), die an horizontalen Flanschpaaren 125, 126 und 128, 130 befestigt sind, die sich axial entlang dem Verlauf des Außengehäuses 112 erstrecken, mittels geeigneter Schrauben oder anderer äquivalenter Befestigungselemente befestigt, die sich durch die entsprechenden Flanschpaare erstrecken.
Der Innenbereich des Außengehäuses 112 ist mit Befestigungspunkten oder Beschlagelementen 132, 134 und 136 versehen, welche entsprechende stationäre Stator- oder Leitschaufelzwischenböden 138, 140 und 142 unterstützen, welche sich radial zwischen den entsprechenden Stufen 116, 118 und 120 entlang dem Heißgaspfad erstrecken.
In der exemplarischen, jedoch nicht einschränkenden Ausführungsform besteht das Außengehäuse 112 aus einem keramischen Zementverbundstoff, z. B. Beton mit einem Innengitter aus Metall oder Verbundstoffverstärkungsstangen 144. Die Platzierung oder Anordnung von Verstärkungsstangen (oder ”Rundstählen”) 144 erfolgt gemäß der üblichen Betonverstärkungspraxis nach dem Stand der Technik. Zusätzlich kann die genaue chemische Zusammensetzung des Betons mit den individuellen Anwendungen unter Berücksichtigung der speziellen Wärmegradienten des Systems variieren.
Die lokalen Metallleitschaufel-Verbindungspunkte oder Beschlagelemente 132, 134 und 136 können in der Betonstruktur eingebettet sein, und können eine herkömmliche Auslegung in Bezug auf die Art haben, in welchem der Stator oder die Leitschaufelzwischenböden 138, 140 und 142 an derartigen Beschlagelementen befestigt werden.
In einem bevorzugten Aufbau ist eine dünne Metallauskleidung in der Form von geteilten Auskleidungshälften 146, 148 auf der Innenseite der oberen und unteren Gehäusehälften 122, 124 vorgesehen. Die geteilte Metallauskleidung entspricht im Wesentlichen den Innenoberflächen der oberen und unteren Gehäusehälften und dient als ein Druckbehälter, welcher eine Verbrennungsgasleckage aus dem Gehäuse in dem Falle verhindert, dass sich Haarrisse (oder größere) in dem Betonaußengehäuse ausbilden. Die Metallauskleidung, bevorzugt eine Chromstahllegierung, dient auch zur Verstärkung der Verbindungspunkte für die Statorkomponenten. Weitere geeignete Auskleidungsmaterialien umfassen auf Glas basierende Verbundstoffe und Hochtemperaturkunststoffe oder andere Hochtemperaturmetalle.
In der Beispielausführungsform kann die InnenMetallauskleidung von etwa 0,635 bis 2,54 cm (1/4 bis 1 Inch) dick sein, während das Betonaußengehäuse zwischen etwa 25,2 bis 20,3 cm (6 bis 8 Inch dick sein kann, wobei sich jedoch versteht, dass diese Abmessungen variieren können.
Gemäß der exemplarischen Ausführungsform wird das verstärkte Betongehäuse im Gusszustand um die Innenmetallauskleidung herum erzeugt, und nur die lokalen Verbindungspunkte 132, 134 und 136 erfordern eine anschließende Bearbeitung. Die verstärkte Betonstruktur ist gegenüber thermischer Belastung während des Gasturbinenbetriebs beständig und nimmt die Axial- und Torsionsbelastung der Gasturbine während des Betriebs auf.
Die Herstellung des Außengehäuses ähnelt in etwa ähnlich dem eines Rohrabschnittes aus verstärktem Beton dahingehend, dass die Verstärkungsstangen, Metallbefestigungselemente gemäß Darstellung in den 3 und 4 in einer geteilten Form angeordnet und fixiert werden können. Der Flüssigkeitsbasierende Zement wird dann eingegossen und gehärtet, worauf dann die geteilten Formhälften entfernt werden (siehe 5).
Die geteilte Form mit geteilten Auskleidungshälften ermöglicht den Aufbau des betonverstärkten Gehäuses in einer geteilten Konfiguration dergestalt, dass das Gehäuse um eine bestehende Gasturbinenrotoranordnung herum gebaut und mit der vorstehend beschriebenen geteilten Flanschanordnung verbunden werden kann. Metallflanschkomponenten 150 können an der Form vor dem Gießen und Härten des Betons befestigt werden, sodass die Flanschkomponenten 150 wenigstens teilweise in dem Beton eingebettet sind, der sich entlang Außenoberflächen der Flanschpaare 125, 126 und 128, 130 erstreckt und robustere Befestigungspunkte für die Schrauben oder andere zum Befestigen der Gehäusehälften verwendete Befestigungselemente bereitstellt.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was derzeit als die praktikabelste und bevorzugteste Ausführungsform betrachtet wird, dürfte es sich verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offengelegten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen, die in den Erfindungsgedanken und Schutzumfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind, abdecken soll.
Ein Turbomaschinenaußengehäuse 112 enthält ein Paar von Außengehäuseabschnitten 122, 124, wovon jedes mit Befestigungsflanschen 125, 126 und 128, 130 zum Befestigen des Paares der Außengehäuseabschnitte um eine Innenrotorstruktur 114 herum versehen ist, wobei das Paar der Außengehäuseabschnitte aus einem Zementverbundstoffmaterial aufgebaut ist. Die Außengehäuseabschnitte können mit einer relativ dünnen Metalllegierung ausgekleidet sein.
Bezugszeichenliste

10: Turbinenabschnitt
12: Außengehäuse
14: Innenrotorsystem
16, 18, 20, 116, 118, 120: Stufen
22, 24, 122, 124: Gehäusehälfte oder Abschnitt
25, 26, 28, 30, 125, 126, 128, 130: horizontale Flanschpaare
32, 34, 36: Beschlagelemente
38, 40, 42: Leitschaufelzwischenböden
112: Außengehäuse oder Ringgehäuse
144: Verstärkungsstangen
146, 148: Metallauskleidungshälften
150: Metallflanschkomponenten

Claims

Turbomaschinenaußengehäuse (112) aufweisend: ein Paar von Außengehäuseabschnitten (122, 124), die jeweils mit Befestigungsflanschen (125, 126 und 128, 130) zum Befestigen des Paares der Außengehäuseabschnitte um eine Innenrotorstruktur (114) herum versehen sind, wobei das Paar der Außengehäuseabschnitte auf einem Zementverbundstoffmaterial aufgebaut ist.
Turbomaschinenaußengehäuse nach Anspruch 1, wobei das Paar der Außengehäuseabschnitte (122, 124) aus verstärktem Betonmaterial aufgebaut ist.
Turbomaschinenaußengehäuse nach Anspruch 1, wobei jeder Außengehäuseabschnitt (122, 124) mit mehreren Verbindungselementen (132, 134, 136) zum Befestigen von internen Statorkomponenten daran versehen ist.
Turbomaschinenaußengehäuse nach Anspruch 1, wobei das Paar der Außengehäuseabschnitte (122, 124) jeweils eine im Wesentlichen halbzylindrische Form hat.
Turbomaschinenaußengehäuse nach Anspruch 1, wobei die Abschnitte des Außengehäusepaares (122, 124) jeweils zwischen 15,2 bis 20,3 cm (6 bis 8 Inch) dick sind.
Turbomaschinenaußengehäuse nach Anspruch 1, wobei jeder Abschnitt des Außengehäusepaares (122, 124) mit einer internen Metallauskleidung (146, 148) versehen ist, die im Wesentlichen mit Innenoberfläche des Gehäuseabschnittes übereinstimmt.
Turbomaschinenaußengehäuse nach Anspruch 6, wobei die Metallauskleidung (146, 148) eine Chromstahllegierung mit einer Dicke zwischen etwa 0,635 bis 2,54 cm (¼ und 1 Inch) aufweist.
Turbomaschinenaußengehäuse nach Anspruch 4, wobei die Befestigungsflansche (125, 126 und 128, 130) horizontal ausgerichtete Flansche aufweisen, die sich entlang und von gegenüberliegenden freien Enden der im Wesentlichen zylindrischen Gehäuseabschnitte (122, 124) weg erstrecken und somit ein ausgerichtetes Paar von Befestigungsflanschen (125, 126, 128, 130) auf gegenüberliegenden Seiten der im Wesentlichen zylindrischen Gehäuseabschnitte bereitstellen.
Turbomaschinenaußengehäuse nach Anspruch 8, wobei jeder von den Befestigungsflanschen im Wesentlichen auf seiner entsprechenden Außenoberfläche mit einer Metallplatte (150) abgedeckt ist.
Turbomaschinenaußengehäuse (112) aufweisend: ein Paar im Wesentlichen halbzylindrischer Außengehäuseabschnitte (122, 124), wovon jeder mit Befestigungsflanschen entlang seinen gegenüberliegenden freien Enden zum Befestigen des Paares der im Wesentlichen halbzylindrischen Außengehäuseabschnitte um eine Innenrotorstruktur (114) herum versehen ist, wobei das Paar der im Wesentlichen halbzylindrischen Außengehäuseabschnitte aus einem relativ dicken Zementverbundstoffmaterial aufgebaut ist, das mit einem relativ dünnen Metallmaterial (146, 148) ausgekleidet ist.
Turbomaschinenaußengehäuse nach Anspruch 10, wobei das Paar im Wesentlichen halbzylindrischer Außengehäuseabschnitte (122, 124) aus verstärktem Beton aufgebaut ist.
Turbomaschinenaußengehäuse nach Anspruch 10, wobei jeder von dem Paar im Wesentlichen halbzylindrischer Außengehäuseabschnitte (122, 124) mit mehreren Verbindungselementen (132, 134, 136) zum Befestigen interner Statorkomponenten daran versehen ist.
Turbomaschinenaußengehäuse nach Anspruch 10, wobei das äußere Paar von Gehäuseabschnitten (122, 124) jeweils zwischen 15,2 bis 20,3 cm (6 bis 8 Inch) dick ist.
Turbomaschinenaußengehäuse nach Anspruch 13, wobei die Metallauskleidung (146, 148) eine Chromstahllegierung mit einer Dicke zwischen etwa 0,635 bis 2,54 cm (¼ und 1 Inch) aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Außengehäuseabschnittes für eine Turbomaschine, mit den Schritten: (a) Erzeugen einer geteilten Form (5) mit darin enthaltenen Verstärkungsstangen und Befestigungsbeschlagelementen; (b) Eingießen von ungehärtetem Beton in die geteilte Form, um ein Paar von verstärkten Beton-Gehäuseabschnitten (112, 114) mit Befestigungsflanschen (125, 126, 128, 130) zu erzeugen, die dafür angepasst sind, eine Befestigung des Paares der Gehäuseabschnitte aneinander um eine Innenrotorstruktur (114) herum zu ermöglichen; (c) Aushärten des Betons; und (d) Entfernen der geteilten Form.