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Gehäuse für Gasturbinen aus keramischem hochwarmfestem Werkstoff Es
ist bekannt, für Gasturbinen mit polier Treibmitteltemperatur keramische Baustoffe
wegen ihrer Warmfestigkeit bei sehr hohen Temperaturen zu verwenden, weil mari damit
ohne Bauteilkühlung auskommt und in manchen Fällen die möglichen Bauteilkiiblverfahren
für eine ausreichende Herabsetzung der 13auteilwandtemperaturen im Betrieb nicht
ausreichen. C1titer Berücksichtigung der Empfindlichkeit der keramischen Werkstoffe
gegen Temperaturwechsel hat man auch zur Vermeidung unzulässiger Wärmespannungen
namentlich an den Gehäusen vorgeschlagen, diese in einem unter Druck stehenden Kasten
einzubauen und letzteren mit vorewirmter Verbrenntingsluft zu beschicken. Durch
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die äußere Belreizung, welche erträgliche Druckspannungen in den Gehäusewandungen
hervorruft, wird verhindert, daß unzulässige Zugspannungen infolge der bei außen
kalter Wand vorhandenen großen Temperaturdifferenz von innen nach außen auftreten.
Die betrieblich auftretende Gesamttemperaturdifferenz, die Ursache der uriangenehmen
Wärmespannungen ist, wird dabei auf ein erträgliches Maß herabgesetzt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die während des Betriebes im Gehäuse
wirksame Temperaturdifferenz noch weiter herabzusetzen und damit im Dauerbetrieb
unzulässige Wärmespannungen weitgehend zu vermeiden sowie vor allem ein schnelles
Anwärmen der Gehäuseteile der Turbine zu erreichen, um die Inbetriebsetzung der
Turbine auf ein Mindestmaß zu beschleunigen. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß
um das eigentliche Turbinengehäuse
in einem gewissen Abstand eine
Isolierung, z. B. in Form von Schalen, angeordnet und ein Heizmittelstrom, z. B.
Luft oder heiße Gase, wird je nach dem Betriebszustand der Turbine innerhalb oder
außerhalb der Isolierung geleitet. Die Zufuhr des Heizmittels zu den Zwischenräumen
zwischen der Isolierung und dem Gehäuse erfolgt ungefähr in Gehäusemitte und die
Abströmung in der Nähe der Gehäuseenden. Über eine zweite Rohrleitung, die umschaltbar
außerhalb des Kastens ebenfalls an die Heißluftversorgungsleitung oder an eine Heizgasleitung
angeschlossen ist, wird der Raum außerhalb der Isolierung mit Heißluft bzw. Heizgas
beschickt. In jedem Fall wird das Heizmittel nach Durchströmen des einen oder anderen
Weges an einer oder zwei gemeinsamen Stellen dem Kasten wieder entnommen und falls
es sich um Heißluft handelt, dem Arbeitsmittelkreislauf wieder zugeführt.
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Beim Anfahren soll der Heizmittelstrom mit seiner allmählich durch
die Eigenart der Anlage gegebenen ansteigenden Temperatur (bis etwa 5oo bis 6oo°
C) die Zwischenräume zwischen Gehäuse und Isolierung bespülen, wodurch verhältnismäßig
schnell beide Teile aufgeheizt werden. Der dabei in der Turbinengehäusewandung auftretende
Temperaturabfall von außen nach innen ist meistens ungefährlich, da er hauptsächlich
Druckspannungen erzeugt, denen die Keramikbaustoffe eher gewachsen sind. Mit zunehmender
Belastung der Gasturbinenanlage steigt im Turbinengehäuseinnern die Treibmitteltemperatur,
der bisher vorhandene Temperaturabfall von außen nach innen wird abgebaut und würde
allmählich in einen solchen von innen nach außen übergehen, da bei Vollast der Anlage
die Gastemperatur am Gehäuseeintritt je nach Auslegung iooo bis i2oo°, die Heißlufttemperatur
außerhalb des Gehäuses aber nur etwa 5oo bis 700° C beträgt. Darum wird mit zunehmender
Belastung der Anlage der Heizmittelstrom plötzlich oder auch allmählich auf den
Weg außerhalb der Isolierung umgeschaltet. Damit wird erreicht, daß die von der
Keramikturbine abstrahlende Wärme in bekannter Weise auch im Rahmen des Gesamtkreisprozesses
verwertet wird und das Keramikgehäuse nach wie vor unter dem statischen Gegendruck
der Heizluft steht, also spannungsmäßig entlastet bleibt. Da, wie schon erwähnt,
das Heizmittel nur eine Temperatur von etwa 5oo bis 700° C aufweist, wird nach dieser
Umschaltung des Heizmittelweges im Kasten die Abwärme des Turbinengehäuses durch
die Isolierung zusammengehalten, denn infolge der durch die Umschaltung erreichten
geringen Strömung herrscht im Zwischenraum vom Gehäuse und Isolierung eine höhere
Temperatur als der Heizmitteltemperatur entspricht und die Wärmespannung in der
Gehäusewandung wird, überschlägig betrachtet, nicht mehr der Temperaturdifferenz
i ooo - 6oo = 400° C, sondern einer wesentlich geringeren Temperaturdifferenz entsprechen.
Durch entsprechende Oberflächenbehandlung oder Überzüge der Blechverschalung der
Isolierung kann die Innenfläche für geringes Absorptionsvermögen noch besonders
geeignet gemacht werden. In entsprechender Weise wird beim Abstellen der Gasturbine,
d. h. abnehmender Gastemperatur im Gehäuseinnern zum allmählichen Auskühlen der
Gehäuseteile unter Vermeidung von Wärmezugspannungen der Heizmittelstrom mit allmählich
abnehmender Temperatur (6oo° und kleiner) wieder zuerst ganz oder teilweise durch
die Zwischenräume zwischen Gehäuse und Isolierung geleitet. Auch hierbei wirkt die
Isolierung als Wärmespeicher. Ferner besteht noch die Möglichkeit, durch Bespülung
der Außenseite der Isolierung mit kalter Luft den Auskühlungsvorgang zu beschleunigen,
ohne daß eine Abschreckwirkung auf die Gehäuseteile eintritt. Durch den Einbau von
Temperaturfühlern erfolgt das Umschalten der Kalt- und Heißluftströme auf die beiden
verschiedenen Wege weitgehend selbsttätig. Für den Fall, daß das Keramikturbinengehäuse
und die Brennkammer in einem einzigen unter Überdruck stehenden Kasten angeordnet
sind, läßt sich die Strömung der Hauptmenge des Heizmittels innerhalb oder außerhalb
der um das Gehäuse gelegten Isolierung je nach dem Betriebszustand durch entsprechende
Strömungseinbauten erzwingen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Turbinenanlage
nach der Erfindung in sehematischer Weise dargestellt.
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Die Keramikturbine weist mehrere Läufer i, das unterteilte tonnenförmige
Gehäuse 2, die Lagerkörper 3° und 36 und die Kupplung ,4 auf. Um das Gehäuse 2 sind
mehrere Isolationsschalen 6 unter Belassung eines genügenden Abstandes gelegt. Die
Isolierschalen 6 bestehen z. B. aus in Blech gefaßten Wärmedämmstoffen in Form von
Wolle oder Matratzen. Die Heizluft tritt in dem Kasten 5 ungefähr in der Mitte seiner
Längsausdehnung ein und verläßt ihn an den beiden Stutzen 7 an den stirnseitigen
ringförmigen Sammelkammern. Der Heizluft aus der Versorgungsleitung 9 stehen wahlweise
zwei Wege offen, die über die Regelorgane io und i i, z. B. Drosselklappen, Schieber
oder Ventile, gesteuert werden und die zu zwei Ringleitungen 12 und 13 führen, welche
gleichmäßige Beschickung der Kammern auf den beiden Wegen gestatten. Die Heizluft
gelangt entweder von der Ringleitung 12 um die Isolierschalen 6 herum durch den
Kasten 5 zum Austritt 7 (ausgezogen angedeutet) oder von der Ringleitung 13 (gestrichelt
angedeutet) durch die Stichrohre 14 in das Innere der Isolierung, die an den Stoßstellen
der einzelnen Schalenstücke einigermaßen abgedichtet sind, um den Weg der Heizluft
zwischen Gehäuse 2 und Isolierschalen 6 zu erzwingen. Durch passende Wahl der Querschnitte,
namentlich der Ein- und Austrittsöffnungen in den Isolierschalen wird man zweckmäßigerweise
auf gleichen Druckabfall für den Heizluftdurchfluß achten. Die Regelorgane und die
Durchführungen durch die Isolierschalen brauchen aber nur so dicht zu sein, daß
jeweils die Hauptmasse der Heizluft den einen oder anderen Weg nimmt. An bestimmten
Stellen des Heizmittelkreislaufes sind an sich bekannte Temperaturfühler 15 eingebaut.
Diese Temperaturfühler schalten entweder den Heizmittel-
Strom schlagartig
auf den einen oder anderen Weg um, oder sie teilen abhängig von den Bedürfnissen
des Betriebes den Heizluftdurchsatz über die Regelorgane entsprechend auf, so daß
auf jeden der Wege für eine gewisse Zeit eine ziemliche Strömung herrscht. Auch
ist es möglich für besondere Verhältnisse den Druck und damit den Durchsatz der
Heizluft auf den einen oder anderen Weg zu erhöhen. Wie bereits erwähnt, kann statt
der Heißluft auch ein anderes Heizmittel, z. B. heiße Gase Verwendung finden. .