WO1999023359A1 - Turbinengehäuse sowie verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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WO1999023359A1
WO1999023359A1 PCT/DE1998/003122 DE9803122W WO9923359A1 WO 1999023359 A1 WO1999023359 A1 WO 1999023359A1 DE 9803122 W DE9803122 W DE 9803122W WO 9923359 A1 WO9923359 A1 WO 9923359A1
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layer
intermediate layer
housing
outer layer
core
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PCT/DE1998/003122
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English (en)
French (fr)
Inventor
Detlef Haje
Andreas FELDMÜLLER
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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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, which has a pressure-resistant intermediate layer for thermal insulation between an inner layer sealing a pressure chamber and a force-bearing outer layer. It further relates to a method for producing such a housing.
  • Turbine housing is understood here to mean in particular the outer housing of a high-pressure steam turbine.
  • the potential energy of a flowing working medium e.g. Gas or steam
  • the turbine comprises an impeller and a fixed guide wheel as essential elements.
  • steam serving as the flow medium is expanded to perform the work until condensation occurs.
  • the structural design of the steam turbine is particularly dependent on the steam conditions, i.e. the steam pressure and the steam temperature.
  • an increase in the wall thickness is also opposed by the aspect of producibility, in particular the castability of the alloys with the necessary wall thicknesses.
  • Other aspects to be taken into account are the operating behavior of the turbine with regard to the start-up and shutdown times influenced by the heating and cooling behavior of the housing parts, and the handling due to the mass increasing with the wall thickness. It must also be taken into account that the wall thickness of the turbine housing not only increases with increasing pressure, but also that the strength of the usual materials also decreases with increasing temperature.
  • Insulation body can flow through at least approximately unhindered. Sufficient thermal insulation and pressure resistance is not achieved with such a metallic insulation body.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a multi-layer turbine housing for a high-pressure turbine which, through the use of a particularly suitable, pressure-resistant intermediate layer for heat insulation, also realizes high steam states, i.e. a high pressure and a high temperature, the flow medium. Furthermore, a particularly suitable method for producing a multi-walled turbine housing for a high-pressure turbine is to be specified.
  • the object is achieved according to the invention by the features of claim 1.
  • the turbine housing has a three-layer housing wall with a pressure-resistant and heat-insulating intermediate layer made of a non-metallic bulk material, which is provided between an inner layer sealing the pressure chamber and a force-bearing outer layer.
  • the use of sand as bulk material for the intermediate layer is particularly expedient.
  • the intermediate layer then fulfills in a particularly advantageous manner the function of a heat-insulating layer, the thickness or radial expansion of which reduces the temperature (temperature gradient).
  • Intermediate layer absorbs the pressure from the inner layer and passes it on. It is therefore both pressure-resistant and temperature-resistant, but has no sealing function. In this case, the lowest possible thermal conductivity is advantageous, since this is the thickness of the insulation layer and the Heat flow determined. It is essential here that when sand is used as an intermediate layer, in contrast to a solid material such as a metallic material, it achieves a relatively good thermal insulation and adapts particularly well to the circumstances with regard to the required shape.
  • the use of sand as an insulation layer avoids the risk of cracking in the adjacent layers, since no stress concentrations with a sudden breakage of the insulation layer can occur in the intermediate layer .
  • the inner layer of the housing wall facing the flow medium and directly exposed to it merely fulfills the function of sealing the pressure chamber and separates the medium from the other layers.
  • the inner layer preferably consists of a temperature-resistant and stretchable material, since this must follow the mechanical and thermal expansion of the other layers.
  • the outer layer serves to absorb the pressures transmitted through the insulating layer of the intermediate layer as a result of the medium pressure and bears the forces generated by the internal pressure in the turbine housing. The outer layer thus exerts the counterforce to the pressure force of the medium.
  • a ferritic / bainitic mixed structure is also expediently used. Since the load-bearing outer layer has a temperature that is significantly below the medium temperature due to the internal thermal insulation layer in the form of the poured intermediate layer, an inexpensive material (GGG or GS) with comparatively low or low temperature resistance can be used here. At the same time, a small wall thickness can be realized, since at a low temperature there is a comparatively high tolerable voltage. This results in considerable savings in terms of material costs.
  • an outer layer composed of two partial layers these preferably have different coefficients of thermal expansion.
  • the properties of the outer layer can be varied, for example with regard to its temperature expansion and the flexibility with respect to the internal pressure of the turbine housing. This allows the stresses on the inner layer due to thermal expansion and the internal pressure to be reduced a particularly flexible adaptation of the rigidity and thermal expansion is possible, taking into account a particularly low load on the inner layer to the respective application.
  • the outer of the two partial layers can also be constructed or wound from sheet metal layers, in which case the relatively thin-walled inner partial layer only serves to separate the intermediate layer from the winding layer.
  • a material reinforced with carbon fibers is preferably used in the wound structure.
  • the material concept can be adapted to the particular application determined by the pressure and the temperature of the medium. Through a suitable choice of the insulation thickness of the intermediate layer and through cooling of the outer layer, its temperature can be set in such a way that on the one hand low heat losses occur and on the other hand the function of the force-carrying element is ensured.
  • This effect can be intensified by additional cooling of the intermediate layer.
  • the outer layer can in turn be surrounded by thermal insulation, which must then have a low insulation effect compared to previous insulation.
  • a core representing the intermediate layer is inserted into a casting mold and then a cavity forming the outer layer and / or the inner layer is poured out.
  • Additional cores can be inserted into the mold to create additional cavities.
  • pins arranged on the circumference of the core representing the intermediate layer can also be inserted into the mold as an additional core bearing. After the casting and removal of the cast pressure housing from the mold, these pins, which are preferably components of the
  • the housing wall can be produced in a one-step or two-step casting process.
  • a U-shaped hollow profile is created by means of a number of cores in the casting mold, which is preferably made of sand-containing material, which is then in one Pouring process is filled.
  • the prefabricated inner layer or the prefabricated outer layer together with the core representing the intermediate layer are first placed in the casting mold and then a cavity which forms the respective other layer is poured out.
  • the prefabricated layer can also be cast or formed from solid material.
  • the core remains in the cast wall component as a heat-insulating intermediate layer after the casting process. It is thus also an insulating material or material.
  • suitable casting measures such as. If, for example, targeted cooling or insulation of certain areas, the solidification process can be influenced in such a way that the insulation material is under a prestress between the wall layers surrounding it.
  • the intermediate layer is closely integrated into the power flow from the housing interior to the exterior that occurs when the turbine outer housing is used as intended.
  • the insulation material remaining in the housing component after the casting process thus fulfills the double function of thermal insulation and a transmission of the pressure force prevailing within the pressure housing from the inner layer via the intermediate layer to the outer layer in a particularly reliable manner.
  • the insulation material forming the intermediate layer is introduced and compressed in an intermediate space formed in the prefabricated wall component of the housing wall.
  • the wall component can already be in one piece or be built in two parts from the outer layer and from the inner layer.
  • the insulation or filling material forming the intermediate layer is introduced into the intermediate space during the joining of the outer and inner layers.
  • the outer and inner layer can then in turn be cast or formed from a sheet material.
  • Each wall layer can be designed to save material and its function can be optimized.
  • the inner layer and the outer layer are advantageously biased to a certain extent, so that the bulk material is present in a compressed state between the outer layer and the inner layer.
  • the outer layer can be in one piece or composed of partial layers, which then preferably have a different coefficient of thermal expansion. This reduces the strains to be absorbed by the inner layer, so that it can follow the deformations impressed by the stretching behavior of the bond partners in a particularly reliable manner, while avoiding the risk of cracking. Cooling the outer layer further reduces its temperature levels.
  • the turbine housing constructed in this way therefore reliably fulfills the function of sealing the enclosed medium on the one hand and generating a counterforce to the compressive force of the enclosed medium on the other, even at very high temperatures and operational temperature changes and at high steam pressures - and thus at high steam conditions.
  • High pressure steam turbine with an inner casing and with an outer casing
  • FIG. 2 to 4 show a section II, III or IV of the outer housing according to FIG. 1 with alternative variants of a multi-layer housing wall
  • 5 shows a perspective, partially cut-open representation of a multilayer housing section in a casting mold with a plurality of cores
  • FIG. 6 shows in longitudinal section a section VI from FIG. 5 with an additional core bearing
  • FIGS. 10 and 11 the introduction of an intermediate layer into a double-walled, single-part or multi-part housing wall section in longitudinal section.
  • the high-pressure steam turbine or high-pressure turbine 1 comprises a turbine shaft 2 with rotor blades 4 fastened thereon and an inner housing 8 carrying guide vanes 6, as well as an outer housing or pressure housing 10 surrounding this.
  • Live steam D flowing into the high-pressure turbine 1 via an inlet opening 12 is along the guide and rotor blades 4, 6 guided and relaxed while doing work, whereby the turbine shaft 2 is set into a rotational movement.
  • the relaxed steam D 'leaves the high-pressure turbine via an outflow opening 14, for example to a medium-pressure partial turbine (not shown).
  • a pressure chamber 18 formed between the inner housing 8 and the pressure housing 10 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 the live steam D. This is temperature temperature-resistant and consists, for example, of high-temperature steel.
  • the inner layer 20 serves to seal the pressure chamber 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 d1 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 is used to reduce the temperature T, 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 like the inner layer 20, preferably consists of ferritic / bainitic steel, for example of chromium steel.
  • 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 in that in the diagram on the left in FIG. 2 - due to the temperature gradient in the radial direction R along the intermediate layer 22, it is substantially lower than the temperature T of the steam D.
  • the material used for the outer layer 24, e.g. Gray cast iron, can have a low temperature resistance compared to the inner layer 20.
  • a small wall thickness or layer thickness dA in comparison to the intermediate layer 22 can also be realized.
  • the basic radial stress curve ⁇ is illustrated in the diagram on the right in FIG.
  • an insulating layer 26 can be provided for thermal insulation, which encloses the outer layer 24 and thus the entire assembly of the housing wall 16. Furthermore, for cooling the outer layer 24, this can be provided with a cooling channel system 28 which is acted upon by a coolant K, for example steam D 'which has already been released. As an alternative or in addition, the cooling duct system 28 can also be provided in the intermediate layer 22 or lie on the outside of the outer layer 24. Through the thickness dW and through the additional cooling of the outer layer 24 and / or the intermediate layer 22, the temperature thereof can be set in such a way that on the one hand there is little heat loss via the housing wall 16 and on the other hand the force-carrying function is further improved.
  • FIG 3 shows a further variant with an outer layer 24 constructed from two partial layers 24a and 24b.
  • the two partial layers 24a and 24b consist of materials of different thermal expansion coefficients (material pairing). This enables a particularly flexible adaptation to different applications while simultaneously reducing the stress on the inner layer 20 and sufficient rigidity. sufficient thermal expansion of the entire assembly of the housing wall 16 possible.
  • FIG. 4 also shows a variant in which the outer layer 24 is again made up of a first partial layer 24a 'and a second partial layer 24b'.
  • the outer, first partial layer 24a ' is wound, preferably a material reinforced with carbon fibers is used.
  • the inner, second partial layer 24b ' serves only to separate the intermediate layer 22 and the wound partial layer 24a' or provided with tensile element layers and can therefore be designed with a correspondingly thin wall.
  • the partial layer 24a ' can also be wound or built up from steel layers (sheet metal layers).
  • the casting mold 100 shows a casting mold 100 with a filling opening (feeder) 102 and with a riser opening (riser) 103 and with a number of cores 104a, 104b for casting the multi-layer cylindrical housing wall 16 and thus for producing the outer or pressure housing 10 of the steam turbine 1
  • the casting mold 100 forms a rotationally symmetrical and U-shaped hollow profile 106 with an outer cavity or hollow leg for the later outer layer 24 and an inner hollow leg for the later inner layer 20 of the housing wall 16.
  • the cavity profile 106 to be filled with a casting material G is produced from fine-grained molding material F in the lost casting mold 100 by means of a model representing the housing wall 16. For this purpose, a lower box 100a and then an upper box 100b are stamped onto the model as molded boxes of the casting mold 100.
  • the mineral molding material F which contains mineral components provided with binders, is solidified. After the model has been lifted out of the mold boxes 100a, 100b, the Cores 104a, 104b inserted into the mold 100.
  • the cores 104a, 104b can be reinforced in the longitudinal and circumferential directions by means of core irons.
  • the casting material G is filled into the hollow profile 106 via the filling opening 102, wherein the casting material G that has reached the riser 103 can flow back into the hollow profile 106.
  • a circumferential collar 107 on the core 104b serves to absorb forces or moments that can occur during the casting process due to the core weight or due to a core buoyancy.
  • the casting mold 100 is removed from the cast housing wall 16. Then the central one representing the housing interior 108
  • Part is thus advantageously at the same time insulation material within the housing wall 16. This saves on the one hand a manufacturing step with regard to the implementation of the intermediate layers 22.
  • the corresponding part of the core 104b is embedded 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 in a positive and non-positive manner.
  • Core storage in the apex area of the hollow profile 106 Several, z. B. four, distributed over the circumference arranged pin 110 is provided. These pins 110 projecting over part of their length into the intermediate space between the outer layer 24 and the inner layer 20 lie on a on the core 104a provided collar 111 on, for. B. in recesses provided there.
  • the pins 110 are preferably part of the core 104b. Following the casting process, the pins 110 are removed. Corresponding threads for screwing on a housing cover can then be introduced into the openings which are then tightly welded.
  • each wall layer 20 to 24 can be designed in a material-saving manner and its function optimized. Since the inner layer 20 is supported on the intermediate layer 22 and via this on the outer layer 24 and the existing internal pressure only has to be transferred to the latter, one is in relation to the total
  • the casting material used is preferably 9% to 11% chromium steel, in particular 10% chromium steel, with a ferritic / bainitic mixed structure.
  • FIG. 7 shows a simplified representation of that part of a casting mold 100 'which lies above a line of symmetry or axis of rotation 112 and which, analogously to FIG. 5, represents an upper molding box 100b'.
  • the part of the core 104a which in turn fills the later housing interior 108, lies above the axis of rotation 112 and delimits an L-shaped cavity profile 120, the legs 120a and 120b of which have been modeled into the mold 100 ', which again consists of fine-grained molding material F.
  • the inner layer 20 is first produced by filling the cavity 120 by means of the casting material G.
  • the outer layer 24 can first be produced in a similar manner.
  • the casting mold 100 'differs from the alternative according to FIG essentially due to the radial expansion of the core 104a,
  • a cavity 121 preferably provided for producing the outer layer 24 in turn has an L-shaped profile with a short leg 121a and a long leg 121b.
  • the short leg 121a is arranged on the side opposite the short leg 120a of the inner layer 20 and is oriented towards the axis of rotation 112.
  • FIG. 9 shows the production of the multi-layer housing wall 16 in the further production step, in which, together with the core 104a representing the housing interior 108, either the inner layer 20 prefabricated in the first manufacturing step according to the alternative according to FIG. 7 or the outer layer prefabricated according to the alternative according to FIG 24 is inserted into the corresponding mold 100 '.
  • the core 104b which represents the intermediate layer 22, is inserted into the previously correspondingly modeled casting mold 100 '.
  • the cavity 120 for the inner layer 20 or the cavity 121 for the outer layer 24 is formed. This cavity 120 or 121 is then poured out. With the housing wall 16 produced in this way, the core 104b remains as an intermediate layer 22 in the cast component.
  • the insulation material can also be applied to the already prefabricated layer 24, 20 in the required wall thickness and shape.
  • the insulation material should be applied and, if necessary, reinforced so that it meets the requirements of the further casting process.
  • core iron can be used for reinforcement.
  • the shape of the insulation material can also be Hurry core forms are made, in which the already manufactured or prefabricated layer 24, 20 is inserted and formed with insulation material. The casting thus molded with insulation material and inserted into the casting mold 100 'then practically again forms a core, which already contains one of the layers 24, 20 of the later housing wall 10 and remains in the finished component after the further casting process.
  • a reliable connection of the cast parts or layers 24, 20 produced one after the other at the contact surfaces of the legs 120a and 121b or 120b and 121a takes place by positive locking, frictional locking, material locking or by a combination of these types of locking.
  • a subsequent connection can also be established, for example by welding.
  • a desired pressure prestressing of the insulation material between the surrounding wall parts or wall layers 24, 22 can be achieved as a result of the casting sequence. This effect can be supported by appropriate casting technology measures, for example by targeted cooling.
  • An essential advantage of the stepwise production of the housing wall 16 compared to the one-step production according to the exemplary embodiment according to FIG. 5 lies in the fact that different materials can be combined in accordance with the different requirements for the inner layer 20 or the outer layer 24. Another advantage is the comparative simple design of the mold 100 'to be provided in each case. In contrast, the main advantage of the manufacturing method according to the embodiment according to FIG 5 lies in the only required casting step.
  • a U-shaped profile part 106 ' is first used as Housing wall 16 manufactured according to one of the so-called forming, joining or separating or ablative manufacturing processes.
  • a cylindrical housing wall 16 for producing the U-profile part 106 ' can also be cast with a leg representing the inner layer 20 and a leg representing the outer layer 24.
  • the annular space 122 remaining between the legs of the U-profile part 106 'to form the intermediate layer 22 is filled with sand S as insulation material and this is compressed.
  • the outer layer 24 and high-melting material, e.g. Ferrite or austenite, for the inner layer 20 is particularly suitable - just like the manufacturing method described with reference to FIGS. 7 to 9 - the manufacturing method illustrated with the aid of FIG.
  • the two layers 24 and 20 are separated, e.g. in a reshaping manufacturing process, manufactured and then assembled together to form the U-profile part 106 '.
  • the assembled profiles of the outer layer 24 and the inner layer 20 can be of different types.
  • the insulation material in the form of the bulk material S is introduced into the intermediate space 122 as the intermediate layer 22 during the joining of the two layers 24 and 20 and is subsequently compressed.
  • the sand S expediently poured in again as a filler for the intermediate layer 22 achieves a relatively good heat insulation, whereby the sand S adapts particularly well to the circumstances with regard to the required shape. This advantageously avoids the risk of breakage with a crack in the adjacent layers 24, 20 as a result of the stress concentration caused thereby.
  • the sand S should be in a compacted state between the outer layer 24 and the inner layer 20.
  • the inner layer 20 and the outer layer 24 are prestressed in order to maintain a minimum pressure on the sand S.

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Abstract

Zur Beherrschung hoher Dampfzustände weist das Turbinengehäuse (10) eine mehrlagige Gehäusewand (16) auf, bei der zwischen einer Innenlage (20) und einer Außenlage (24) eine Zwischenlage (22) in Form eines nichtmetallischen Schüttgutes (S), vorzugsweise Sand, vorgesehen ist. Zur Herstellung des mehrlagigen Turbinengehäuses (10) wird in eine Gussform (100, 100') ein die Zwischenlage (22) repräsentierender Kern (104b) unter Bildung eines Hohlraums (120, 121) für die Innenlage (20) bzw. für die Außenlage (24) eingelegt. Anschließend wird der Hohlraum (120, 121) mit einem Gußwerkstoff (G) ausgefüllt, wobei zweckmäßigerweise der Kern (104b) als Zwischenlage (22) in der Gehäusewand (16) verbleibt. Alternativ wird zunächst ein U-förmiges Profilteil (106') hergestellt, dessen von der Außenlage (24) und der Innenlage (20) gebildeter Zwischenraum (122) mit dem Schüttgut (S) gefüllt wird.

Description

Beschreibung
Turbinengehäuse sowie Verfahren zu dessen Herstellung
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 po- tentielle 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 arbeits- leistend 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 Beanspruch- ung 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 ent- sprechend größere Wandstärke erforderlich. Die für hohe Dampfzustande erforderlichen Gehauseteile aus temperaturbeständigen Werkstoffen mit großer Wanddicke bewirken angesichts der hohen Kosten für derartige Werkstoffe er- hebliche Materialkosten. Einer Zunahme der Wandstarke steht πedoch auch der Aspekt der Herstellbarkeit entgegen, insbesondere der Gießbarkeit der Legierungen bei den notwendigen Wandstarken. Weitere zu berücksichtigende Aspekte sind das Betriebsverhalten der Turbine hinsichtlich der vom Anwarm- und Abkuhlverhalten der Gehauseteile beeinflußten An- und Ab- fahrzeiten sowie die Handhabung aufgrund der mit der Wandstarke zunehmenden Masse. Ferner ist zu berücksichtigen, dass beim Turbinengehause die Wandstarke nicht nur mit steigendem Druck zunimmt, sondern dass auch mit zunehmender Temperatur die Festigkeit der üblichen Werkstoffe abnimmt.
Zur Warmeisolation eines Außengehauses einer Hochdruckturbine ist es aus der DE 195 35 227 AI bekannt, an der Innenseite des Außengehauses eine Isolationsschicht anzuordnen, die IΠ- nenseitig mit einer Verkleidung versehen ist. Bei dieser mehrlagig ausgebildeten Gehausewand ist als Isolationsschicht eine gießbare Keramik oder ein gießbarer Feuerleichtbeton vorgesehen. Nachteilig bei dieser Ausfuhrung ist jedoch, dass die ausgehartete Isolationsschicht infolge betriebsbedingter Warmespannungen zur Bruchbildung neigt. Dies kann in unerwünschter Weise zur Bildung von Rissen m den benachbarten Lagen, insbesondere m der Außenlage, fuhren.
Aus der AT-PS 381 367 ist darüber hinaus bekannt, im Dampf- räum einer Dampfturbine einen metallischen Isolationskorper, insbesondere m Form von Metallfasern, vorzusehen. Da der im Dampfraum vorgesehene Isolierkörper mit dem als isolierendes Medium dienenden Dampf direkt m Kontakt gelangt, müssen die Metaliteile einerseits genügend groß sein, um nicht vom Dampfstrom mit der Folge einer Zerstörung der Turbine mitge- rissen zu werden. Andererseits ist eine genügend lockere
Schuttung der Metallteile erforderlich, damit der Dampf den
Isolationskorper zumindest annähernd ungehindert durchströmen kann. Eine ausreichende Warmeisolation und Druckfestigkeit wird mit einem derartigen metallischen Isolationskorper nicht erzielt .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein mehrlagiges Turbinengehause für eine Hochdruckturbine anzugeben, das durch Einsatz einer besonders geeigneten, druckfesten Zwischenschicht zur Warmeisolation eine Realisierung auch hoher Dampfzustande, d.h. eines hohen Drucks und einer hohen Temperatur, des Stromungsmediums ermöglicht. Des Weiteren soll ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung eines mehrwan- digen Turbinengehauses für eine Hochdruckturbine angegeben werden.
Bezuglich des Turbinengehauses wird die Aufgabe erfindungsge- maß gelost durch die Merkmale des Anspruchs 1. Dazu weist das Turbinengehause eine dreilagige Gehausewand mit einer druckfesten und warmeisolierenden Zwischenlage aus einem nichtmetallischen Schuttgut 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 warmeisolierenden 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 druckbestandig als auch temperaturbeständig, hat jedoch keine dichtende Funktion. Dabei ist eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit von Vorteil, da diese die Starke 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 gegen- über 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 hoch- warmfester 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 Gegen- kraft 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 Me- diums-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 ver- gleichsweise hohe ertragbare Spannung vorliegt. Somit werden erhebliche Einsparungen hinsichtlich der entstehenden Materialkosten erzielt.
Bei einer aus zwei Teillagen zusammengesetzten Außenlage wei- sen 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 In- nenlage 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 gemäß einer ersten Variante erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 8. Dazu werden in eine Gußform ein die Zwi- schenlage repräsentierender Kern eingelegt und anschließend ein die Außenlage und/oder die Innenlage bildender Hohlraum ausgegossen.
Zur Schaffung zusätzlicher Hohlräume können weitere Kerne in die Gußform eingelegt werden. Insbesondere können auch an einer Stirnseite des die Zwischenlage repräsentierenden Kerns an dessen Umfang verteilt angeordnete Zapfen als zusätzliche Kernlagerung in die Gußform eingelegt werden. Nach dem Abguß und Entnahme des gegossenen Druckgehäuses aus der Gußform werden diese Zapfen, die vorzugsweise Bestandteile des die
Zwischenlage repräsentierenden Kerns sind, entfernt. Die verbleibenden Öffnungen können dann vorteilhafterweise mit einem Innengewinde zur Verschraubung eines Gehäusedeckels versehen werden.
Die Gehäusewand kann in einem einstufigen oder zweistufigen Gießvorgang hergestellt werden. Beim einstufigen Gießvorgang wird mittels einer Anzahl von Kernen in der vorzugsweise aus sandhaltigem Werkstoff bestehenden Gußform ein u-förmiges Hohlprofil geschaffen, das anschließend in einem einzigen Gießvorgang ausgefüllt wird. Beim zweistufigen Gießvorgang werden entweder zunächst die vorgefertigte Innenlage oder die vorgefertigte Außenlage zusammen mit dem die Zwischenlage repräsentierenden Kern in die Gußform eingelegt und anschlie- ßend ein die jeweilig andere Lage bildender Hohlraum ausgegossen. Dabei kann die vorgefertigte Lage ebenfalls gegossen oder aus Vollmaterial geformt sein.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung verbleibt der Kern im Anschluß an den Gießvorgang als wärmeisolierende Zwischenlage im gegossenen Wandbauteil. Er ist somit gleichzeitig Isolierwerkstoff oder Isolationsmaterial. Durch geeignete gießtechnische Maßnahmen, wie z. B. eine gezielte Kühlung oder Isolation bestimmter Bereiche, kann der Erstar- rungsvorgang derart beeinflußt werden, dass das Isolationsmaterial unter einer Druckvorspannung zwischen den diesen umschließenden Wandlagen steht. Dadurch ist eine enge Einbindung der Zwischenlage in den beim bestimmungsgemäßen Gebrauch des Turbinen-Außengehäuses auftretenden Kraftfluß vom Ge- häuseinnenraum zum Außenraum gegeben. Das im Anschluß an den Gießvorgang im Gehäusebauteil verbleibende Isolationsmaterial erfüllt somit besonders zuverlässig die Doppelfunktion einer Wärmeisolation und einer Weiterleitung der betriebsbedingt innerhalb des Druckgehäuses herrschenden Druckkraft von der Innenlage über die Zwischenlage zur Außenlage.
Die genannte Aufgabe wird gemäß einer weiteren Variante erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 15. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der auf diesen rückbezogenen Unteransprüche.
Gemäß dieser weiteren Variante 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 Zusammenfü- gens der Außen- und Innenlage in den Zwischenraum einge- bracht. 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 Isolier- schicht 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 ge- halten 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 Aufrechterhai- tung 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 In- nenlage 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 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 Druckge- häuse 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 Hochdruck- turbine 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 Dampf- druck 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 Frisch- dampf D unmittelbar ausgesetzte Innenlage 20. Diese ist tem- peraturbestandig und besteht beispielsweise aus hochwarmfe- ste Stahl. Die Innenlage 20 dient der Abdichtung des zwischen dem Innengehause 8 und dem Druckgehause 10 der Hochdruck-Dampfturbine gebildeten Druckraums 18 und trennt den Dampf D von den nachfolgenden Lagen der Gehausewand 16. Die Lagendicke dl der Innenlage 20, d.h. deren Ausdehnung in Radialrichtung R, ist im Vergleich zur Gesamtdicke d der Gehausewand 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 Dehnfahigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen.
An die Innenlage 20 schließt sich zur Wärmeisolierung eine Zwischenlage 22 an, die in Form eines Schuttgutes ausgef hrt ist. Dazu wird als Schuttgut zweckmaßigerweise Sand S verwendet. Dadurch ist die Zwischenlage 22 druckbestandig 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 Gehausewand 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 Ele- ment des Gesamtverbundes der Gehausewand 16 und nimmt die durch die Zwischenlage 22 weitergeleiteten Pressungen infolge des Dampfdrucks p im Druckraum 18 auf. Sie tragt somit die durch den Innendruck zwischen dem Innengehause 8 und dem Druck- oder Außengehause 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 La- gendicke dA realisiert werden . Der prinzipielle Radialspan- nungsverlauf 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 einge- stellt 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 Teilla- gen 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 Bean- spruchung der Innenlage 20 und ausreichender Steifigkeit so- wie 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 Guß- form 100 bildet in Verbindung mit der dargestellten Anordnung der Kerne 104a, 104b ein rotationssymmetrisches und U-förmi- ges 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 Form- Stoff 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 Kernge- wichtes 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 Innen- läge 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 Gehäusedek- kels 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 ferri- tisch/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 Innen- läge 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 unterschei- det 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 Ge- häuseinnenraum 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 spezi- eile 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 Verbindungs- herstellung, 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 gießtech- nische 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 Kombinierbar- keit 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 Guß- form 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 Gehausewand 16 nach einem der sogenannten umformenden, fugenden oder trennenden bzw. abtragenden Fertigungsverfahren hergestellt. Auch kann bei der Variante gemäß FIG 10 zunächst wiederum eine zylindrische Gehausewand 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-Profil- teils 106' verbleibende kreisringformige Zwischenraum 122 zur Bildung der Zwischenlage 22 mit Sand S als Isolationsmateπal 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-formig ist, wahrend die Innenlage 20 eine daran angepaßte Stufenkontur aufweist. Bei dieser Alternative wird das Isolationsmaterial in Form des Schuttgutes S wahrend des Zusammenfugens der beiden Lagen 24 und 20 in den Zwischenraum 122 als Zwischenlage 22 eingebracht und an- schließend verdichtet.
Mit dem als Füllstoff für die Zwischenlage 22 wiederum zweck- maßigerweise eingeschütteten Sand S wird im Gegensatz zu einem massiven Werkstoff, wie beispielsweise einem metallischen Werkstoff, eine relativ gute Warmeisolation 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

Patentansprüche
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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Zwischenlage (22) ein nichtmetallisches Schüttgut (S) , vorzugs- weise Sand, ist.
2. Turbinengehäuse nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Zwischenlage (22) im Vergleich zur Innenlage (20) und zur Außen- läge (24) dickwandig ist.
3. Turbinengehäuse nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Außenlage (24) aus mindestens zwei Teillagen (24a, 24b) unter- schiedlicher thermischer Ausdehnungseigenschaften aufgebaut ist .
5. Turbinengehäuse nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die äußere Teillage (24a') gewickelt ist.
6. Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine die Außenlage (24) mindestens teilweise umschließende Isolier- schicht (26) vorgesehen ist.
7. Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass Mittel
(28, K) zur Kühlung der Außenlage (24) und/oder der Zwischen- läge (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 druckfe- sten Zwischenlage (22) zur Wärmeisolierung sowie mit einer krafttragenden Außenlage (24), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
- dass in eine Gußform (100, 100') ein die Zwischenlage (22) repräsentierender Kern (104b) unter Bildung eines Hohl- raums (106, 121) für die Außenlage (24) und/oder eines Hohlraums (106, 120) für die Innenlage (20) eingelegt wird, und
- dass anschließend der oder jeder Hohlraum (106, 120, 121) mit einem Gußwerkstoff (G) ausgefüllt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass innerhalb der Gußform (100) mittels des die Zwischenlage (22) repräsentierenden ersten Kerns (104b) und eines den Gehäuseinnenraum (108) bildenden zweiten Kerns (104a) ein U-förmiges Hohlprofil (106) für die Innenlage (20) und für die Außenlage (24) gebildet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die vorge- fertigte Innenlage (20) und der die Zwischenlage (22) bildende Kern (104b) in die Gußform (100') eingelegt und der Hohlraum (121) für die Außenlage (24) ausgefüllt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die vorge- fertigte Außenlage (24) und der die Zwischenlage (22) bildende Kern (104b) in die Gußform (100') eingelegt und der Hohlraum (120) für die Innenlage (22) ausgefüllt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in der Gußform (100') ein L-förmiger Hohlraum (120 bzw. 121) für die Außenlage (24) und/oder für die Innenlage (22) gebildet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der die Zwischenlage (22) repräsentierende Kern (104b) als Zwischenlage (22) in der Gehäusewand (16) verbleibt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zusammen mit dem die Zwischenlage (22) repräsentierenden Kern (104b) eine Anzahl von Zapfen (110) als Kernlagerung in die Gußform (100) eingelegt wird.
15. 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), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, 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.
16. Verfahren nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das U-för- mige Profilteil (106' ) mehrteilig ist, wobei während oder nach dem Zusammenfügen der Außenlage (24) und der Innen- läge (20) der Füllstoff (E) als Zwischenlage (22) eingebracht wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, 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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