DE102011110660A1

DE102011110660A1 - Von Heissgasen durchströmbarer Gehäusekörper mit innerem Hitzeschild

Info

Publication number: DE102011110660A1
Application number: DE102011110660A
Authority: DE
Inventors: Marc RAUCH; Peter Oskar Baldischweiler
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2012-03-15
Also published as: US20120047905A1; CH703656A1; US9810154B2

Abstract

Innerhalb eines Außengehäusekörpers (30) ist ein von dessen Heißgasseite beabstandeter Hitzeschild (2) angeordnet, der mit zapfenartigen Halterungen (3) befestigt ist. Diese Halterungen (3) sind auf präzise zugerichteten bzw. nachbearbeiteten Aufnahmeflächen (5) auf der Heißgasseite des Außengehäusekörpers (30) abgestützt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen von Heißgasen durchströmbaren Gehäusekörper, insbesondere einer Gasturbine, mit einem Außengehäusekörper und einem von der Heißgasseite des Außengehäusekörper beabstandet angeordneten inneren Hitzeschild, welcher an zapfenartigen Halterungen am Außengehäusekörper befestigt ist.
Stand der Technik
Gasturbinen besitzen in der Regel einen von außen gekühlten Außengehäusekörper, der auf seiner den heißen Turbinengasen zugewandten Innenseite durch einen von der Innenseite beabstandeten Hitzeschild geschützt wird. Dabei dient die zwischen Hitzeschild und Außengehäusekörper stehende Luft als thermische Isolation. Hierzu wird auf die folgenden Druckschriften verwiesen: US 4,121,768 A , US 5,083,424 A , US 5,697,213 A , US 6,045,310 A , EP 0 224 817 A1 , EP 0 724 116 A2 , EP 1 598 562 A1 , GB 647 302 A und JP 2000335500 A .
Zur Befestigung des Hitzeschildes bzw. seiner Segmente dienen oftmals Schweißbolzen, die auf der Heißgasseite des regelmäßig aus Gussteilen zusammengesetzten Außengehäusekörpers angeordnet werden. Zwar ist die Montage von Schweißbolzen vergleichsweise einfach, jedoch muss mit mehr oder weniger großen Abweichungen der Befestigungspositionen des Hitzeschildes von einer idealen Lage gerechnet werden, weil einerseits der Schweißprozess und andererseits Formtoleranzen der Gussteile des Außengehäusekörpers zu unvermeidlichen Ungenauigkeiten bei der Positionierung der Schweißbolzen führen. Dies führt zu mehr oder weniger großen Fehlern bei den Lagen der Segmente des Hitzeschildes relativ zueinander, mit der Folge, dass die Schutzwirkung des Hitzeschildes beeinträchtigt wird, weil beispielsweise die Maße der Spalte zwischen aufeinanderfolgenden Segmenten des Hitzeschildes vom Sollmaß abweichen und Heißgase in den Luftraum zwischen Hitzeschild und Innenseite des Außengehäusekörpers eindringen können. Im Übrigen kann die Form der Oberfläche des Hitzeschildes von der gewünschten Form mehr oder weniger stark abweichen, so dass das Strömungsfeld der Heißgase unerwünscht beeinträchtigt wird.
Darstellung der Erfindung
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine Konstruktion zu schaffen, bei der eine nahezu ideale Form des Hitzeschildes, verbunden mit optimalen Lagen seiner Segmente, gewährleistet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Halterungen des Hitzeschildes an präzise zugerichteten bzw. nachbearbeiteten Aufnahmeflächen auf der Heißgasseite des Außengehäusekörpers abgestützt bzw. angeordnet sind.
Die Erfindung verwirklicht den allgemeinen Gedanken, die Präzision moderner Werkzeugmaschinen zu nutzen und auf der Heißgasseite des Außengehäusekörpers präzise ausgerichtete Aufnahmeflächen zur Abstützung der Halterungen des Hitzeschildes zu schaffen.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, die Aufnahmeflächen als Planflächen auszubilden, so dass der erforderliche Bearbeitungsaufwand gering bleibt. Insbesondere kann die Aufnahmefläche durch den Boden oder eine Ringstufe eines Sackloches gebildet werden. Die für die Herstellung der Aufnahmeflächen notwendigen Bearbeitungsschritte am Außengehäusekörper können sich also auf Präzisionsbohrungen bzw. -fräsungen beschränken.
In konstruktiv bevorzugter Weise ist vorgesehen, dass die Halterungen jeweils einen zwischen die zugeordnete Aufnahmefläche und den Hitzeschild eingefügten Distanzkörper sowie Fixiermittel aufweisen, die den Hitzeschild und den Außengehäusekörper gegeneinander unter Fixierung des zwischengeschalteten Distanzkörpers verspannen.
Dabei kann als Distanzkörper eine Hülse vorgesehen sein, die von einer den Hitzeschild und den Außengehäusekörper gegeneinander verspannenden Schraube axial durchsetzt wird, so dass der von der Hülse gebildete Distanzkörper in seiner Lage form- und kraftschlüssig fixiert wird.
Die vorgenannte Schraube kann in eine am Außengehäusekörper angeordnete Bohrung eingesetzt werden, die zweckmäßigerweise zusammen mit der Aufnahmefläche erzeugt wird. Gemäß einer ersten Variante kann die genannte Bohrung als Gewindebohrung ausgebildet sein, in die sich die Schraube eindrehen lässt. Stattdessen ist es auch möglich, an den Aufnahmeflächen jeweils den Außengehäusekörper durchsetzende Bohrungen vorzusehen, so dass die Schraube durch diese Bohrung hindurch gesteckt und in eine passende Mutter oder dergleichen eingedreht werden kann. Dabei ist auch eine umgekehrte Anordnung der Schraube möglich, d. h., die Schraube wird von der Außenseite des Außengehäusekörpers aus durch die Bohrung sowie die Hülse hindurch gesteckt und in eine auf dem Hitzeschild anzuordnende Mutter oder dergleichen eingedreht.
Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Unteransprüche verwiesen. Schutz wird nicht nur für angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen, sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, den Außengehäusekörper im Bereich der Befestigungspunkte des Hitzeschildes mit Rippen auszuformen, so dass die präzise ausgerichteten Aufnahmeflächen zur Abstützung der Halterungen des Hitzeschildes jeweils an Gehäusezonen mit großer Materialstärke und Belastbarkeit angeordnet werden können.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.
In der Zeichnung zeigt
1 eine schematisierte Explosionsdarstellung eines Gehäuses (mit Hitzeschild) einer Gasturbine,
2 eine schematisierte Explosionsdarstellung eines im Gehäuse angeordneten Hitzeschildes,
3 ein schematisiertes Schnittbild einer erfindungsgemäßen Halterung des Hitzeschildes bzw. eines Segmentes eines Hitzeschildes,
4 charakteristische, schematisierte Darstellungen einer Montagesequenz des Hitzeschildes,
5 ein Schnittbild eines Außengehäuseabschnittes einer bevorzugten Ausführungsform mit innenseitig am Außengehäuse vorgesehenen Rippen und
6 den Ausschnitt VI aus 5.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Gemäß 1 kann eine Gasturbine ein im wesentlichen aus zwei gegossenen Halbschalen 1 zusammengesetztes Außengehäuse 30 aufweisen, dessen Innenraum an thermisch hochbelasteten Bereichen durch einen Hitzeschild 2 ausgekleidet ist.
Gemäß 2 ist der Hitzeschild 2 segmentiert ausgebildet. Im Hinblick auf eine optimale Schutzwirkung des Hitzeschildes 2 wird angestrebt, dessen Segmente mit hoher Präzision anzuordnen, derart, dass die Ränder benachbarter Segmente mit präzisem Spaltmaß, miteinander fluchtend aneinander stoßen. Zu diesem Zweck sind erfindungsgemäß zapfenartige Halterungen 3 vorgesehen, die in 3 genauer dargestellt sind und deren Montage anhand der 4 nachfolgend erläutert wird. Das in 3 nur ausschnittsweise dargestellte Außengehäuse 30 besitzt eine innenseitige Rohkontur mit mehr oder weniger großen Abweichungen von einer Ideal- bzw. Sollkontur. Mit entsprechenden Werkzeugen wird in der Rohkontur 4 an einer für eine Halterung vorgesehenen Position eine eingesenkte Aufnahmefläche 5 sowie eine Gewindebohrung 6 erzeugt.
Bei Einsatz entsprechend präziser Werkzeugmaschinen besitzen die beispielhaft als Planfläche erzeugte Aufnahmefläche 5 sowie die Gewindebohrung 6 eine bezüglich eines außengehäusefesten Bezugssystems optimale Lage und Neigung.
Auf die Aufnahmefläche 5 wird eine als hochpräzises Standardteil ausgebildete Hülse 7 aufgesetzt, deren von der Aufnahmefläche 5 abgewandtes Ende oberhalb eines gegebenenfalls vorhandenen Flansches 8 einen unrunden Querschnitt sowie eine Stufenfläche 9 aufweist. Auf dieser Stufenfläche 9, die gegebenenfalls durch die von der Aufnahmefläche 5 abgewandte Stirnseite des Flansches 8 vergrößert sein kann, wird eine erste bzw. untere Scheibe 10 aufgelegt, die eine dem unrunden Querschnitt des von der Aufnahmefläche 5 entfernten Endes der Hülse 7 angepasste Öffnung besitzt, so dass die Scheibe 10 durch Formschluss mit der Hülse 7 drehfest gekoppelt ist. Auf der unteren Scheibe 10 liegt das jeweilige Segment des Hitzeschildes 2 auf, wobei im Segment des Hitzeschildes 2 eine den Fertigungstoleranzen des Segmentes angepasste Öffnung 11 vorgesehen ist, so dass sich das jeweilige Segment des Hitzeschildes 2 relativ zur Achse der Hülse 7 auf der Scheibe 10 verschieben lässt. Auf der freien Oberseite des Segmentes des Hitzeschildes 2 liegt eine weitere, obere Scheibe 12 auf, die identisch wie die untere Scheibe 10 ausgebildet sein kann und wiederum eine dem unrunden Querschnitt des scheibenseitigen Endes der Hülse 7 angepasste Öffnung aufweist, so dass auch die obere Scheibe 12 durch Formschluss drehfest mit der Hülse 7 gekoppelt ist. Die axiale Länge des den unrunden Querschnitt aufweisenden Endes der Hülse 7 ist geringfügig geringer als die Summe der Dicken der beiden Scheiben 10 und 12 sowie des zwischen den Scheiben 10 und 12 angeordneten Segmentes des Hitzeschildes 2. Damit besteht die Möglichkeit, das Segment des Hitzeschildes 2 zwischen den beiden Scheiben 10 und 12 mittels einer Schraube 13 kraftschlüssig zu verspannen, die durch die Axialbohrung der Hülse 7 hindurch in die Gewindebohrung 6 eingedreht wird. Dabei wird zweckmäßig zwischen der oberen Scheibe 12 und dem Kopf der Schraube 13 eine Sicherungsscheibe 14 eingespannt, um ein unerwünschtes Lösen der Schraube 13 zu verhindern. Zusätzlich kann der Schraubenkopf mit der Sicherungsscheibe 14 und die Sicherungsscheibe 14 mit der Scheibe 12 durch Schweißpunkte 15 drehfest gesichert werden.
Abweichend von der vorangegangenen Darstellung kann gegebenenfalls auch vorgesehen sein, im Außengehäuse 30 anstelle der Gewindebohrung 6 eine die Gehäusewand durchsetzende Bohrung ohne Gewinde vorzusehen und die entsprechend lange Schraube 13 in ein Gewindeteil bzw. in eine Mutter auf der Außenseite des Außengehäuses 3 einzudrehen. Stattdessen ist es auch möglich, die Schraube 13 umgekehrt anzuordnen und sie von der Gehäuseaußenseite aus durch die Hülse 7 hindurch in eine auf der Scheibe 12 bzw. der Sicherungsscheibe 14 angeordnete Mutter oder dergleichen einzudrehen.
5 zeigt einen Querschnitt einer Wand eines Außengehäuses 30 mit innenseitig angeformten Rippen 16 und 6 einen detaillierten Ausschnitt aus 5. Die Rippen 16 dienen im gezeigten Beispiel einerseits zur Versteifung der Wand des Außengehäusekörpers, andererseits sind die Rippen 16 so angeordnet, dass Positionen von Befestigungspunkten des Hitzeschildes immer in den Bereich einer Rippe 16 fallen. Dies bietet den Vorteil, dass die Befestigungspunkte immer an Bereichen mit großer Materialstärke und Belastbarkeit angeordnet werden können und der bei der Erfindung vorgesehene Materialabtrag zur Erzeugung optimal positionierter Aufnahmeflächen 5 problemlos durchgeführt werden kann. Soweit in der Umgebung einer Aufnahmefläche 5 ein Materialabtrag erwünscht sein sollte, braucht nur eine kleine Fläche an der jeweiligen Rippe 16 bearbeitet zu werden. Schließlich ist vorteilhaft, dass der Hitzeschild 2 außerhalb der Rippen 16 einen vergleichsweise großen Abstand von der Innenseite des Außengehäuses 30 aufweisen kann, und zwar unabhängig von Herstellungstoleranzen des Außengehäuses 30.
Bezugszeichenliste

1: Halbschalen
2: Hitzeschild
3: Halterung
4: Rohkontur
5: Aufnahmefläche
6: Gewindebohrung
7: Hülse
8: Flansch
9: Stufenfläche
10: erste Scheibe
11: Öffnung
12: zweite Scheibe
13: Schraube
14: Sicherungsscheibe
15: Schweißpunkte
16: Rippen
30: Aussengehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4121768 A [0002]
US 5083424 A [0002]
US 5697213 A [0002]
US 6045310 A [0002]
EP 0224817 A1 [0002]
EP 0724116 A2 [0002]
EP 1598562 A1 [0002]
GB 647302 A [0002]
JP 2000335500 A [0002]

Claims

Von Heißgasen durchströmbarer Gehäusekörper, insbesondere einer Gasturbine, mit einem Außengehäusekörper (30) und einem von der Heißgasseite des Außengehäusekörpers (30) beabstandet angeordneten inneren Hitzeschild (2), welcher an zapfenartigen Halterungen (3) am Außengehäusekörper (30) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterungen (3) an präzise zugerichteten bzw. nachbearbeiteten Aufnahmeflächen (5) auf der Heißgasseite des Außengehäusekörpers (30) abgestützt bzw. angeordnet sind.
Gehäusekörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Halterungen (3) jeweils zwischen Aufnahmefläche (5) und Hitzeschild (2) eingefügte Distanzkörper (7) sowie Fixierelemente (13) aufweisen, welche den Hitzeschild (2) und das Außengehäuse (30) unter Fixierung des jeweiligen Distanzkörpers (7) miteinander verspannen.
Gehäusekörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, die Distanzkörper (7) und/oder die Fixiermittel (13) mit Formschluss am Außengehäuse (30) und/oder Hitzeschild (2) fixiert sind.
Gehäusekörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeflächen (5) als Planflächen ausgebildet sind.
Gehäusekörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, als Distanzkörper eine Hülse (7) vorgesehen ist, die von einer den Hitzeschild (2) und den Außengehäusekörper (30) gegeneinander verspannenden Schraube (13) axial durchsetzt wird.
Gehäusekörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube (13) in eine an der Aufnahmefläche (5) angeordnete Bohrung (6) im Außengehäuse (30) eingesetzt ist.
Gehäusekörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube (13) in ein Innengewinde der Bohrung (6) eingedreht ist.
Gehäusekörper nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hitzeschild (2) an den Halterungen (3) jeweils zwischen zwei Scheiben (10, 12) eingespannt ist, die an der Hülse (7) auf zumindest einer hülsenseitigen Stufe oder einem hülsenseitigen Flansch (8) axial abgestützt sind.
Gehäusekörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (10, 12) mit der Hülse (7) drehfest gekoppelt sind, indem die Hülse (7) mit einem unrunden Querschnitt in angepasst unrunde Öffnungen (11) der Scheiben (10, 12) eingreift.
Gehäusekörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Außengehäusekörper (30) innenseitige Rippen (16) aufweist, und dass die Halterungen (3) im Bereich der Rippen (16) vorgesehen sind.