DE19806809C1

DE19806809C1 - Turbinengehäuse

Info

Publication number: DE19806809C1
Application number: DE19806809A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dipl Ing Henkel; Uwe Dipl Ing Zander; Edwin Dipl Ing Gobrecht
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1998-02-18
Publication date: 1999-03-25
Anticipated expiration: 2018-02-19
Also published as: JP2002504641A; DE59805746D1; CN1119509C; EP1056932B1; KR20010041053A; WO1999042705A1; JP4213863B2; US6345953B1; CN1286739A; EP1056932A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Turbinengehäuse mit einem Innengehäuse, das von einem Außengehäuse umgeben ist, insbesondere für Dampfturbinen. Das Innengehäuse und das Außengehäuse weisen jeweils in einen ersten, oberen Teilbe reich und einen zweiten, unteren Teilbereich auf. Oft sind diese Teilbereiche als gesonderte Gehäuseteile ausgebildet. Eine Innengehäuse-Außenfläche liegt dabei einer Außenge häuse-Innenfläche beabstandet gegenüber.

Beispielsweise bei einer Dampfturbine (Ehrich, Robert: Temperaturermittlung in Turbinengehäusen. In: Allg. Wärmetechnik, Bd. 9, H. 8, 9, S. 163-182, insbesondere Fig. 11, 12 und 14 mit Textstellen), die ein Turbinen-Au ßengehäuse und ein Turbinen-Innengehäuse aufweist, treten nach dem Abschalten der Turbine an und zwischen den jeweili gen Gehäusen Temperaturdifferenzen auf. Diese können dazu führen, daß beide Gehäuse sich verkrümmen, was zu unerwünsch ten Spannungen und zu Spielüberbrückungen führt. Dies bedeutet, daß in ungünstigen Fällen Turbinenschaufeln das Gehäuse streifen können und dabei Anstreifschäden verursachen. Die beim natür lichen Abkühlen des Außengehäuses auftretende Verkrümmung wird im übrigen wegen ihrer Erscheinungsform auch mit "Katz buckeln" bezeichnet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verkrümmung des Turbinengehäuses beim Abkühlen gering zu halten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Turbinengehäuse mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Aus gestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen An sprüchen angegeben.

Das Turbinengehäuse hat ein Innengehäuse, das von einem Außengehäuse umgeben ist. Das Innengehäuse und das Außenge häuse sind jeweils in einen ersten, oberen Teilbereich und einen zweiten, unteren Teilbereich aufgeteilt. Eine Innenge häuse-Außenfläche und eine Außengehäuse- Innenfläche liegen sich voneinander beabstandet gegenüber. Die Innenge häuse-Außenfläche und die gegenüberliegende Außengehäuse-Innenflä che sind zumindest in einem Teil ihres jeweiligen ersten Teilbereiches so gestaltet, daß sie dort einen geringeren Wärmeübergang durch Strahlung aufweisen als zumindest in ei nem Teil ihres jeweiligen zweiten Teilbereiches. Dadurch ge lingt es, daß nach einem Abstellen der Turbine ein Effekt vermieden wird, bei dem das Außengehäuse gegenüber dem Innen gehäuse zu schnell abkühlt. Würde die Innengehäuse-Außenflä che nämlich einen in etwa gleichen Wärmeübergang zur gegen überliegenden Außengehäuse-Innenfläche im ersten und im zwei ten Teilbereich aufweisen, würde im oberen Bereich eine nicht unerhebliche Auftriebsströmung in dem von beiden gegenüber liegenden Flächen gebildeten Zwischenraum initiiert werden. Diese Auftriebsströmung würde einen höheren Wärmeeintrag im ersten, oberen Teilbereich des Außengehäuses bewirken. Bei Abkühlung durch Naturkonvektion läßt sich nun erfindungsgemäß aufgrund des geringeren Wärmeüberganges im ersten Teilbereich ein Temperaturausgleich schaffen, so daß die Temperaturdiffe renz zwischen dem ersten, oberen Teilbereich und dem zweiten, unteren Teilbereich erheblich unter bisher bekannten Tempera turdifferenzen von über 50 Kelvin bei natürlicher Abkühlung ohne Zusatzmaßnahmen liegen können.

Eine erste, besonders vorteilhafte Ausgestaltung zur Ausbil dung eines geringeren Wärmeüberganges aufgrund von Strahlung sieht vor, daß das Innengehäuse im ersten Teilbereich auf der Innengehäuse-Außenfläche eine erste Emissionszahl aufweist, die einen kleineren Wert hat als eine zweite Emissionszahl des zweiten Teilbereiches auf der Innengehäuse-Außenfläche. Als vorteilhaft zum Temperaturausgleich hat es sich erwiesen, wenn die erste Emissionszahl einen Wert unterhalb von 0,5 und die zweite Emissionszahl einen Wert oberhalb von 0,5 hat. Dieses ist auch in Abhängigkeit von dem verwendeten Material für das Innen- bzw. Außengehäuse zu betrachten. Um Spannungen nämlich in den Gehäusen selbst zu vermeiden, bestehen beide Gehäuse zumeist jeweils aus einem gleichartigen Material. Die Emissionszahl des jeweiligen Materials kann nun durch geeig nete Oberflächenbearbeitung noch entscheidend beeinflußt wer den, um dadurch eine geeignete Emissionszahl zu erhalten.

Eine Weiterbildung der Ausnutzung unterschiedlicher Emissi onszahlen im ersten, oberen Teilbereich und zweiten, unteren Teilbereich sieht für die Innengehäuse-Außenfläche vor, daß ein Material im ersten Teilbereich eine kleinere Emissions zahl aufweist als ein weiteres Material, das nun aber auf die Innengehäuse-Außenfläche im zweiten Teilbereich aufgetragen ist. Dadurch ist es möglich, die bisher verwendeten Materia lien für Innen- bzw. Außengehäuse auch weiterhin nutzen zu können. Es wird ein aufzutragendes Material verwendet, daß eine im Vergleich zum Innengehäuse höhere Emissionszahl auf weist. Ein gewünschter positiver Strahlungseffekt ist auf diese Weise verstärkbar. Bevorzugt wird als aufzutragendes Material eine Oxidkeramik verwendet. Diese bietet zum einen die Eigenschaft einer besonders hohen Emissionszahl, bei spielsweise von e = 0,8 oder höher. Zum anderen kann die Oxid keramik aufgängiges Gehäusematerial, beispielsweise GGG-40, zuverlässig und betriebsdauerfest aufgebracht werden. Eine geeignete Technik zur Aufbringung einer dünnen Schicht der Oxidkeramik ist beispielsweise das Plasmaspritzen. Die Art der Aufbringung, sowie auch die Oxidkeramik selbst, stellen weiterhin sicher, daß auch eine hohe chemische Beständigkeit gegenüber den im Turbinengehäuse auftretenden Medien sicher gestellt ist.

Eine weitere Ausbildung zur Erlangung eines geringeren Wärme überganges durch Strahlung in einem Teil des ersten Teilbe reiches der Innengehäuse-Außenfläche zur gegenüberliegenden Außengehäusefläche im Bezug zu einem Teil des zweiten Teilbe reiches der Innengehäuse-Außenfläche wird dadurch erzielt, daß zumindest ein Teil des zweiten Teilbereiches der Außenge häuse-Innenfläche eine größere Absorptionszahl aufweist als ein Teil des ersten Teilbereiches der Außengehäuse-Innenflä che. Dadurch gelingt ebenfalls ein verstärkter Wärmeeintrag in den zweiten, unteren Teilbereich des Außengehäuses. Dieses führt ebenfalls wieder zu einer Vergleichmäßigung der Außen gehäusetemperaturen. Da dadurch das treibende Temperaturge fälle für die Naturkonvektion zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse verkleinert wird, wirkt auch diese Ausbil dung der Naturkonvektion entgegen.

Eine Weiterbildung der Ausgestaltung des zweiten Teilberei ches mit einer größeren Absorptionszahl weist im zweiten Teilbereich auf der Außengehäuse-Innenfläche ein drittes Ma terial auf. Dieses dritte Material hat eine höhere Absorpti onszahl als ein viertes Material der Außengehäuse-Innenfläche im ersten Teilbereich. Dieses dritte Material ist entweder das Material der Außengehäuse-Innenfläche im zweiten Teilbe reich selbst, wobei dessen Oberfläche entsprechend bearbeitet worden ist, oder das dritte Material kann auch ein zusätzli ches Material sein, welches auf die Außengehäuse-Innenfläche im zweiten Teilbereich aufgetragen ist. Eine weitere Möglich keit für eine Änderung der Absorptionszahlen zwischen dem er sten, oberen Teilbereich und dem zweiten, unteren Teilbereich der Außengehäuse-Innenfläche besteht darin, die Außengehäuse-Innen fläche im ersten, oberen Teilbereich so zu verändern, daß diese eine geringere Absorptionszahl aufweist als die Au ßengehäuse-Innenfläche des zweiten, unteren Teilbereiches.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie weitere Vorteile und Merkmale werden anhand der nachfolgenden Zeichnung näher er läutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführung der Erfindung, bei der auf einer Außengehäuse-Innenfläche ein Material aufgetragen ist,

Fig. 2 eine Temperaturverteilung, wie sie sich unter Vernachlässigung von Naturkonvektion durch Strahlungseffekte bei der Ausführung nach Fig. 1 nach Abstellen der Turbine ergibt,

Fig. 3 die schematische perspektivische Ansicht eines Außengehäuses und

Fig. 4 eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der ein weiteres Material auf einer Außenge häuse-Innenfläche aufgetragen ist.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Turbinenge häuses 1. Das Turbinengehäuse 1 weist ein Innengehäuse 2 so wie, vorzugsweise konzentrisch dazu, ein Außengehäuse 3 auf. Das Innengehäuse 2 und das Außengehäuse 3 sind so voneinander beabstandet, daß sich ein Zwischenraum 4 ergibt. Dieser Zwi schenraum 4 ist mit einem gasförmigen Medium gefüllt, welches konvektionsfähig ist. Das Innengehäuse 2 und das Außengehäuse 3 lassen sich jeweils in einen ersten, oberen Teilbereich 5 und in einen zweiten, unteren Teilbereich 6 aufteilen.

Betrachtet man nun einen Wärmestrom durch das Turbinengehäuse 1, so ergibt sich ein innerer Wärmestrom Qi durch das Innen gehäuse 2 sowie ein äußerer Wärmestrom Qa durch das Außenge häuse 3. Innerhalb der beiden Gehäuse 2, 3 vollzieht sich ein Leitungswärmestrom, der jeweils abhängig ist von der Wärme leitfähigkeit. Beispielsweise ist das Außengehäuse 3 ein un ter Verwendung von Kugelgraphit hergestelltes Gußgehäuse (GGG-40). Die dazugehörige Wärmeleitfähigkeit beträgt unge fähr 30 W/mK. Die Dicke des Außengehäuses 3 beträgt etwa 100 bis 150 mm. Zwischen dem Innengehäuse 2 und dem Außengehäuse 3 tritt zum einen eine Wärmeübertragung durch einen Wärmekon vektionsstrom QK sowie durch einen Strahlungswärmestrom QS auf. Letzterer wirkt von der Innengehäuse-Außenfläche 7 zur Außengehäuse-Innenfläche 8. Die Außengehäuse-Innenfläche 8 im ersten, oberen Teilbereich 5 weist eine erste Absorptionszahl a1 auf, die kleiner ist als eine zweite Absorptionszahl a2 in einem Teil des zweiten, unteren Teilbereiches 6. Entweder wird dazu die Außengehäuse-Innenfläche 8 im zweiten, unteren Teilbereich 6 oder im ersten, oberen Teilbereich 5 besonders behandelt. Die hier dargestellte, besonders vorteilhafte Lö sung sieht das Auftragen eines ersten Materials 9 auf der Außengehäuse-Innenfläche im zweiten Teilbereich 6 vor. Das erste Material 9 bildet eine dünne Schicht mit geringer Mate rialdicke, so daß die aufgrund der gegenüber der ersten Ab sorptionszahl a1 größeren zweiten Absorptionszahl a2 bessere Strahlungswärmeaufnahme nicht durch einen zu hohen Wärmelei tungswiderstand wieder aufgehoben wird. Das erste Material 9 erstreckt sich hier in einem Winkelbereich von etwa 90°. Der Winkelbereich kann jedoch auch erheblich kleiner oder aber auch größer ausfallen, beispielsweise in Abhängigkeit von ei nem Wärmegefälle über die Länge der Turbine. Dadurch, daß das erste Material 9 Strahlungswärme besser aufnimmt als ein zweites Material 10 im ersten Teilbereich 5, nimmt der zweite Teilbereich 6 einen erheblich größeren Wärmestrom auf als ohne das erste Material 9. Dieses wirkt dem Wärmekonvektions strom QK im ersten Teilbereich 5 entgegen und führt zu einer geringeren Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Teilbe reich 5 und dem zweiten Teilbereich 6 beim Abschalten der Turbine. Als äußerst belastbares erstes Material 9 hat sich Zirkoniumoxid (ZrO₂) erwiesen, welches vorteilhafterweise durch Plasmaspritzen aufgebracht ist. Eine derartige Schicht ist selbst bei geringer Dicke in der Lage, auch bei aggressi veren Medien im Zwischenraum 4 standzuhalten. Bei einer Strahlungstemperatur von ungefähr 350°C, wie sie für einen längeren Zeitraum beim Abschalten einer Turbine auftritt, be sitzt außerdem diese Oxidkeramik eine Absorptionszahl von un gefähr 0,9. Dieses liegt erheblich höher als eine Absorpti onszahl von ungefähr 0,25 bei einem Außengehäuse 3 aus dem oben erwähntem Material. Weiterhin ist zu beachten, daß die erste Absorptionszahl a₁ und auch die zweite Absorptionszahl a₂ von der Temperatur abhängig sind. Bei zeitlicher Änderung der Temperatur während des Abkühlvorganges nach Abschalten der Turbine erfüllt Zirkoniumoxid auch die Anforderung, über einen breiten Temperaturbereich eine hohe Absorptionszahl aufzuweisen.

Fig. 2 zeigt ein XY-Koordinatensystem. Die X-Achse gibt eine gemessene Temperatur der Außengehäuse-Innenfläche 8 aus Fig. 1 an. Die Y-Achse gibt den Ort der Messung in Gradzahlen wie der. Zur Verdeutlichung des Ortes der Messung ist in Fig. 3 eine schematisierte Ansicht des Außengehäuses 3 mit einer Un terteilung entsprechend einem Berechnungsgitter angegeben. Entsprechend der Y-Achse in Fig. 2 verläuft die Gradangabe von minus 90° beginnend im zweiten, unteren Teilbereich 6 aus Fig. 1 hochlaufend zu der Angabe von plus 90° im ersten, oberen Teilbereich 5 entsprechend der Fig. 1. Aufgrund der unterschiedlichen Absorptionszahlen ergibt sich allein auf grund der geänderten Strahlungsbedingungen ein Temperaturun terschied zwischen dem ersten Teilbereich 5 und dem zweiten Teilbereich 6 von maximal Delta T = 27 K. Dieser aufgrund der Strahlung bewirkte Temperaturunterschied Delta T gleicht ei nen ansonsten um mindestens 50 K großen Temperaturunterschied zwischen dem ersten Teilbereich 5 und zweiten Teilbereich 6 bei Nichtverwendung unterschiedlicher Absorptionszahlen zu mindest teilweise aus. Um dieses Ergebnis sicherzustellen, ist es vorteilhaft, daß die erste Absorptionszahl a₁ im er sten Teilbereich 5 einen Wert von unterhalb 0,5 und die zweite Absorptionszahl a₂ im zweiten Teilbereich 6 einen Wert oberhalb von 0,5 aufweisen.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung, um die Wärmestrah lung zum Ausgleich von Temperaturunterschieden auszunutzen. Dabei sind zur Vereinfachung in Fig. 4 gleiche Bauteile wie in Fig. 1 auch mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zum ei nen weist die Außengehäuse-Innenfläche 8 im ersten Teilbe reich 5 ein drittes Material 11 auf. Die dritte Absorptions zahl a₃ dieses dritten Materials 11 ist kleiner als die Ab sorptionszahl a₄ der Außengehäuse-Innenfläche 8 im zweiten Teilbereich 6. Zum anderen weist die Innengehäuse-Außenfläche 7 im zweiten Teilbereich 6 eine viertes Material 12 auf. Die Innengehäuse-Außenfläche 7 im ersten Teilbereich 5 hat eine erste Emissionszahl e₁, welche einen kleineren Wert hat als eine zweite Emissionszahl e₂ und dieses vierten Materials 12. Bevorzugt ist es, daß die erste Emissionszahl e1 einen Wert unterhalb von 0,5 und die zweite Emissionszahl e₂ einen Wert oberhalb von 0,5 aufweisen. Auf diese Weise fließt im zweiten Teilbereich 6 ein höherer Strahlungswärmestrom QS von der In nengehäuse-Außenfläche 7 zu der Außengehäuse-Innenfläche 8 als in dem ersten Teilbereich 5. Auch dieses führt wiederum dazu, daß dem Wärmekonvektionsstrom QK durch eine Vergleich mäßigung der Temperaturen im Außengehäuse 3 entgegen gewirkt wird.

Claims

1. Turbinengehäuse (1)

- mit einem Innengehäuse (2), das von einem Außengehäuse (3) umgeben ist, wobei das Innengehäuse (2) und das Außenge häuse (3) jeweils einen ersten, oberen Teilbereich (5) und einen zweiten, unteren Teilbereich (6) aufweisen, und
- mit einer Innengehäuse-Außenfläche (7) und einer Außenge häuse-Innenfläche (8), die voneinander beabstandet sich gegenüberliegen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Innen gehäuse-Außenfläche (7) und die gegenüberliegende Außenge häuse-Innenfläche (8) zumindest in einem Teil ihres jeweili gen ersten Teilbereiches (5) so gestaltet sind, daß sie dort einen geringeren Wärmeübergang durch Strahlung aufweisen als zumindest in einem Teil ihres jeweiligen zweiten Teilberei ches (6).

2. Turbinengehäuse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des zweiten Teilbereichs (6) der Außengehäuse-Inne nfläche (8) eine größere Absorptionszahl (a2) aufweist als ein Teil des ersten Teilbereichs (5) der Außengehäuse-Innen fläche (8).

3. Turbinengehäuse (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außen gehäuse-Innenfläche (8) im zweiten Teilbereich (6) ein erstes Material (9) aufweist, das eine größere Absorptionszahl (a2) aufweist als die Absorptionszahl (a1) eines zweiten Materials (10) der Außengehäuse-Innenfläche (8) im ersten Teilbereich (5).

4. Turbinengehäuse (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material (9) auf die Außengehäuse-Innenfläche (8) aufgetragen ist.

5. Turbinengehäuse (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material (9) eine Oxidkeramik ist.

6. Turbinengehäuse (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein drit tes Material (11) auf die Außengehäuse-Innenfläche (8) im er sten Teilbereich (5) aufgetragen ist, dessen Absorptionszahl (a3) kleiner ist als eine Absorptionszahl (a1) der Außenge häuse-Innenfläche (8) im zweiten Teilbereich (6).

7. Turbinengehäuse (1) nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Mate rial (9; 11) mittels Plasmaspritzen aufgetragen ist.

8. Turbinengehäuse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Absorptionszahl (a1) im ersten Teilbereich (5) einen Wert unterhalb von 0,5 und eine zweite Absorptionszahl (a2) im zweiten Teilbereich (6) einen Wert oberhalb von 0,5 auf weisen.

9. Turbinengehäuse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Innengehäuse-Außenfläche (7) im ersten Teilbereich (5) eine erste Emissionszahl (e1) aufweist, die einen kleineren Wert hat als eine zweite Emissionszahl (e2) des zweiten Teilbere iches (6) auf der Innengehäuse-Außenfläche (7).

10. Turbinengehäuse (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Emissionszahl (e1) einen Wert unterhalb von 0,5 und die zweite Emissionszahl (e2) einen Wert oberhalb von 0,5 auf weist.

11. Turbinengehäuse (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein viertes Material (12) auf die Innengehäuse-Außenfläche (7) aufgetra gen ist.