EP1029154B1 - Turbinengehäuse sowie verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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EP1029154B1
EP1029154B1 EP98961038A EP98961038A EP1029154B1 EP 1029154 B1 EP1029154 B1 EP 1029154B1 EP 98961038 A EP98961038 A EP 98961038A EP 98961038 A EP98961038 A EP 98961038A EP 1029154 B1 EP1029154 B1 EP 1029154B1
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EP
European Patent Office
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layer
outer layer
pressure
turbine
inner layer
Prior art date
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EP98961038A
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English (en)
French (fr)
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EP1029154A1 (de
Inventor
Detlef Haje
Andreas FELDMÜLLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
Priority claimed from DE1998119508 external-priority patent/DE19819508A1/de
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP1029154A1 publication Critical patent/EP1029154A1/de
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Publication of EP1029154B1 publication Critical patent/EP1029154B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/14—Casings modified therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/14—Casings modified therefor
    • F01D25/145—Thermally insulated casings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/26—Double casings; Measures against temperature strain in casings

Definitions

  • the invention relates to a turbine housing with a multilayer housing wall between a one pressure chamber sealing inner layer and a force-bearing outer layer has a pressure-resistant intermediate layer for thermal insulation. she further relates to a method of manufacturing a such housing.
  • turbine housing is used here understood the outer casing of a high pressure steam turbine.
  • a turbine working as an engine the potential Energy of a flowing working medium, e.g. Gas or steam, converted into mechanical work.
  • a flowing working medium e.g. Gas or steam
  • the turbine as an essential elements an impeller and a fixed idler.
  • a steam turbine as Steam, which serves as a medium for the flow medium, performs work until condensation relaxed.
  • the design of the steam turbine is particularly affected by the vapor states, i.e. the steam pressure and the steam temperature.
  • the housing parts required for high steam conditions effect temperature-resistant materials with a large wall thickness Considerable given the high cost of such materials Material costs.
  • An increase in wall thickness stands but also the aspect of manufacturability, in particular the castability of the alloys at the necessary Wall thicknesses. These are other aspects to consider Operating behavior of the turbine with respect to that of the heating mouth
  • the cooling behavior of the housing parts influences the arrival and departure times as well as handling due to the wall thickness increasing mass. It should also be borne in mind that the wall thickness of the turbine housing is not only increasing Pressure increases, but also with increasing temperature the strength of the usual materials decreases.
  • a steam turbine From AT-PS 381 367 is also known in the steam room a steam turbine has a metallic insulation body, in particular in the form of metal fibers. Since the im Insulation body provided with the steam chamber as the insulating When the medium serving steam comes into direct contact, the Metal parts, on the one hand, must be large enough to prevent them from Steam flow entrained resulting in the destruction of the turbine to become. On the other hand, it is sufficiently loose Filling of the metal parts required so that the steam the Flow through the insulation body at least approximately unhindered can. Adequate thermal insulation and pressure resistance is not with such a metallic insulation body achieved.
  • the invention is therefore based on the object of a multilayer Specify turbine housing for a high pressure turbine, the by using a particularly suitable, pressure-resistant intermediate layer for thermal insulation, a realization of even higher ones Vapor states, i.e. a high pressure and a high temperature, of the flow medium. Furthermore, a particularly suitable process for producing a multi-walled Turbine housing specified for a high-pressure turbine become.
  • Turbine housing a three-layer housing wall with a pressure-resistant and heat-insulating liner made of a non-metallic Bulk on the one between the pressure chamber sealing inner layer and a load-bearing outer layer is provided.
  • the use of sand as is particularly expedient Bulk for the liner fulfills the function of a heat-insulating in a particularly advantageous manner Layer, its thickness or radial extent the temperature is reduced (temperature gradient).
  • the Liner absorbs the compressive forces of the inner layer and conducts this further. It is therefore both pressure resistant also temperature-resistant, but has no sealing function.
  • the lowest possible thermal conductivity is Advantage as this is the thickness of the insulation layer and the Heat flow determined. It is essential that when using of sand as an intermediate layer this as opposed to one massive material, such as a metallic Material, achieved a relatively good thermal insulation and itself in terms of the required shape, particularly good to the circumstances adapts.
  • the inner position of the housing wall only fulfills the function the sealing of the pressure chamber and separates the medium from the other locations. This is one in relation to the whole Thickness of the wall requires small wall thickness, as this Inner layer is supported on the outer layers and the existing ones Internal pressure only needs to be transferred to this.
  • the inner layer consists preferably of a temperature-resistant and stretchable material, as this is the mechanically and thermally conditional strains of the other layers must follow. As a material for the inner layer is therefore expediently more heat resistant Chrome steel or cast steel, preferably 10% chrome steel with a ferritic / bainitic mixed structure.
  • the outer layer serves to accommodate the insulation layer pressures passed on due to the medium pressure and carries it through the internal pressure in the turbine housing generated forces.
  • the outer layer thus brings the counterforce to the pressure force of the medium.
  • As a material for the The outer layer is also expediently a ferritic / bainitic Mixed structure used. Because the supporting outer layer due to the internal thermal insulation layer in shape the poured intermediate layer is clearly below the medium temperature lying temperature, but can here an inexpensive material (GGG or GS) with comparative low or low temperature resistance be used. At the same time, a small wall thickness can be realized as a comparatively low temperature high tolerable voltage is present. So be considerable savings in terms of material costs achieved.
  • an outer layer composed of two partial layers these preferably have different coefficients of thermal expansion on.
  • the properties the outer layer can be varied, e.g. regarding their Thermal expansion and compliance to Internal pressure of the turbine housing. This can reduce the stresses the inner layer due to thermal expansion and of the internal pressure can be reduced.
  • One is also special flexible adjustment of stiffness and thermal expansion taking into account a particularly low load on the inner layer possible for the respective application.
  • the outer of the two partial layers can also be made Sheet metal layers can be built up or wound, in which case the relative thin-walled inner partial layer only to separate the Liner serves from the winding layer.
  • the structure is preferably reinforced with carbon fibers Material used. Overall, the material concept can the respective, by the pressure and temperature of the medium specific application can be adapted.
  • the intermediate layer Insulation material in a prefabricated wall component the space formed and introduced compacted.
  • the wall component can already be in one piece or constructed in two parts from the outer layer and from the inner layer his.
  • the one that forms the intermediate layer Insulation or filler material during assembly the outer and inner layer in the space.
  • the outer and inner layer can then be cast or be formed from a sheet material.
  • the advantages achieved with the invention are in particular in that by inserting a heat insulating Liner in the form of a non-metallic, inorganic Bulk material, preferably sand, between a comparatively thin-walled inner layer and a correspondingly thin-walled outer layer a multi-layer turbine housing on the one hand Cracks in the layers due to thermal expansion avoided is.
  • a heat insulating Liner in the form of a non-metallic, inorganic Bulk material, preferably sand
  • a multi-layer turbine housing on the one hand
  • Cracks in the layers due to thermal expansion avoided is.
  • sand as an intermediate layer, be simultaneously the tasks of thermal insulation and mechanical Compressive strength met particularly reliably, whereby the sand caused by thermal stresses compared to a solidified intermediate or insulating layer can follow particularly well.
  • the one used to apply force Outside location kept at a particularly low temperature level
  • each wall layer can be designed to save material and be optimized with regard to their function.
  • the inner layer and the outer layer are pretensioned to a certain extent, so that the bulk material is compressed between the outer layer and the inner layer is present.
  • the Outer layer in one piece or composed of partial layers, which then preferably have a different coefficient of thermal expansion exhibit. This will remove the from the inner layer elongations to be absorbed, so that this the imprinted by the stretch behavior of the network partners Deformations especially avoiding the risk of cracking can reliably follow. By cooling the outer layer will further reduce their temperature levels achieved.
  • the turbine housing constructed in this way therefore also fulfills very high temperatures and operational temperature changes as well as at high steam pressures - and thus at high ones Vapor conditions - reliably the function of sealing the enclosed medium on the one hand and the generation of a Counterforce to the compressive force of the enclosed medium on the other hand.
  • the high pressure steam turbine or high pressure turbine 1 comprises a turbine shaft 2 with blades attached to it 4 and an inner casing 8 carrying a guide vanes 6 as well as an outer housing or pressure housing surrounding this 10.
  • incoming live steam D is along the guide and Blades 4, 6 guided and relaxed while doing work, causing the turbine shaft 2 to rotate is transferred.
  • the relaxed steam D 'leaves the high pressure turbine via an outflow opening 14, for example to a Medium pressure turbine (not shown).
  • An between the inner housing 8 and the pressure housing 10 formed pressure chamber 18 is in the embodiment with the live steam D - with a steam temperature T of z. B. 600 ° C at a vapor pressure p of z. B. 300bar - acted upon.
  • the housing wall 16 comprises an inner layer 20 which is directly exposed to live steam D. This is temperature-resistant and consists, for example, of heat-resistant steel.
  • the inner layer 20 serves to seal the pressure space 18 formed between the inner housing 8 and the pressure housing 10 of the high-pressure steam turbine and separates the steam D from the subsequent layers of the housing wall 16.
  • the layer thickness dI of the inner layer 20, ie its expansion in the radial direction R, is compared to the total thickness d of the housing wall 16 is small. Since the inner layer 20 transmits the pressure p of the steam D acting on it, ie its pressure force F p , to the other layers, the material used only has to have the highest possible elasticity and high temperature resistance.
  • An intermediate layer 22 which is designed in the form of a bulk material, adjoins the inner layer 20 for thermal insulation.
  • sand S is expediently used as bulk material.
  • the intermediate layer 22 is pressure-resistant or pressure-resistant, so that an incompressible insulation layer is formed.
  • their layer thickness dZ causes the temperature T to decrease, as is illustrated by the temperature diagram on the left in FIG. 2 along the extent in the radial direction R of the housing wall 16.
  • the intermediate layer 22, on the other hand serves to receive and transmit the compressive force F p of the steam D acting on the inner layer 20 to an outer layer 24.
  • the outer layer 24 forms the force-bearing element of the overall assembly of the housing wall 16 and absorbs the pressures passed on through the intermediate layer 22 as a result of the vapor pressure p in the pressure chamber 18. It thus bears the pressure force F p generated by the internal pressure between the inner housing 8 and the pressure or outer housing 10.
  • the temperature to be controlled by the outer layer 24 is - as illustrated in the diagram on the left in FIG. 2 - much lower than the temperature T of the steam D due to the temperature gradient in the radial direction R along the intermediate layer 22.
  • the material used for the outer layer 24, e.g. cast iron, can have a low temperature resistance compared to the inner layer 20 exhibit. It can also be a compared to the intermediate layer 22 low wall thickness or layer thickness dA can be realized.
  • the basic radial stress curve ⁇ is illustrated in the diagram on the right in FIG. 2.
  • An insulating layer 26 can be used for additional thermal insulation be provided for thermal insulation, the outer layer 24 and thus encloses the entire assembly of the housing wall 16.
  • a Cooling channel system 28 may be provided, which is from a coolant K, for example, already relaxed steam D ' becomes.
  • the cooling channel system 28 can alternatively or additionally also be provided in the intermediate layer 22 or on the outside the outer layer 24. Due to the thickness dW and by the additional cooling of the outer layer 24 and / or the Intermediate layer 22 can set its temperature in such a targeted manner be that on the one hand low heat losses via the Housing wall 16 occur, and that on the other hand, the force-bearing Function is further improved.
  • FIG 3 shows a further variant with one of two partial layers 24a and 24b built-up outer layer 24.
  • the two partial layers 24a and 24b consist of different materials thermal expansion coefficient (material pairing).
  • FIG. 4 also shows a variant in which the outer layer 24 again from a first partial layer 24a 'and a second Partial layer 24b 'is executed.
  • the inner, second partial layer 24b ' serves only to separate the Intermediate layer 22 and the wound or with tension element layers provided partial layer 24a 'and can therefore be thin-walled accordingly be executed.
  • the partial layer 24a 'can also consist of steel layers (Sheet metal layers) wound or built up.
  • FIG. 5 shows a casting mold 100 with a filling opening (feeder) 102 and with an access opening (riser) 103 as well with a number of cores 104a, 104b for.
  • the mold 100 forms in connection with the arrangement shown the cores 104a, 104b are rotationally symmetrical and U-shaped Hollow profile 106 with an external cavity or Cavity leg for the later outer layer 24 and an inner one Cavity leg for the later inner layer 20 the housing wall 16.
  • the cavity profile 106 to be filled with a casting material G. is by means of a model representing the housing wall 16 in the lost mold 100 made of fine-grained molding material F made. To do this, a sub-box 100a and then an upper box 100b as mold boxes of the mold 100 stamped on the model.
  • the mineral Molding material F, the mineral components provided with binders contains, solidified. After the model from the Mold boxes 100a, 100b has been excavated, the Cores 104a, 104b inserted into the mold 100. You can the cores 104a, 104b in the longitudinal and circumferential directions by means of Core iron be reinforced.
  • the mold boxes 100a, 100b have been closed is, the casting material G via the filling opening 102 in filled the hollow profile 106, with the riser 103 Flow the casting material G back into the hollow section 106 can.
  • a circumferential collar 107 on the core 104b is used for Absorption of forces or moments due to core weight or due to core buoyancy during the casting process may occur.
  • the casting mold 100 of the cast housing wall 16 removed. Then be the central one representing the housing interior 108 Core 104a and partially the annular intermediate core 104b away. The between the outer layer 24 and the inner layer 20th the part of the core 104b lying on the housing wall 16 remains as Intermediate layer 22 (FIG 6) in the cast component.
  • This along the dashed dividing line 109 separated from the core 104b Part is thus advantageously insulation material at the same time inside the housing wall 16 a manufacturing step regarding the realization of the intermediate layers 22 saved.
  • the corresponding one Part of the core 104b as an intermediate layer 22 during the solidification process of the casting material G within the cavity profile 106 between the outer layer 24 and the inner layer 20 of the Housing wall 16 embedded positively and non-positively.
  • FIG. 6 shows sections of a preferred additional Core bearing in the apex area of the hollow profile 106 are several, e.g. B. four, distributed over the circumference Pin 110 provided. This over part of its length in the space between the outer layer 24 and the inner layer 20 protruding pins 110 lie on one on the core 104a provided collar 111 on, for. B. in recesses provided there.
  • the pins 110 are preferably part of this of the core 104b. Following the casting process, the Pin 110 removed. Can in the resulting openings then appropriate thread for screwing on a housing cover be introduced, which is then tightly welded becomes.
  • each wall layer can be designed to save 20 to 24 materials and be optimized in terms of their function. That I the inner layer 20 on the intermediate layer 22 and this on the Outer layer 24 supports and the existing internal pressure only this must be transferred in relation to the whole Wall thickness small wall thickness of the inner layer 20 required.
  • the casting material used is preferably 9% to 11% chromium steel, especially 10% chrome steel, with a ferritic / bainitic Mixed structure, used.
  • FIG 7 shows a simplified representation of the one above Line of symmetry or axis of rotation 112 lying part of a Mold 100 ', which - analogous to FIG 5 - an upper mold box 100b 'represents.
  • the one above the axis of rotation 112 lying part of the housing interior 108 filling core 104a defines an L-shaped cavity profile 120, whose legs 120a and 120b in turn fine-grained molding material F modeled existing mold 100 ' have been.
  • the inner layer is first 20 by filling the cavity 120 by means of the casting material G manufactured.
  • the outer layer 24 are produced. It makes a difference the mold 100 'of the alternative according to FIG 7 in essentially due to the radial expansion of the core 104a, 104b. This represents the later housing interior 108 and the one required for the inner layer 20 and the intermediate layer 22 Room.
  • the provided cavity 121 in turn has an L-shaped profile with a short leg 121a and a long leg 121b.
  • Cavity 120 is the short leg 121a on the short legs 120a of the inner layer 20 opposite Arranged side and aligned to the axis of rotation 112.
  • FIG. 9 shows the production of the multi-layer housing wall 16 in another manufacturing step in which, together with the housing interior 108 representing core 104a either the 7 in the first manufacturing step prefabricated inner layer 20 or that according to the alternative 8 prefabricated outer layer 24 in the corresponding Mold 100 'is inserted. At the same time it becomes the Core 104b representing intermediate layer 22 in the previously corresponding modeled mold 100 'inserted. Depending on the alternative the cavity 120 for the inner layer 20 or the cavity 121 is formed for the outer layer 24. Subsequently this cavity 120 or 121 is poured out. Even with the Housing wall 16 produced in this way remains Core 104b as an intermediate layer 22 in the cast component.
  • Insulation material also in the required wall thickness and Shaping applied to the already prefabricated layer 24, 20 become.
  • the insulation material should be like this applied and possibly reinforced that this corresponds to the requirements of the further casting process. to Reinforcement can be used, for example, core iron.
  • the shape of the insulation material can also by special Core forms are made into the ones already made or prefabricated layer 24, 20 inserted and with insulation material is reshaped. This way with insulation material formed and inserted into the mold 100 ' Casting then practically forms a core, the one the layers 24, 20 of the later housing wall 10 already contains and after the further casting process in the finished Component remains.
  • a reliable connection of the one after the other Castings or layers 24, 20 on the contact surfaces of the Legs 120a and 121b or 120b and 121a are made by positive locking, Non-positive, material or a combination of these inferences.
  • a subsequent connection establishment for example, by welding.
  • By the casting order is a desired one due to shrinkage Compression of the insulation material between the surrounding Wall parts or wall layers 24, 22 can be reached. This effect can be achieved through appropriate casting technology Measures, for example through targeted cooling, are supported become.
  • a U-shaped profile part 106 'as Housing wall 16 according to one of the so-called forming, joining or separating or ablative manufacturing processes manufactured.
  • a cylindrical housing wall 16 for producing the U-profile part 106 'with an inner layer 20 and a die Outer layer 24 representing legs are cast.
  • a die Outer layer 24 representing legs
  • the outer layer 24 With a combination of low-melting material, e.g. GGG, for the outer layer 24 and high-melting material, e.g. Ferrite or austenite is suitable for the inner layer 20 particularly - just like that described with reference to FIGS. 7 to 9 Manufacturing process - that illustrated with reference to FIG 11 Production method.
  • the two Layers 24 and 20 separately, e.g. in a reshaping manufacturing process, manufactured and then together Formation of the U-profile part 106 'assembled.
  • the composite Profiles of the outer layer 24 and the inner layer 20 can be different.
  • the insulation material is in the form of the bulk material S during the joining of the two layers 24 and 20 in the Gap 122 introduced as an intermediate layer 22 and then compacted.
  • poured sand S is in contrast to one massive material, such as a metallic Material, achieved a relatively good thermal insulation, whereby the sand S is special in terms of the required shape adapts well to the circumstances.
  • the sand S should be compacted State between the outer layer 24 and the inner layer 20. To maintain a minimum pressure on the Sand S, the inner layer 20 and the outer layer 24 are biased.

Landscapes

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Turbinengehäuse mit einer mehrlagigen Gehäusewand, die zwischen einer einen Druckraum abdichtenden Innenlage und einer krafttragenden Außenlage eine druckfeste Zwischenlage zur Wärmeisolierung aufweist. Sie bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gehäuses. Unter Turbinengehäuse wird hierbei insbesondere das Außengehäuse einer Hochdruck-Dampfturbine verstanden.
In einer als Kraftmaschine arbeitenden Turbine wird die potentielle Energie eines strömenden Arbeitsmittels, wie z.B. Gas oder Dampf, in mechanische Arbeit umgewandelt. Dazu umfaßt die Turbine als wesentliche Elemente ein Laufrad und ein feststehendes Leitrad. So wird in einer Dampfturbine als Strömungsmedium dienender Dampf bis zur Kondensation arbeitsleistend entspannt. Die konstruktive Ausgestaltung der Dampfturbine wird dabei insbesondere von den Dampfzuständen, d.h. dem Dampfdruck und der Dampftemperatur, bestimmt.
Aus dem Wunsch nach einem möglichst hohen Wirkungsgrad einer Dampfturbine resultiert das Bestreben nach besonders hohen Dampfzuständen. Eine Erhöhung des Frischdampfdrucks, z. B. auf 300bar, und der Frischdampftemperatur, z. B. auf 600°C, erfordert bei einer Hochdruckturbine eine der Temperatureinwirkung entsprechende Werkstoffwahl und eine der Beanspruchung aufgrund des bei hoher Temperatur herrschenden Innendrucks entsprechende Wanddicke des Turbinengehäuses. Zu beachten ist dabei, dass die zulässigen Spannungen mit zunehmender Bauteiltemperatur deutlich abnehmen. Zur Aufnahme der Druckkräfte durch das Turbinengehäuse wäre somit eine entsprechend größere Wandstärke erforderlich.
Die für hohe Dampfzustände erforderlichen Gehäuseteile aus temperaturbeständigen Werkstoffen mit großer Wanddicke bewirken angesichts der hohen Kosten für derartige Werkstoffe erhebliche Materialkosten. Einer Zunahme der Wandstärke steht jedoch auch der Aspekt der Herstellbarkeit entgegen, insbesondere der Gießbarkeit der Legierungen bei den notwendigen Wandstärken. Weitere zu berücksichtigende Aspekte sind das Betriebsverhalten der Turbine hinsichtlich der vom Anwärmund Abkühlverhalten der Gehäuseteile beeinflußten An- und Abfahrzeiten sowie die Handhabung aufgrund der mit der Wandstärke zunehmenden Masse. Ferner ist zu berücksichtigen, dass beim Turbinengehäuse die Wandstärke nicht nur mit steigendem Druck zunimmt, sondern dass auch mit zunehmender Temperatur die Festigkeit der üblichen Werkstoffe abnimmt.
Zur Wärmeisolation eines Außengehäuses einer Hochdruckturbine ist es aus der DE 195 35 227 A1 bekannt, an der Innenseite des Außengehäuses eine Isolationsschicht anzuordnen, die innenseitig mit einer Verkleidung versehen ist. Bei dieser mehrlagig ausgebildeten Gehäusewand ist als Isolationsschicht eine gießbare Keramik oder ein gießbarer Feuerleichtbeton vorgesehen. Nachteilig bei dieser Ausführung ist jedoch, dass die ausgehärtete Isolationsschicht infolge betriebsbedingter Wärmespannungen zur Bruchbildung neigt. Dies kann in unerwünschter Weise zur Bildung von Rissen in den benachbarten Lagen, insbesondere in der Außenlage, führen.
Aus der AT-PS 381 367 ist darüber hinaus bekannt, im Dampfraum einer Dampfturbine einen metallischen Isolationskörper, insbesondere in Form von Metallfasern, vorzusehen. Da der im Dampfraum vorgesehene Isolierkörper mit dem als isolierendes Medium dienenden Dampf direkt in Kontakt gelangt, müssen die Metallteile einerseits genügend groß sein, um nicht vom Dampfstrom mit der Folge einer Zerstörung der Turbine mitgerissen zu werden. Andererseits ist eine genügend lockere Schüttung der Metallteile erforderlich, damit der Dampf den Isolationskörper zumindest annähernd ungehindert durchströmen kann. Eine ausreichende Wärmeisolation und Druckfestigkeit wird mit einem derartigen metallischen Isolationskörper nicht erzielt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein mehrlagiges Turbinengehäuse für eine Hochdruckturbine anzugeben, das durch Einsatz einer besonders geeigneten, druckfesten Zwischenschicht zur Wärmeisolation eine Realisierung auch hoher Dampfzustände, d.h. eines hohen Drucks und einer hohen Temperatur, des Strömungsmediums ermöglicht. Des Weiteren soll ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung eines mehrwandigen Turbinengehäuses für eine Hochdruckturbine angegeben werden.
Bezüglich des. Turbinengehäuses wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Dazu weist das Turbinengehäuse eine dreilagige Gehäusewand mit einer druckfesten und wärmeisolierenden Zwischenlage aus einem nichtmetallischen Schüttgut auf, das zwischen einer den Druckraum abdichtenden Innenlage und einer krafttragenden Außenlage vorgesehen ist.
Besonders zweckmäßig ist dabei die Verwendung von Sand als Schüttgut für die Zwischenlage. Die Zwischenlage erfüllt dann in besonders vorteilhafter Weise die Funktion einer wärmeisolierenden Schicht, über deren Dicke oder radialer Ausdehnung ein Abbau der Temperatur (Temperaturgradient) erfolgt. Die Zwischenlage nimmt die Druckkräfte der Innenlage auf und leitet diese weiter. Sie ist daher sowohl druckbeständig als auch temperaturbeständig, hat jedoch keine dichtende Funktion. Dabei ist eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit von Vorteil, da diese die Stärke der Isolationsschicht und den Wärmestrom bestimmt. Wesentlich dabei ist, dass bei Verwendung von Sand als Zwischenlage dieser im Gegensatz zu einem massiven Werkstoff, wie beispielsweise einem metallischen Werkstoff, eine relativ gute Wärmeisolation erreicht und sich bezüglich der erforderlichen Form besonders gut an die Gegebenheiten anpasst.
Gegenüber einem im ausgehärteten Zustand starren keramischen Werkstoff oder einem gießbaren Feuerleichtbeton sowie gegenüber einer Mauerung ist bei Verwendung von Sand als Isolationsschicht die Gefahr eines Anrisses in den benachbarten Lagen vermieden, da in der Zwischenlage keine Spannungskonzentrationen mit einem plötzlich auftretenden Bruch der Isolationsschicht auftreten können.
Die dem Strömungsmedium zugewandte und diesem direkt ausgesetzte Innenlage der Gehäusewand erfüllt lediglich die Funktion der Abdichtung des Druckraums und trennt das Medium von den weiteren Lagen. Dazu ist eine im Verhältnis zur gesamten Dicke der Wandung geringe Wandstärke erforderlich, da diese Innenlage sich an den äußeren Lagen abstützt und den bestehenden Innendruck nur an diese übertragen muß. Die Innenlage besteht vorzugsweise aus einem temperaturbeständigen und dehnfähigen Material, da diese den mechanisch und thermisch bedingten Dehnungen der anderen Lagen folgen muß. Als Werkstoff für die Innenlage wird daher zweckmäßigerweise hochwarmfester Chrom-Stahl oder Stahlguß, vorzugsweise 10%-Chrom-Stahl mit einem ferritisch/bainitischen Mischgefüge, verwendet.
Die Außenlage dient zur Aufnahme der durch die Isolierschicht der Zwischenlage weitergeleiteten Pressungen infolge des Medium-Drucks und trägt die durch den Innendruck im Turbinengehäuse erzeugten Kräfte. Die Außenlage bringt somit die Gegenkraft zur Druckkraft des Mediums auf. Als Werkstoff für die Außenlage wird ebenfalls zweckmäßigerweise ein ferritisch/bainitisches Mischgefüge verwendet. Da die tragende Außenlage aufgrund der innenliegenden Wärmeisolationsschicht in Form der geschütteten Zwischenlage eine deutlich unterhalb der Mediums-Temperatur liegende Temperatur aufweist, kann hier jedoch ein kostengünstiger Werkstoff (GGG oder GS) mit vergleichsweise geringer oder niedriger Temperaturbeständigkeit verwendet werden. Gleichzeitig kann eine geringe Wandstärke realisiert werden, da bei geringer Temperatur eine vergleichsweise hohe ertragbare Spannung vorliegt. Somit werden erhebliche Einsparungen hinsichtlich der entstehenden Materialkosten erzielt.
Bei einer aus zwei Teillagen zusammengesetzten Außenlage weisen diese vorzugsweise unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Durch Verwendung einer geeigneten Materialpaarung in der Art eines "Bimetalls" können die Eigenschaften der Außenlage variiert werden, z.B. hinsichtlich deren Temperaturausdehnung und der Nachgiebigkeit gegenüber dem Innendruck des Turbinengehäuses. Dadurch können die Beanspruchungen der Innenlage aufgrund von Temperaturdehnungen und des Innendrucks reduziert werden. Auch ist eine besonders flexible Anpassung der Steifigkeit und Wärmedehnung unter Berücksichtigung einer besonders geringen Beanspruchung der Innenlage an den jeweiligen Anwendungsfall möglich.
Alternativ kann die äußere der beiden Teillagen auch aus Blechlagen aufgebaut oder gewickelt sein, wobei dann die relativ dünnwandige innere Teillage lediglich zur Trennung der Zwischenlage von der Wicklungslage dient. Bei dem gewickelten Aufbau wird vorzugsweise ein mit Kohlefasern verstärkter Werkstoff verwendet. Insgesamt kann das Werkstoffkonzept an die jeweilige, durch den Druck und die Temperatur des Mediums bestimmte Anwendung angepaßt werden.
Durch eine geeignete Wahl der Isolationsstärke der Zwischenlage und durch eine Kühlung der Außenlage kann deren Temperatur gezielt derart eingestellt werden, dass einerseits geringe Wärmeverluste auftreten, und dass andererseits die Funktion des krafttragenden Elements sichergestellt ist. Durch zusätzliche Kühlung der Zwischenlage kann dieser Effekt noch verstärkt werden. Die Außenlage kann wiederum von einer Wärmeisolation umgeben sein, die dann eine im Vergleich zu bisherigen Isolationen geringe Isolationswirkung aufweisen muß.
Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 15.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der auf diesen rückbezogenen Unteransprüche.
Gemäß dieser Lösung wird das die Zwischenlage bildende Isolationsmaterial in einen im vorgefertigten Wandbauteil der Gehäusewand gebildeten Zwischenraum eingebracht und verdichtet. Das Wandbauteil kann dabei bereits einteilig oder zweiteilig aus der Außenlage und aus der Innenlage aufgebaut sein. Beim zweiteiligen Aufbau wird das die Zwischenlage bildende Isolations- oder Füllmaterial während des Zusammenfügens der Außen- und Innenlage in den Zwischenraum eingebracht. Die Außen- und Innenlage kann dann wiederum gegossen oder aus einem Blechmaterial geformt sein.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch das Einsetzen einer wärmeisolierenden Zwischenlage in Form eines nichtmetallischen, anorganischen Schüttgutes, vorzugsweise Sand, zwischen eine vergleichsweise dünnwandige Innenlage und eine entsprechend dünnwandige Außenlage eines mehrlagigen Turbinengehäuses einerseits eine Rißbildung in den Lagen infolge von Wärmedehnungen vermieden ist. Bei Verwendung von Sand als Zwischenlage werden gleichzeitig die Aufgaben einer Wärmeisolierung und einer mechanischen Druckfestigkeit besonders zuverlässig erfüllt, wobei der Sand durch Wärmespannungen hervorgerufenen Gehäusebiegungen im Vergleich zu einer erstarrten Zwischen- oder Isolierschicht besonders gut folgen kann. Dies führt zu einem besonders vorteilhaften Verhalten des aus der Außenlage und der Innenlage sowie der Zwischenlage gebildeten Verbundes der Gehäusewand. Andererseits kann die zur Kraftaufbringung dienende Außenlage auf besonders geringem Temperaturniveau gehalten werden und somit deren Funktion zuverlässig erfüllen. Dies führt zu einem besonders vorteilhaften Verhalten des aus der Außenlage und der Innenlage sowie der Zwischenlage gebildeten Verbundes der Gehäusewand.
Durch die Trennung der Gehäusewand des Außengehäuses einer Hochdruckturbine in einzelne Lagen mit besonderen Funktionen wird im Vergleich zu einem entsprechend dickwandigen Gehäuse eine erhebliche Material- und damit Kostenreduzierung erzielt. Dabei kann jede Wandlage materialsparend ausgelegt und bezüglich deren Funktion optimiert werden. Zur Aufrechterhaltung eines Mindestdrucks auf das Schüttgut sind vorteilhafterweise die Innenlage und die Außenlage gewissermaßen vorgespannt, so dass das Schüttgut in verdichtetem Zustand zwischen der Außenlage und der Innenlage vorliegt.
Während die Innenlage vorzugsweise einteilig ist, kann die Außenlage einteilig oder aus Teillagen zusammengesetzt sein, die dann vorzugsweise einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Dadurch werden die von der Innenlage aufzunehmenden Dehnungen reduziert, so dass diese den durch das Dehnungsverhalten der Verbundpartner aufgeprägten Verformungen unter Vermeidung der Gefahr eines Anrisses besonders zuverlässig folgen kann. Durch eine Kühlung der Außenlage wird eine weitere Reduzierung deren Temperaturniveaus erzielt.
Das derart aufgebaute Turbinengehäuse erfüllt daher auch bei sehr hohen Temperaturen und betriebsbedingten Temperaturänderungen sowie bei hohen Dampfdrücken - und damit bei hohen Dampfzuständen - zuverlässig die Funktion der Abdichtung des eingeschlossenen Mediums einerseits und der Erzeugung einer Gegenkraft zur Druckkraft des umschlossenen Mediums andererseits.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1
in Seitenansicht einen Längsschnitt durch eine Hochdruck-Dampfturbine mit einem Innengehäuse und mit einem Außengehäuse,
FIG 2 bis 4
einen Ausschnitt II, III bzw. IV des Außengehäuses gemäß FIG 1 mit alternativen Varianten einer mehrlagigen Gehäusewand,
FIG 5
10 in perspektivischer, teilweise aufgeschnittener Darstellung einen mehrlagigen Gehäuseabschnitt in einer Gußform mit mehreren Kernen,
FIG 6
im Längsschnitt einen Ausschnitt VI aus FIG 5 mit einer zusätzlichen Kernlagerung,
FIG 7 bis 9
im Längsschnitt Gußformen zur stufenweisen Herstellung eines mehrlagigen Gehäuseabschnitts, sowie
FIG 10 und 11
die Einbringung einer Zwischenlage in einen doppelwandigen, ein- bzw. mehrteiligen Gehäusewandabschnitt im Längsschnitt.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Hochdruck-Dampfturbine oder Hochdruckturbine 1 gemäß FIG 1 umfaßt eine Turbinenwelle 2 mit daran befestigten Laufschaufeln 4 und ein Leitschaufeln 6 tragendes Innengehäuse 8 sowie ein dieses umgebendes Außengehäuse oder Druckgehäuse 10. Über eine Einströmöffnung 12 in die Hochdruckturbine 1 einströmender Frischdampf D wird entlang der Leit- und Laufschaufeln 4, 6 geführt und dabei arbeitsleistend entspannt, wodurch die Turbinenwelle 2 in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Der entspannte Dampf D' verläßt die Hochdruckturbine über eine Abströmöffnung 14, beispielsweise zu einer (nicht dargestellten) Mitteldruck-Teilturbine. Ein zwischen dem Innengehäuse 8 und dem Druckgehäuse 10 gebildeter Druckraum 18 wird im Ausführungsbeispiel mit dem Frischdampf D - mit einer Dampftemperatur T von z. B. 600°C bei einem Dampfdruck p von z. B. 300bar - beaufschlagt.
FIG 2 zeigt den mehrlagigen Aufbau der Gehäusewand 16 des Außen- oder Druckgehäuses 10 der Hochdruckturbine 1 in einer ersten Variante. Die Gehäusewand 16 umfaßt eine dem Frischdampf D unmittelbar ausgesetzte Innenlage 20. Diese ist temperaturbeständig und besteht beispielsweise aus hochwarmfestem Stahl. Die Innenlage 20 dient der Abdichtung des zwischen dem Innengehäuse 8 und dem Druckgehäuse 10 der Hochdruck-Dampfturbine gebildeten Druckraums 18 und trennt den Dampf D von den nachfolgenden Lagen der Gehäusewand 16. Die Lagendicke dI der Innenlage 20, d.h. deren Ausdehnung in Radialrichtung R, ist im Vergleich zur Gesamtdicke d der Gehäusewand 16 gering. Da die Innenlage 20 den auf diese wirkenden Druck p des Dampfes D, d. h. dessen Druckkraft Fp, an die weiteren Lagen weiterleitet, muß der verwendete Werkstoff lediglich eine möglichst hohe Dehnfähigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen.
An die Innenlage 20 schließt sich zur Wärmeisolierung eine Zwischenlage 22 an, die in Form eines Schüttgutes ausgeführt ist. Dazu wird als Schüttgut zweckmäßigerweise Sand S verwendet. Dadurch ist die Zwischenlage 22 druckbeständig oder druckfest, so dass eine inkompressible Isolationsschicht gebildet ist. Über deren Lagendicke dZ erfolgt einerseits ein Abbau der Temperatur T, wie dies anhand des in der FIG 2 linken Temperaturdiagramms entlang der Ausdehnung in Radialrichtung R der Gehäusewand 16 veranschaulicht ist. Die Zwischenlage 22 dient andererseits zur Aufnahme und Weiterleitung der auf die Innenlage 20 wirkenden Druckkraft Fp des Dampfes D an eine Außenlage 24.
Die Außenlage 24 besteht - ebenso wie die Innenlage 20 - vorzugsweise aus ferritischem/bainitischem Stahl, z.B. aus Chrom-Stahl. Die Außenlage 24 bildet das krafttragende Element des Gesamtverbundes der Gehäusewand 16 und nimmt die durch die Zwischenlage 22 weitergeleiteten Pressungen infolge des Dampfdrucks p im Druckraum 18 auf. Sie trägt somit die durch den Innendruck zwischen dem Innengehäuse 8 und dem Druck- oder Außengehäuse 10 erzeugte Druckkraft Fp. Die von der Außenlage 24 zu beherrschende Temperatur ist - wie in dem in FIG 2 linken Diagramm veranschaulicht - aufgrund des Temperaturgefälles in Radialrichtung R entlang der Zwischenlage 22 wesentlich niedriger als die Temperatur T des Dampfes D.
Der für die Außenlage 24 verwendete Werkstoff, z.B. Grauguß, kann eine im Vergleich zur Innenlage 20 geringe Temperaturbeständigkeit aufweisen. Dabei kann gleichzeitig ebenfalls eine im Vergleich zur Zwischenlage 22 geringe Wandstärke oder Lagendicke dA realisiert werden . Der prinzipielle Radialspannungsverlauf σ ist in dem in FIG 2 rechten Diagramm veranschaulicht.
Zur zusätzlichen Wärmeisolation kann eine Isolierschicht 26 zur Wärmeisolierung vorgesehen sein, die die Außenlage 24 und somit den gesamten Verbund der Gehäusewand 16 umschließt. Des weiteren kann zur Kühlung der Außenlage 24 diese mit einem Kühlkanalsystem 28 versehen sein, das von einem Kühlmittel K, beispielsweise bereits entspanntem Dampf D', beaufschlagt wird. Das Kühlkanalsystem 28 kann alternativ oder zusätzlich auch in der Zwischenlage 22 vorgesehen sein oder auf der Außenseite der Außenlage 24 liegen. Durch die Dicke dW und durch die zusätzliche Kühlung der Außenlage 24 und/oder der Zwischenlage 22 kann deren Temperatur gezielt derart eingestellt werden, dass einerseits geringe Wärmeverluste über die Gehäusewand 16 auftreten, und dass andererseits die krafttragende Funktion weiter verbessert ist.
FIG 3 zeigt eine weitere Variante mit einer aus zwei Teillagen 24a und 24b aufgebauten Außenlage 24. Die beiden Teillagen 24a und 24b bestehen aus Werkstoffen unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten (Materialpaarung). Dadurch ist eine besonders flexible Anpassung an unterschiedliche Anwendungsfälle bei gleichzeitiger Minderung der Beanspruchung der Innenlage 20 und ausreichender Steifigkeit sowie hinreichender Wärmedehnung des gesamten Verbundes der Gehäusewand 16 möglich.
FIG 4 zeigt ferner eine Variante, bei der die Außenlage 24 wiederum aus einer ersten Teillage 24a' und einer zweiten Teillage 24b' ausgeführt ist. Dabei ist die äußere, erste Teillage 24a' gewickelt ausgeführt, wobei vorzugsweise ein mit Kohlefasern verstärkter Werkstoff verwendet wird. Die innere, zweite Teillage 24b' dient lediglich zur Trennung der Zwischenlage 22 und der gewickelten oder mit Zugelementlagen versehenen Teillage 24a' und kann daher entsprechend dünnwandig ausgeführt sein. Die Teillage 24a' kann auch aus Stahllagen (Blechlagen) gewickelt oder aufgebaut sein.
FIG 5 zeigt eine Gußform 100 mit einer Einfüllöffnung (Speiser) 102 und mit einer Aufstiegsöffnung (Steiger) 103 sowie mit einer Anzahl von Kernen 104a, 104b zum. Gießen der mehrlagigen zylindrischen Gehäusewand 16 und damit zur Herstellung des Außen- oder Druckgehäuses 10 der Dampfturbine 1. Die Gußform 100 bildet in Verbindung mit der dargestellten Anordnung der Kerne 104a, 104b ein rotationssymmetrisches und U-förmiges Hohlprofil 106 mit einem außenliegenden Hohlraum oder Hohlraumschenkel für die spätere Außenlage 24 und einem innenliegenden Hohlraumschenkel für die spätere Innenlage 20 der Gehäusewand 16.
Das mit einem Gußwerkstoff G auszufüllende Hohlraumprofil 106 wird mittels eines die Gehäusewand 16 repräsentierenden Modells in der verlorenen Gußform 100 aus feinkörnigem Formstoff F hergestellt. Dazu werden ein Unterkasten 100a und anschließend ein Oberkasten 100b als Formkästen der Gußform 100 auf das Modell aufgestampft. Dabei wird der mineralische Formstoff F, der mit Bindemitteln versehene mineralische Bestandteile enthält, verfestigt. Nachdem das Modell aus den Formkästen 100a, 100b ausgehoben worden ist, werden die Kerne 104a, 104b in die Gußform 100 eingelegt. Dabei können die Kerne 104a, 104b in Längs- und Umfangsrichtung mittels Kerneisen verstärkt sein. Nachdem die Gußform 100 durch Zusammensetzten der Formkästen 100a, 100b geschlossen worden ist, wird der Gußwerkstoff G über die Einfüllöffnung 102 in das Hohlprofil 106 eingefüllt, wobei in den Steiger 103 gelangter Gußwerkstoff G in das Hohlprofil 106 zurückfließen kann. Ein umlaufender Bund 107 am Kern 104b dient dabei zur Aufnahme von Kräften oder Momenten, die aufgrund des Kerngewichtes oder infolge eines Kernauftriebs beim Gießvorgang auftreten können.
Nach Erstarrung des Gußwerkstoffs G wird die Gußform 100 von der gegossenen Gehäusewand 16 abgenommen. Anschließend werden der den Gehäuseinnenraum 108 repräsentierende zentrale Kern 104a sowie teilweise der ringförmige Zwischenkern 104b entfernt. Der zwischen der Außenlage 24 und der Innenlage 20 der Gehäusewand 16 liegende Teil des Kerns 104b verbleibt als Zwischenlage 22 (FIG 6) im gegossenen Bauteil. Dieser entlang der gestrichelten Trennlinie 109 vom Kern 104b abgetrennte Teil ist somit vorteilhafterweise gleichzeitig Isolationsmaterial innerhalb der Gehäusewand 16. Dadurch wird einerseits ein Herstellungsschritt bezüglich der Realisierung der Zwischenlagen 22 eingespart. Andererseits ist der entsprechende Teil des Kerns 104b als Zwischenlage 22 während des Erstarrungsvorgangs des Gußwerkstoffs G innerhalb des Hohlraumprofils 106 zwischen der Außenlage 24 und der Innenlage 20 der Gehäusewand 16 form- und kraftschlüssig eingebettet.
FIG 6 zeigt ausschnittsweise eine bevorzugte zusätzliche Kernlagerung im Scheitelbereich des Hohlprofils 106. Dabei sind mehrere, z. B. vier, über den Umfang verteilt angeordnete Zapfen 110 vorgesehen. Diese über einen Teil ihrer Länge in den Zwischenraum zwischen der Außenlage 24 und der Innenlage 20 ragenden Zapfen 110 liegen auf einem am Kern 104a vorgesehenen Bund 111 auf, z. B. in dort vorgesehenen Ausnehmungen. Die Zapfen 110 sind dabei vorzugsweise Bestandteil des Kerns 104b. Im Anschluß an den Gießvorgang werden die Zapfen 110 entfernt. In die entstehenden Öffnungen können dann entsprechende Gewinde zum Anschrauben eines Gehäusedekkels eingebracht werden, der anschließend dicht verschweißt wird.
Durch die Aufteilung der Gehäusewand 16, d. h. der Wandung des Druckgehäuses 10, in voneinander getrennte Funktionsträger kann jede Wandlage 20 bis 24 materialsparend ausgelegt und dabei bezüglich deren Funktion optimiert werden. Da sich die Innenlage 20 an der Zwischenlage 22 und über diese an der Außenlage 24 abstützt und den bestehenden Innendruck nur an diese übertragen muß, ist eine im Verhältnis zur gesamten Dicke der Wandung geringe Wandstärke der Innenlage 20 erforderlich. Als Gußwerkstoff wird vorzugsweise 9%- bis 11%-Chrom-Stahl, insbesondere 10%-Chrom-Stahl, mit einem ferritisch/bainitischen Mischgefüge, verwendet.
FIG 7 zeigt in vereinfachter Darstellung den oberhalb einer Symmetrielinie oder Rotationsachse 112 liegenden Teil einer Gußform 100', der - analog zu FIG 5 - einen oberen Formkasten 100b' repräsentiert. Der oberhalb der Rotationsachse 112 liegende Teil des wiederum den späteren Gehäuseinnenraum 108 ausfüllenden Kerns 104a begrenzt ein L-förmiges Hohlraumprofil 120, dessen Schenkel 120a und 120b in die wiederum aus feinkörnigem Formstoff F bestehende Gußform 100' modelliert worden sind. Bei dieser Variante wird zunächst die Innenlage 20 durch Ausfüllen des Hohlraums 120 mittels des Gußwerkstoffs G hergestellt.
Alternativ kann - wie FIG 8 zeigt - auf ähnliche Weise zunächst die Außenlage 24 hergestellt werden. Dabei unterscheidet sich die Gußform 100' von der Alternative gemäß FIG 7 im wesentlichen durch die radiale Ausdehnung des Kerns 104a, 104b. Dieser repräsentiert den späteren Gehäuseinnenraum 108 sowie den für die Innenlage 20 und die Zwischenlage 22 benötigten Raum. Ein zur Herstellung der Außenlage 24 bevorzugt vorgesehener Hohlraum 121 weist wiederum ein L-förmiges Profil mit einem kurzen Schenkel 121a und einem langen Schenkel 121b auf. Im Gegensatz zum für die Innenlage 20 vorgesehenen Hohlraum 120 ist der kurze Schenkel 121a auf der dem kurzen Schenkel 120a der Innenlage 20 gegenüberliegenden Seite angeordnet und auf die Rotationsachse 112 hin ausgerichtet.
FIG 9 zeigt die Herstellung der mehrlagigen Gehäusewand 16 im weiteren Herstellungsschritt, in dem zusammen mit dem den Gehäuseinnenraum 108 repräsentierenden Kern 104a entweder die gemäß der Alternative nach FIG 7 im ersten Herstellungsschritt vorgefertigte Innenlage 20 oder die gemäß der Alternative nach FIG 8 vorgefertigte Außenlage 24 in die entsprechende Gußform 100' eingelegt wird. Gleichzeitig wird der die Zwischenlage 22 repräsentierende Kern 104b in die zuvor entsprechend modellierte Gußform 100' eingelegt. Je nach Alternative wird dabei der Hohlraum 120 für die Innenlage 20 oder der Hohlraum 121 für die Außenlage 24 gebildet. Anschließend wird dieser Hohlraum 120 bzw. 121 ausgegossen. Auch bei der auf diese Weise hergestellten Gehäusewand 16 verbleibt der Kern 104b als Zwischenlage 22 im gegossenen Bauteil.
Anstelle des Einlegens eines separaten Kerns 104b kann das Isolationsmaterial auch in der erforderlichen Wandstärke und Formgebung auf die bereits vorgefertigte Lage 24, 20 aufgetragen werden. Dabei sollte das Isolationsmaterial derart aufgebracht und gegebenenfalls verstärkt werden, dass dieses den Anforderungen des weiteren Gießprozesses entspricht. Zur Verstärkung können beispielsweise Kerneisen verwendet werden. Die Formgebung des Isolationsmaterials kann auch durch spezielle Kernformen vorgenommen werden, in die die bereits hergestellte oder vorgefertigte Lage 24, 20 eingelegt und mit Isolationsmaterial umformt wird. Das auf diese Weise mit Isolationsmaterial umformte und in die Gußform 100' eingelegte Gußstück bildet dann praktisch wiederum einen Kern, der eine der Lagen 24, 20 der späteren Gehäusewand 10 bereits enthält und im Anschluß an den weiteren Gießvorgang im fertiggestellten Bauteil verbleibt.
Eine zuverlässige Verbindung der nacheinander hergestellten Gußteile oder Lagen 24, 20 an den Berührungsflächen der Schenkel 120a und 121b bzw. 120b und 121a erfolgt durch Formschluß, Kraftschluß, Stoffschluß oder durch eine Kombination dieser Schlußarten. Auch kann eine nachträgliche Verbindungsherstellung, beispielsweise durch Schweißung, erfolgen. Durch die Gießreihenfolge ist infolge Schrumpfung eine gewünschte Druckvorspannung des Isolationsmaterials zwischen den umschließenden Wandungsteilen oder Wandungslagen 24, 22 erreichbar. Dieser Effekt kann durch entsprechende gießtechnische Maßnahmen, beispielsweise durch gezieltes Kühlen, unterstützt werden.
Ein wesentlicher Vorteil der stufenweisen Herstellung der Gehäusewand 16 im Vergleich zur einstufigen Herstellung gemäß dem Ausführungsbeispiel nach FIG 5 liegt in der Kombinierbarkeit verschiedener Werkstoffe entsprechend den unterschiedlichen Anforderungen an die Innenlage 20 bzw. an die Außenlage 24. Ein weiterer Vorteil besteht in der vergleichsweise einfachen Gestaltung der jeweils bereitzustellenden Gußform 100'. Demgegenüber liegt der wesentliche Vorteil des Herstellungsverfahrens gemäß dem Ausführungsbeispiel nach FIG 5 in dem lediglich einzigen erforderlichen Gießschritt.
Bei einem alternativen Herstellungsverfahren nach den Figuren 10 und 11 wird zunächst ein U-förmiges Profilteil 106' als Gehäusewand 16 nach einem der sogenannten umformenden, fügenden oder trennenden bzw. abtragenden Fertigungsverfahren hergestellt. Auch kann bei der Variante gemäß FIG 10 zunächst wiederum eine zylindrische Gehäusewand 16 zur Herstellung des U-Profilteils 106' mit einem die Innenlage 20 und einem die Außenlage 24 repräsentierenden Schenkel gegossen werden. Anschließend wird der zwischen den Schenkel des U-Profilteils 106' verbleibende kreisringförmige Zwischenraum 122 zur Bildung der Zwischenlage 22 mit Sand S als Isolationsmaterial gefüllt und dieser verdichtet.
Bei einer Kombination von niedrigschmelzendem Werkstoff, z.B. GGG, für die Außenlage 24 und hochschmelzendem Werkstoff, z.B. Ferrit oder Austenit, für die Innenlage 20 eignet sich besonders - ebenso wie das anhand der Figuren 7 bis 9 beschriebene Herstellungsverfahren - das anhand der FIG 11 veranschaulichte Herstellungsverfahren. Hier werden die beiden Lagen 24 und 20 separat, z.B. in einem umformenden Fertigungsverfahren, hergestellt und anschließend miteinander zur Bildung des U-Profilteils 106' zusammengesetzt. Die dabei zusammengesetzten Profile der Außenlage 24 und der Innenlage 20 können verschiedenartig sein.
FIG 11 zeigt dabei eine mögliche Profilgebung, bei der die Außenlage 24 wiederum L-förmig ist, während die Innenlage 20 eine daran angepaßte Stufenkontur aufweist. Bei dieser Alternative wird das Isolationsmaterial in Form des Schüttgutes S während des Zusammenfügens der beiden Lagen 24 und 20 in den Zwischenraum 122 als Zwischenlage 22 eingebracht und anschließend verdichtet.
Mit dem als Füllstoff für die Zwischenlage 22 wiederum zweckmäßigerweise eingeschütteten Sand S wird im Gegensatz zu einem massiven Werkstoff, wie beispielsweise einem metallischen Werkstoff, eine relativ gute Wärmeisolation erreicht, wobei sich der Sand S bezüglich der erforderlichen Form besonders gut an die Gegebenheiten anpaßt. Somit ist vorteilhafterweise die Gefahr eines Bruches mit infolge einer dadurch hervorgerufenen Spannungskonzentration einem Anriß in den benachbarten Lagen 24, 20 vermieden. Der Sand S sollte in verdichtetem Zustand zwischen der Außenlage 24 und der Innenlage 20 vorliegen. Zur Aufrechterhaltung eines Mindestdrucks auf den Sand S sind die Innenlage 20 und die Außenlage 24 vorgespannt.

Claims (10)

  1. Turbinengehäuse, insbesondere Außengehäuse (10) einer Hochdruckturbine, mit einer mehrlagigen Gehäusewand (16), die zwischen einer einen Druckraum (18) abdichtenden Innenlage (20) und einer krafttragenden Außenlage (24) eine druckfeste Zwischenlage (22) zur Wärmeisolierung aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlage (22) ein nichtmetallisches Schüttgut (S), vorzugsweise Sand, ist.
  2. Turbinengehäuse nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlage (22) im Vergleich zur Innenlage (20) und zur Außenlage (24) dicker ist.
  3. Turbinengehäuse nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Innenlage (20) und/oder die Außenlage (24) aus warmfestem Metall, vorzugssweise aus 10%-Chrom-Stahl, besteht.
  4. Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlage (24) aus mindestens zwei Teillagen (24a,24b) unterschiedlicher thermischer Ausdehnungseigenschaften aufgebaut ist.
  5. Turbinengehäuse nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Teillage (24a') gewickelt ist.
  6. Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine die Außenlage (24) mindestens teilweise umschließende Isolierschicht (26) vorgesehen ist.
  7. Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (28,K) zur Kühlung der Außenlage (24) und/oder der Zwischenlage (22) vorgesehen sind.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Turbinengehäuses mit einer mehrlagigen Gehäusewand (16) mit einer einen Gehäuseinnenraum (108) abdichtenden Innenlage (20) und mit einer druckfesten Zwischenlage (22) zur Wärmeisolierung sowie mit einer krafttragenden Außenlage (24),
    dadurch gekennzeichnet, dass in einen Zwischenraum (122) eines U-förmigen Profilteils (106') ein Füllstoff als Zwischenlage (22) eingebracht wird, wobei als Füllstoff ein nichtmetallisches Schüttgut (S), vorzugsweise Sand, verwendet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass das U-förmige Profilteil (106') mehrteilig ist, wobei während oder nach dem Zusammenfügen der Außenlage (24) und der Innenlage (20) der Füllstoff (E) als Zwischenlage (22) eingebracht wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlage (24) und/oder die Innenlage (20) aus warmfestem Metall, vorzugsweise aus 9%- bis 11%-Chrom-Stahl, gegossen wird.
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