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Gehäuse für Gas- oder Dampfturbinen Die Erfindung betrifft ein Gehäuse
für Gas- oder Dampfturbinen mit einem Außengehäuse und einem Innengehäuse, das einen
im Außengehäuse abgestützten Leitschaufelträger aufweist, sowie mit einer den einströmseitigen
Zwischenraum zwischen Innengehäuse und Außengehäuse vom abströmseitigen Zwischenraum
zwischen den Gehäusen trennenden Trennwand.
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Gehäuse dieser Art werden, wie bekannt, insbesondere dann verwendet,
wenn das unter Druck stehende Treibmittel hohe Temperaturen aufweist. Das Innengehäuse
dient dann zur Führung des Treibmittelstromes und als Träger der Leitschaufelung
der Turbine; und der unter etwa gleichem Druck wie der Strömungsraum stehende Zwischenraum
zwischen den Gehäusen enthält das Wärmeisoliermittel, so daß das Innengehäuse die
Innentemperatur und das Außengehäuse den Innendruck aufzunehmen haben. Dies erlaubt,
das Innengehäuse nur auf Wärme- und das Außengehäuse nur auf Druckbeanspruchung
auszuführen, was sich dimensions- gewichts- und kostensparend auswirkt.
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Die Verbindung zwischen dem Außengehäuse und demjenigen Teil des Innengehäuses,
der den Leitschaufelträger bildet, muß das auftretende Temperaturgefälle zwischen
den Gehäusen sowie die auf die Leitschaufeln axial in Richtung Abströmseite wirkenden
Kräfte aufnehmen und die Leitschaufeln relativ zu den Laufschaufeln möglichst in
gleicher Lage halten. Es sind Flanschhalterungen bekannt, bei denen der Flansch
am ausströmseitigen Ende des Leitschaufelträgers angebracht ist und zugleich die
Trennwand zwischen ein- und abströmseitigem Teil des Zwischenraumes zwischen .den
Gehäusen bildet, wobei der Flansch zur Vermeidung von durch das radiale Temperaturgefälle
bedingten Ringspannungen an mehreren Stellen des Umfanges mit radialen Schlitzen
versehen ist, die durch zwei koaxiale Ringe mit durch eine Membrane überbrücktem
radialem Spiel überdeckt sind.
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Diese Ausführung weist neben dem Vorteil der axial gedrängten Bauweise
erhebliche Nachteile auf. Die Rotorwelle ist zweckmäßigerweise einströmseitig, gegebenenfalls
außerhalb des Turbinengehäuses axial gelagert und gegebenenfalls von dieser Seite
her bis ausschließlich des ersten Laufschaufelkranzes gekühlt. Der Rotor erhitzt
sich im Betrieb wesentlich vom ersten Laufschaufelkranz an und dehnt sich axial
von dort aus in Richtung nach der Abströmseite der Turbine hin aus. Der sich im
Betrieb gleichermaßen erhitzende Leitschaufelträger hingegen ist mit seinem abströmseitigen
Ende am Halterungsflansch befestigt und über diesen relativ zum Außengehäuse fixiert,
und der Leitschaufelträger dehnt sich daher axial in Richtung nach der Einströmseite
hin aus.
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Der Umstand, daß sich Lauf- und Leitapparat in entgegengesetzter Richtung
ausdehnen, bewirkt eine beträchtliche axiale Verschiebung von Lauf- und Leitschaufeln
zueinander, welche die Gefahr des Streifens hervorruft, das radiale Spiel an den
außen konischen Laufschaufeln unzulässig vergrößert und die Unterbringung einer
genügenden Anzahl von Labyrinthen zwischen Leiträdern und Rotor beeinträchtigt.
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Die Erfindung bezweckt, die erwähnten Nachteile zu überwinden. Zur
Erreichung dieses Zieles wird ein Turbinengehäuse der eingangs geschilderten Art,
das einen Leitschaufelträger und eine den einströmseitigen Zwischenraum zwischen
Innengehäuse und Außengehäuse trennende Trennwand aufweist, erfindungsgemäß derart
ausgebildet, daß im einströmseitigen Teil des Zwischenraumes zwischen den Gehäusen
und koaxialen dazu als Tragelement ein Bohrungen aufweisender, dünner, aus wenig
wärmeleitfähigem Material bestehender Kegelstumpfmantel angeordnet ist, dessen weites
Ende an der Trennwand und dessen enges Ende am einströmseitigen Ende des Leitschaufelträgers
befestigt ist, und daß der
Leitschaufelträger in der Trennwand axial
verschiebbar gelagert ist.
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In der Zeichnung ist als Beispiel eine Ausführungsform der Erfindung
vereinfacht dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen axialen Schnitt durch das Gehäuse
einer Gasturbine und F i g. 2 eine Teilansicht der Trennwand zwischen ein- und abströmseitigem
Teil des Zwischenraums zwischen den Gehäusen, in Achsrichtung gegen die Abströmseite
des Gehäuses gesehen.
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Das Turbinengehäuse weist ein Außengehäuse 1
und ein Innengehäuse
auf, das einströmseitig aus dem Einströmteil 2 und dem Leitschaufelträger 3 besteht.
Der Leitschaufelträger 3 trägt die Leitschaufeln 4. Mit 5 ist der Rotor bezeichnet,
der die Scheiben 6 mit den Laufschaufeln 7 trägt. Sowohl der einströmseitige Teil
8 als auch der ausströmseitige Teil 9 des Zwischenraums zwischen den Gehäusen ist
mit Wärmeisoliermaterial 10 ausgefüllt. Ein durch vier Keile 11
im Außengehäuse
1 zentrierter Ring 12 und vier daran befestigte Lappen 13, die mit vier Keilen 14
den Leitschaufelträger 3 zentrieren, bilden zusammen mit einem aus zwei konzentrischen
Ringen finit Membrane bestehenden Dichtring 15 bekannter Ausführung eine Trennwand,
welche den Zwischenraum zwischen den Gehäusen in den einströmseitigen Teil 8 und
den abströmseitigenTeil 9 trennt.
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Ein Kegelstumpfmantel 16 ist als `Tragelement mit seiner weiten Öffnung
am Ring 22 arid 'an Seiner engen Öffnung mit einem daran befindlichen Flansch
17 am Leitschaufelträger 3 befestigt. Dieser Kegelstumpfmantel16 ist
von geringer Wandstärke, weist Bohrungen auf und besteht aus wenig Värmeleitfähigem
Material.
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Der Rotor 5 ist einströmseitig außerhalb der Turbine - in der Zeichnung
nicht dargestellt - inzinem mit ihr zusammengebauten Luftverdichter axial gelagert.
Ein zwischen der Rotörweile und einem rohrförmigen Teilstück des Außengehäuses 1
ausgesparter Spalt 18 läßt kühles Treibmittel vom Luftverdichter entlang der Rotorwelle
zurr ersten Laufschaufelkranz strömen.
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Bella Betrieb der Turbine strömt heißes Treibmittel höhen Drucks in
den tnströmtei12 und von da zwischen deüi Leitschaufelträger 3 und den Rotorscheiben
6 bzw. durch die Leitschaufeln. 4 und .die Laufschaufeln 7 in Aalrichtung der Turbine
nach dein Aüsströinräum. Da das Treibmittel ;zum ein-'strömsäitigen Zwischenraum
8 zwischen den `Gehäuseei Zutritt hat, herrscht dort der gleiche Dtuck wie ein Einströmventil,
doch bewirkt das Wärmeisoliermaterial 10, daß -die Temperatur von der Innengehäüseauß'enwand
gegen die Außengehäusennenwändbeträchtlich abnimmt, so däß das Außengehäuse 1 kalt
bleibt. Die aus dem Ring 12, den Lappen 13 und dem Dichtring 15 bestehende Trennwand
verhindert den Übertritt `von Treibmittel in den Abströmrau unter Umgebung der `Turbinenschaufeln
und gleicht die unterschiedlichen Radialdehnungen des Außeugeh'äüses 1 und des LeitschaufeltYägers
3 in bekannter Weise aus.
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Der Kegelstumpfmantel befindet sich innerhalb des Raus 8 dank
dem Wärmeisoliermaterial 10 in einer Umgebung von gegenüber dem Einströmraum
niedr ig erer Temperatur. Die höchste T emp eratur wird dein K-egelstüinpfnantel
16 an dessen Berührungslinie mit dem Leitschaüfelträger 3 über den Flansch 17 mitgeteilt,
während die Zone tiefster Temperatur bei der Berührungslinie des Kegelstumpfmantels
.16 mit dem Ring 12 liegt. Die während des Betriebs der Turbine durch den Kegelstilmpfmante116
vom Leitschaufelträger 3 gegen das Außengehäuse 1 strömende Wärmemenge ist nur unbedeutend,
- da der Xegelstumpfmantel dünnWandig ist z Bohrungen aufweist und ' aus wenig wärmeleitfähigem
Material besteht. Die Temperatur des Kegelstumpfmantels nimmt vom Flansch 17 ausgehend
in Richtung gegen das Außengehäuse 1 rasch ab, da am inneren Ende mit dem kleineren
Durchmesser wegen der kleineren Querschnittfläche der Widerstand für den Wärmefluß
größer ist als am äußeren Ende. Dies bewirkt, daß die Ausdehnung des Kegelstumpfmantels
in axialer Richtung innerhalb unbedeutender Grenzen bleibt.
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Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß das in der Nähe der Befestigung
mit der engen Öffnung des Kegelstumpfmantels liegende cinströmseitige Ende des Leitschaufelträgers
zufolge betrieblicher Erhitzung keine wesentliche axiale Lageänderung erfährt, so
daß sich der Leitschaufelträger annähernd vom gleichen Projektionspunkt auf die
Turbinenachse aus in Richtung auf die Abströmseite der Turbine hin ausdehnt wie
der entlang dem Spalt 18 von seinem Axiallager her bis zur ersten Laufschaufel von
kühlemTreibmittel umspülten Rotor 5. Da der Leitschaufelträger 3 aus Material gleicher
Wärmeausdehnung wieder Rotor 5 finit den Scheiben 6 gefertigt ist, bleiben Leitschaufeln
und Laufschaufeln der Turbine relativ zueinander innerhalb des gesamten Betriebsbereichs
in annähernd gleicher Lage.
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'`Das enge Ende des Kegelstumpfmantels 16 nebst Flansch 17 vermögen
der radialen Ausdehnung des Leitschaufelträgers 3 ohne weiteres zu folgen. Eine
radiale Ausdehnung des engen Endes des Kegeistumpfmantels 1.6 ist in Ansehung der
geringen Neigung zur Turbinenachse von vernachlässigbar kleinem Einfluß auf dessen
axiale Lage.
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Die Erfindung hat auch den Vorteil der leichten und gleichzeitig äußerst
formsteifen Ausführung, welche die beträchtlichen axialen Kräfte in Ausströmrichtung
sehr zuverlässig aufnimmt und gegenüber dem herkömmlichen, senkrecht zur Turbinenachse
ausgelegten Flansch erhebliche Einsparungen an Gewicht und Volumen von teurem austenitischem
Werkstoff erlaubt, wobei der ausströmseitig vorgesehene., senkrecht zur Turbinenachse
angeordnete Teil, bestehend aus Ring 12, Lappen 13 und Dichtring 15, bei der .erfindungsgemäßen
Ausführung ausschließlich im Hinblick auf die abströmseitige Zentrierung des Leitschaufelträgers
3 und die Trennung des :Zwischenraumes zwischen den Gehäusen in einströmseitigen
Teig :8 und den ausströmseitigen Teil 9 dimensioniert werden müssen.
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Um zu verhindern, daß Wärme vom Leitschaufel= träger 3 über die Trennwand
12,13,15 an die Stelle deren Befestigung am Außengehäuse 1 und .auf diesem Wege
an den kaltzuhaltenden weiteren Teil des Kegelstumpfmantels 1.6 .gelangt, ist .die
Trennwand 12,13,15 so ausgebildet, daß in ihr möglichst wenig Wärme strömen kann
und die Temperatur in ihr vom Leitscbaufelträger 3 gegen das Außengehäuse 1 stark
abnimmt.
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Dies wird dadurch erreicht, daß die Trennwand 12513; 15 nicht
durchgehend und massiv, sondern durchbrochen ausgeführt und nur zur Aufnahme der
Zentrierkräfte -ausgelegt wird, wobei die offen gelassenen
Bereiche
durch eine dünne Dichtvorrichtung überbrückt werden.
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Der Ring 12 wird mit den vier Zentrierkeilen 11 in einer im Außengehäuse
1 ausgesparten Radialnut geführt und liegt ausströmseitig mit einem erheblichen
Teil seiner radialen Breite an einer Druckauflagefläche an, die von der einströmseitigen
Flanke einer starken ringförmigen Innenrippe 19 des Außengehäuses 1 gebildet wird.
Der Abstand des Innenkreises des Rings 12 vom Außenumfang des Leitschaufelträgers
3 ist annähernd gleich der radialen Breite des Rings 12. Die Verbindung zwischen
dem Innenkreis des Rings 12 zum Leitschaufelträger 3 wird über die diesen zentrierenden
Keile 14 durch vier Lappen 13 speichenartig hergestellt, wobei die umfangmäßig größeren
frei bleibenden Bereiche zwischen dem Ring 12 und dem Leitschaufelträger 3 durch
den Dichtring 15 überbrückt werden.
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Dieser besteht aus zwei koaxialen Ringen 20 und 21 sowie aus der Membrane
22. Der innere Ring 20 ist mit Schrauben 23 am niederdruckseitigen Ende des Leitschaufelträgers
befestigt. Der äußere Ring 21 wird in einer Einsparung in der Innenrippe 19 des
Außengehäuses 1 von dieser abströmseitig und vom inneren Ende der abströmseitigen
axialen Fläche des Ringes 12 einströmseitig gehalten. Das zwischen den Ringen 20
und 21 vorgesehene temperaturabhängige radiale Spiel 24 wird von der dünnen einteiligen
Membrane 22 überbrückt. Vom Leitschaufelträger 3 über die dünnen, speichenartigen
Lappen 13 sowie über den inneren Ring 20, die Membrane 22 und den äußeren Ring 21
kann nur wenig Wärme zum Ring 12 strömen, und die Temperatur in diesen wärmedurchströmten
Elementen nimmt gegen das Außengehäuse hin rasch ab, so daß auf diesem Wege keine
nennenswerte Wärmemenge an das kalt zu haltende weitere Ende des Kegelstumpfmantels
16 gelangt.
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Durch tunlichst geringere Neigung des Kegelstumpfmantels zur Turbinenachse
bzw. Einhaltung eines kleinen Winkels, vorzugsweise nicht über 30°, zwischen der
Kegehnantellinie und der Turbinenachse wird erreicht, daß die wärmebedingte radiale
Ausdehnung der durch das einströmseitige Ende des Leitschaufelträgers 3, den Flansch
17 und das heiße enge Ende des Kegelstumpfrnantels 16 gebildeten Zone eine nur geringe
axiale Verschiebung in Richtung auf die Einströmseite der Turbine hin zur Folge
hat. Zum gleichen Zweck kann auch der Kegelstumpfmantel an seinem heißen engen Ende
ein zur Turbine koaxial gelegenes zylindrisches Stück aufweisen, welches die Verbindung
mit dem Leitschaufelträger herstellt.