EP1056932B1 - Turbine housing - Google Patents
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- EP1056932B1 EP1056932B1 EP98966202A EP98966202A EP1056932B1 EP 1056932 B1 EP1056932 B1 EP 1056932B1 EP 98966202 A EP98966202 A EP 98966202A EP 98966202 A EP98966202 A EP 98966202A EP 1056932 B1 EP1056932 B1 EP 1056932B1
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- EP
- European Patent Office
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- housing
- turbine
- partial region
- turbine housing
- outer housing
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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
- F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
- F01D25/26—Double casings; Measures against temperature strain in casings
Definitions
- the present invention relates to a turbine housing an inner housing which is surrounded by an outer housing, especially for steam turbines.
- the inner case and that Outer housings each have a first, upper partial area and a second, lower section. Often are these sub-areas are designed as separate housing parts.
- An inner housing outer surface lies on an outer housing inner surface spaced from each other.
- the object of the present invention is a curvature to keep the turbine housing low when cooling down.
- the invention is based on the knowledge that at a steam turbine that has a turbine outer shell and a Turbine inner casing or a vane carrier, occur after the turbine is switched off and between the respective housings or between the outer housing and a Guide vane carrier temperature differences. These can cause both housings to twist, causing undesirable Tensions and game bridges. This means that in unfavorable cases turbine blades the housing can rub and cause rubbing damage.
- the one that occurs when the outer casing cools naturally Warping is also due to its appearance with "cat humps" designated.
- the turbine casing has an inner casing that is made by a Outer casing is surrounded.
- Inner Housing is the following also understood a vane carrier.
- the inner case and the outer case are each in a first, upper Sub-area and a second, lower sub-area divided.
- An inner case outer surface and an outer case inner surface are opposite each other.
- the inner case outer surface and the opposite outer case inner surface are at least in part of their respective the first section designed so that there one have less heat transfer by radiation than at least in a part of their respective second sub-area. This enables the turbine to be switched off it is avoided that. the outer housing opposite the inner housing cools down too quickly.
- a first, particularly advantageous embodiment for training less heat transfer due to radiation provides that the inner housing in the first section on the Inner housing outer surface has a first emission number, which has a smaller value than a second emission number of the second section on the inner housing outer surface. It has proven to be advantageous for temperature compensation if the first emission number is below 0.5 and the second emission number has a value above 0.5. This also depends on the material used to consider for the inner or outer housing. About tensions To avoid namely in the housings themselves, both exist Housing mostly made of a similar material. The Emission number of the respective material can be determined by suitable Surface processing are still decisively influenced, e.g. by deliberately roughening the surface, thereby to get a suitable emission number. Preferably done the processing of the surface so that the material properties such as strength and corrosion behavior at most be influenced insignificantly.
- the oxide ceramic on common housing material for example GGG-40, reliably and permanently applied.
- a suitable one Technique for applying a thin layer of oxide ceramics is, for example, plasma spraying.
- the type of application, as well as the oxide ceramic itself, continue to represent sure that also high chemical resistance to the media occurring in the turbine housing is.
- the coating material preferably has a coefficient of thermal expansion that also suitable with regard to transient temperature conditions is the risk of chipping from the housing material to keep small.
- Another training to achieve a lower heat transfer by radiation in a part of the first partial area the inner housing outer surface to the opposite Outer housing surface in relation to a part of the second section the inner housing outer surface is achieved that at least part of the second section of the outer housing inner surface has a larger absorption number than part of the first portion of the outer housing inner surface. This also results in increased heat input in the second, lower section of the outer housing. This again leads to an evening of the outer housing temperatures. Because this is the driving temperature gradient for natural convection between the inner casing and this training is also effective towards natural convection.
- This third material has a higher absorption number as a fourth material of the outer case inner surface in the first section.
- This third material is either the material of the outer housing inner surface in the second section itself, with its surface machined accordingly has been, or the third material can also be an additional Material that is on the outer housing inner surface is applied in the second section.
- One more way for a change in the absorption numbers between the first, upper section and the second, lower section the inner surface of the outer casing is the inner surface of the outer casing to change in the first, upper section so that this has a lower absorption number than the outer housing inner surface of the second, lower section.
- FIG. 1 shows a schematic representation of a turbine housing 1.
- the turbine housing 1 has an inner housing 2 and preferably concentric with an outer housing 3.
- a guide vane carrier could also be used be provided.
- the inner case 2 and the outer case 3 are spaced from each other so that there is a space 4 results.
- This space 4 is with a gaseous Medium, in particular steam in a steam turbine, filled, which is convection capable.
- the inner casing 2 and the outer housing 3 can each be in a first, upper Subarea 5 and a second, lower subarea 6 split.
- the outer housing 3 is a cast housing (GGG-40) made using spheroidal graphite.
- the associated thermal conductivity is approximately 30 W / mK.
- the thickness of the outer housing 3 is approximately 100 to 150 mm.
- the outer housing inner surface 8 in the first, upper part 5 has a first absorption number a1, which is smaller than a second absorption number a2 in part of the second, lower part 6. Either the outer housing inner surface 8 is specially treated in the second, lower partial area 6 or in the first, upper partial area 5.
- the particularly advantageous solution shown here provides for the application of a first material 9 on the inner surface of the outer housing in the second partial region 6.
- the first material 9 forms a thin layer with a small material thickness, so that the better absorption of radiant heat due to the second absorption number a2, which is greater than the first absorption number a1, is not canceled out by an excessively high heat conduction resistance.
- the first material 9 extends here in an angular range of approximately 90 °.
- the angular range can also be considerably smaller or also larger, for example depending on a heat gradient over the length of the turbine.
- the first material 9 absorbs radiant heat better than a second material 10 in the first partial area 5
- the second partial area 6 absorbs a considerably larger heat flow than without the first material 9. This counteracts the heat convection current QK in the first partial area 5 and leads to it a lower temperature difference between the first section 5 and the second section 6 when the turbine is switched off.
- Zirconium oxide (ZrO 2 ) has proven to be an extremely resilient first material 9, which is advantageously applied by plasma spraying. Even with a small thickness, such a layer is able to withstand even in the case of more aggressive media in the intermediate space 4.
- this oxide ceramic also has an absorption number of approximately 0.9. This is considerably higher than an absorption number of approximately 0.25 for an outer housing 3 made of the material mentioned above. It should also be noted that the first absorption number a 1 and also the second absorption number a 2 are dependent on the temperature. If the temperature changes during the cooling process after the turbine has been switched off, zirconium oxide also fulfills the requirement to have a high absorption number over a wide temperature range.
- Figure 2 shows an XY coordinate system.
- the X axis indicates a measured temperature of the outer housing inner surface 8 from FIG. 1.
- the Y axis shows the location of the measurement in degrees.
- a schematic view of the outer housing 3 with a subdivision corresponding to a calculation grid is given in FIG.
- This temperature difference ⁇ T caused by the radiation equals an otherwise at least 50 K large temperature difference between the first partial area 5 and the second partial area 6 at least partially when different absorption numbers are not used.
- the first absorption number a 1 in the first section 5 has a value below 0.5 and the second absorption number a 2 in the second section 6 has a value above 0.5.
- FIG. 4 shows a further embodiment in order to use the thermal radiation to compensate for temperature differences.
- the same components as in FIG. 1 are also provided with the same reference symbols.
- the outer housing inner surface 8 has a third material 11 in the first partial area 5.
- the third absorption number a 3 of this third material 11 is smaller than the absorption number a 4 of the outer housing inner surface 8 in the second partial region 6.
- the inner housing outer surface 7 in the second partial region 6 has a fourth material 12.
- the inner housing outer surface 7 in the first partial area 5 has a first emission number e 1 , which has a smaller value than a second emission number e 2 and this fourth material 12.
- the first emission number e 1 has a value below 0.5 and the second emission number e 2 have a value above 0.5. In this way, a higher radiant heat flow QS flows from the inner housing outer surface 7 to the outer housing inner surface 8 in the second partial region 6 than in the first partial region 5 is knitted.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Turbinengehäuse mit einem Innengehäuse, das von einem Außengehäuse umgeben ist, insbesondere für Dampfturbinen. Das Innengehäuse und das Außengehäuse weisen jeweils in einen ersten, oberen Teilbereich und einen zweiten, unteren Teilbereich auf. Oft sind diese Teilbereiche als gesonderte Gehäuseteile ausgebildet. Eine Innengehäuse-Außenfläche liegt dabei einer Außengehäuse-Innenfläche beabstandet gegenüber.The present invention relates to a turbine housing an inner housing which is surrounded by an outer housing, especially for steam turbines. The inner case and that Outer housings each have a first, upper partial area and a second, lower section. Often are these sub-areas are designed as separate housing parts. An inner housing outer surface lies on an outer housing inner surface spaced from each other.
In dem Artikel "Temperaturermittlung in Turbinengehäusen" von Robert Erich, in: Allgemeine Wärmetechnik, Zeitschrift für Wärme-, Kälte- und Verfahrenstechnik, Bd. 9, 1959, Seiten 163 bis 182, wird die unterschiedliche Erwärmung einzelner Konstruktionselemente einer Dampfturbine beim Anfahren sowie bei Laständerungen während des Betriebes behandelt, Durch solche unterschiedlichen Erwarmungen treten Verformungen des Materials auf sowie Spannungen, die sich den durch den Dampfdruck bedingten Spannungen überlagern. Ziel des Artikels ist es, anhand von berechneten und ermittelten Temperaturverteilungen Auswahlkriterien für die zu verwendenden Stähle zu erhalten. Aus den ermittelten Wärmedehnungen lassen sich sodann sämtliche erforderlichen Spiele und Spalten geeignet bemessen, was beim Zusammentreten zweier Werkstücke mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten von besonderer Wichtigkeit ist. Darüber hinaus sollen durch die so ermittelten Temperaturverteilungen Richtlinien ableitbar sein, wie bekannte Turbinen aus dem kalten Zustand anzuwärmen und mit welcher Geschwindigkeit Laständerungen vorgenommen werden sollen, ohne daß Kriechvorgänge im Material durch Überbeanspruchung hervorgerufen werden.In the article "Temperature determination in turbine housings" by Robert Erich, in: General Heat Technology, Journal for Heating, cooling and process engineering, Vol. 9, 1959, pages 163 to 182, the different heating of individual construction elements a steam turbine when starting up and at Load changes handled during operation, by such Different temperatures cause deformation of the material on as well as tensions that are caused by the vapor pressure superimposed tensions. The aim of the article is based on calculated and determined temperature distributions Get selection criteria for the steels to be used. All can then be determined from the thermal expansions determined required games and columns appropriately sized what when two workpieces meet with different expansion coefficients is of particular importance. About that In addition, the temperature distributions determined in this way should Guidelines can be derived, such as known turbines from the warm up cold state and at what speed Load changes should be made without creeping caused by overstressing in the material.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verkrümmung des Turbinengehäuses beim Abkühlen gering zu halten.The object of the present invention is a curvature to keep the turbine housing low when cooling down.
Eine Anordnung zur Verringerung von Temperaturdifferenzen in einem Turbinengehäuse ist aus JP-A-03054302 (Abstract) bekannt. An arrangement to reduce Temperature differences in a turbine housing is from JP-A-03054302 (abstract) known.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Turbinengehäuse
mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen
angegeben.This object is achieved with a turbine housing
solved with the features of
Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, daß bei einer Dampfturbine, die ein Turbinen-Außengehäuse und ein Turbinen-Innengehäuse oder einen Leitschaufelträger aufweist, treten nach dem Abschalten der Turbine an und zwischen den jeweiligen Gehäusen bzw. zwischen dem Außengehäuse und einem Leitschaufelträger Temperaturdifferenzen auf. Diese können dazu führen, daß beide Gehäuse sich verkrümmen, was zu unerwünschten Spannungen und zu Spielüberbrückungen führt. Dies bedeutet, daß in ungünstigen Fällen Turbinenschaufeln das Gehäuse streifen können und dabei Anstreifschäden verursachen. Die beim natürlichen Abkühlen des Außengehäuses auftretende Verkrümmung wird wegen ihrer Erscheinungsform auch mit "Katzbuckeln" bezeichnet.The invention is based on the knowledge that at a steam turbine that has a turbine outer shell and a Turbine inner casing or a vane carrier, occur after the turbine is switched off and between the respective housings or between the outer housing and a Guide vane carrier temperature differences. these can cause both housings to twist, causing undesirable Tensions and game bridges. This means that in unfavorable cases turbine blades the housing can rub and cause rubbing damage. The one that occurs when the outer casing cools naturally Warping is also due to its appearance with "cat humps" designated.
Das Turbinengehäuse hat ein Innengehäuse, das von einem Außengehäuse umgeben ist. Unter "Innengehäuse" wird im folgenden auch ein Leitschaufelträger verstanden. Das Innengehäuse und das Außengehäuse sind jeweils in einen ersten, oberen Teilbereich und einen zweiten, unteren Teilbereich aufgeteilt. Eine Innengehäuse-Außenfläche und eine Außengehäuse-Innenfläche liegen sich voneinander beabstandet gegenüber. Die Innengehäuse-Außenfläche und die gegenüberliegende Außengehäuse-Innenfläche sind zumindest in einem Teil ihres jeweiligen ersten Teilbereiches so gestaltet, daß sie dort einen geringeren Wärmeübergang durch Strahlung aufweisen als zumindest in einem Teil ihres jeweiligen zweiten Teilbereiches. Dadurch gelingt es, daß nach einem Abschalten der Turbine vermieden wird, daß. das Außengehäuse gegenüber dem Innengehäuse zu schnell abkühlt. Würde die Innengehäuse-Außenfläche nämlich einen in etwa gleichen Wärmeübergang zur gegenüberliegenden Außengehäuse-Innenfläche im ersten und im zweiten Teilbereich aufweisen, würde im oberen Bereich eine nicht unerhebliche Auftriebsströmung in dem von beiden gegenüberliegenden Flächen gebildeten Zwischenraum initiiert werden. Diese Auftriebsströmung würde einen höheren Wärmeeintrag im ersten, oberen Teilbereich des Außengehäuses bewirken. Bei Abkühlung durch Naturkonvektion läßt sich nun erfindungsgemäß aufgrund des geringeren Wärmeüberganges im ersten Teilbereich ein Temperaturausgleich schaffen, so daß die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten, oberen Teilbereich und dem zweiten, unteren Teilbereich erheblich unter bisher bekannten Temperaturdifferenzen von über 50 Kelvin bei natürlicher Abkühlung ohne Zusatzmaßnahmen liegen können.The turbine casing has an inner casing that is made by a Outer casing is surrounded. Under "Inner Housing" is the following also understood a vane carrier. The inner case and the outer case are each in a first, upper Sub-area and a second, lower sub-area divided. An inner case outer surface and an outer case inner surface are opposite each other. The inner case outer surface and the opposite outer case inner surface are at least in part of their respective the first section designed so that there one have less heat transfer by radiation than at least in a part of their respective second sub-area. This enables the turbine to be switched off it is avoided that. the outer housing opposite the inner housing cools down too quickly. Would the inner case outer surface namely an approximately equal heat transfer to the opposite Outer case inner surface in the first and second Partial area would be a not insignificant in the upper area Buoyancy flow in the opposite of both Space formed space can be initiated. This buoyancy flow would result in a higher heat input in the cause first, upper portion of the outer housing. at Cooling by natural convection can now be done according to the invention due to the lower heat transfer in the first section create a temperature compensation so that the temperature difference between the first, upper section and the second, lower section considerably below previously known temperature differences of over 50 Kelvin with natural cooling can lie without additional measures.
Eine erste, besonders vorteilhafte Ausgestaltung zur Ausbildung eines geringeren Wärmeüberganges aufgrund von Strahlung sieht vor, daß das Innengehäuse im ersten Teilbereich auf der Innengehäuse-Außenfläche eine erste Emissionszahl aufweist, die einen kleineren Wert hat als eine zweite Emissionszahl des zweiten Teilbereiches auf der Innengehäuse-Außenfläche. Als vorteilhaft zum Temperaturausgleich hat es sich erwiesen, wenn die erste Emissionszahl einen Wert unterhalb von 0,5 und die zweite Emissionszahl einen Wert oberhalb von 0,5 hat. Dieses ist auch in Abhängigkeit von dem verwendeten Material für das Innen- bzw. Außengehäuse zu betrachten. Um Spannungen nämlich in den Gehäusen selbst zu vermeiden, bestehen beide Gehäuse zumeist jeweils aus einem gleichartigen Material. Die Emissionszahl des jeweiligen Materials kann durch geeignete Oberflächenbearbeitung noch entscheidend beeinflußt werden, z.B. durch gezieltes Aufrauhen der Oberfläche, um dadurch eine geeignete Emissionszahl zu erhalten. Vorzugsweise erfolgt die Bearbeitung der Oberfläche so, daß die Materialeigenschaften wie Festigkeit und Korrosionsverhalten allenfalls unwesentlich beeinflußt werden.A first, particularly advantageous embodiment for training less heat transfer due to radiation provides that the inner housing in the first section on the Inner housing outer surface has a first emission number, which has a smaller value than a second emission number of the second section on the inner housing outer surface. It has proven to be advantageous for temperature compensation if the first emission number is below 0.5 and the second emission number has a value above 0.5. This also depends on the material used to consider for the inner or outer housing. About tensions To avoid namely in the housings themselves, both exist Housing mostly made of a similar material. The Emission number of the respective material can be determined by suitable Surface processing are still decisively influenced, e.g. by deliberately roughening the surface, thereby to get a suitable emission number. Preferably done the processing of the surface so that the material properties such as strength and corrosion behavior at most be influenced insignificantly.
Eine Weiterbildung der Ausnutzung unterschiedlicher Emissionszahlen im ersten, oberen Teilbereich und zweiten, unteren Teilbereich sieht für die Innengehäuse-Außenfläche vor, daß ein Material im ersten Teilbereich eine kleinere Emissionszahl aufweist als ein weiteres Material, das nun aber auf die Innengehäuse-Außenfläche im zweiten Teilbereich aufgetragen ist. Dadurch ist es möglich, die bisher verwendeten Materialien für Innen- bzw. Außengehäuse auch weiterhin nutzen zu können. Es wird ein aufzutragendes Material verwendet, daß eine im Vergleich zum Innengehäuse höhere Emissionszahl aufweist. Ein gewünschter positiver Strahlungseffekt ist auf diese Weise verstärkbar. Bevorzugt wird als aufzutragendes Material eine Oxidkeramik, z.B. Zirkonoxid, verwendet. Weiterhin können auch andere Beschichtungsmaterialien mit einer geeigneten Strahlungseigenschaft und Anbindungsfähigkeit an das Material des Gehäuses verwendet werden. Ein Beschichtungsmaterial weist vorzugsweise auch eine Korrosionsbeständigkeit in Wasserdampf auf. Die Schichtdicke, mit der das Beschichtungsmaterial aufgebracht wird, kann z.B. im Bereich zwischen 50 µm und 100 µm liegen. Diese bietet zum einen die Eigenschaft einer besonders hohen Emissionszahl, beispielsweise von e=0,8 oder höher. Zum anderen kann die Oxidkeramik auf gängiges Gehäusematerial, beispielsweise GGG-40, zuverlässig und betriebsdauerfest aufgebracht werden. Eine geeignete Technik zur Aufbringung einer dünnen Schicht der Oxidkeramik ist beispielsweise das Plasmaspritzen. Die Art der Aufbringung, sowie auch die Oxidkeramik selbst, stellen weiterhin sicher, daß auch eine hohe chemische Beständigkeit gegenüber den im Turbinengehäuse auftretenden Medien sichergestellt ist. Das Beschichtungsmaterial weist hierbei vorzugsweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der auch im Hinblick auf transiente Temperaturzustände geeignet ist, die Gefahr eines Abplatzens von dem Gehäusematerial klein zu halten.Further training in the use of different emission numbers in the first, upper section and second, lower Sub-area provides for the inner housing outer surface that a material in the first section has a lower emission number has as a further material, but now on the Inner housing outer surface applied in the second section is. This makes it possible to use the materials previously used continue to use for inner and outer housing can. A material to be applied is used that has a higher emission number than the inner housing. A desired positive radiation effect is on reinforceable in this way. Is preferred as to be applied Material an oxide ceramic, e.g. Zirconia. Farther can also use other coating materials with a suitable radiation properties and connectivity the material of the housing can be used. A coating material preferably also has corrosion resistance in water vapor. The layer thickness with which the coating material applied, e.g. in the area are between 50 µm and 100 µm. This offers the one Property of a particularly high emission number, for example of e = 0.8 or higher. On the other hand, the oxide ceramic on common housing material, for example GGG-40, reliably and permanently applied. A suitable one Technique for applying a thin layer of oxide ceramics is, for example, plasma spraying. The type of application, as well as the oxide ceramic itself, continue to represent sure that also high chemical resistance to the media occurring in the turbine housing is. The coating material preferably has a coefficient of thermal expansion that also suitable with regard to transient temperature conditions is the risk of chipping from the housing material to keep small.
Eine weitere Ausbildung zur Erlangung eines geringeren Wärmeüberganges durch Strahlung in einem Teil des ersten Teilbereiches der Innengehäuse-Außenfläche zur gegenüberliegenden Außengehäusefläche im Bezug zu einem Teil des zweiten Teilbereiches der Innengehäuse-Außenfläche wird dadurch erzielt, daß zumindest ein Teil des zweiten Teilbereiches der Außengehäuse-Innenfläche eine größere Absorptionszahl aufweist als ein Teil des ersten Teilbereiches der Außengehäuse-Innenfläche. Dadurch gelingt ebenfalls ein verstärkter Wärmeeintrag in den zweiten, unteren Teilbereich des Außengehäuses. Dieses führt ebenfalls wieder zu einer Vergleichmäßigung der Außengehäusetemperaturen. Da dadurch das treibende Temperaturgefälle für die Naturkonvektion zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse verkleinert wird, wirkt auch diese Ausbildung der Naturkonvektion entgegen.Another training to achieve a lower heat transfer by radiation in a part of the first partial area the inner housing outer surface to the opposite Outer housing surface in relation to a part of the second section the inner housing outer surface is achieved that at least part of the second section of the outer housing inner surface has a larger absorption number than part of the first portion of the outer housing inner surface. This also results in increased heat input in the second, lower section of the outer housing. This again leads to an evening of the outer housing temperatures. Because this is the driving temperature gradient for natural convection between the inner casing and this training is also effective towards natural convection.
Eine Weiterbildung der Ausgestaltung des zweiten Teilbereiches mit einer größeren Absorptionszahl weist im zweiten Teilbereich auf der Außengehäuse-Innenfläche ein drittes Material auf. Dieses dritte Material hat eine höhere Absorptionszahl als ein viertes Material der Außengehäuse-Innenfläche im ersten Teilbereich. Dieses dritte Material ist entweder das Material der Außengehäuse-Innenfläche im zweiten Teilbereich selbst, wobei dessen Oberfläche entsprechend bearbeitet worden ist, oder das dritte Material kann auch ein zusätzliches Material sein, welches auf die Außengehäuse-Innenfläche im zweiten Teilbereich aufgetragen ist. Eine weitere Möglichkeit für eine Änderung der Absorptionszahlen zwischen dem ersten, oberen Teilbereich und dem zweiten, unteren Teilbereich der Außengehäuse-Innenfläche besteht darin, die Außengehäuse-Innenfläche im ersten, oberen Teilbereich so zu verändern, daß diese eine geringere Absorptionszahl aufweist als die Außengehäuse-Innenfläche des zweiten, unteren Teilbereiches.A further development of the design of the second sub-area with a larger absorption number points in the second Part of a third material on the inner surface of the outer casing on. This third material has a higher absorption number as a fourth material of the outer case inner surface in the first section. This third material is either the material of the outer housing inner surface in the second section itself, with its surface machined accordingly has been, or the third material can also be an additional Material that is on the outer housing inner surface is applied in the second section. One more way for a change in the absorption numbers between the first, upper section and the second, lower section the inner surface of the outer casing is the inner surface of the outer casing to change in the first, upper section so that this has a lower absorption number than the outer housing inner surface of the second, lower section.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie weitere Vorteile und Merkmale werden anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1- eine bevorzugte Ausführung der Erfindung, bei der auf einer Außengehäuse-Innenfläche ein Material aufgetragen ist,
- Figur 2
- eine Temperaturverteilung, wie sie sich unter Vernachlässigung
von Naturkonvektion durch Strahlungseffekte
bei der Ausführung nach
Figur 1 nach Abstellen der Turbine ergibt, - Figur 3
- die schematische perspektivische Ansicht eines Außengehäuses und
- Figur 4
- eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der ein weiteres Material auf einer Außengehäuse-Innenfläche aufgetragen ist.
- Figure 1
- a preferred embodiment of the invention, in which a material is applied to an inner surface of the outer housing,
- Figure 2
- a temperature distribution as it results from neglecting natural convection due to radiation effects in the embodiment according to FIG. 1 after the turbine has been switched off,
- Figure 3
- the schematic perspective view of an outer housing and
- Figure 4
- a further embodiment of the invention, in which a further material is applied to an inner surface of the outer housing.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Turbinengehäuses
1. Das Turbinengehäuse 1 weist ein Innengehäuse 2 sowie,
vorzugsweise konzentrisch dazu, ein Außengehäuse 3 auf.
Anstelle eines Innengehäuses 2 könnte auch ein Leitschaufelträger
vorgesehen sein. Das Innengehäuse 2 und das Außengehäuse
3 sind so voneinander beabstandet, daß sich ein Zwischenraum
4 ergibt. Dieser Zwischenraum 4 ist mit einem gasförmigen
Medium, insbesondere Dampf bei einer Dampfturbine,
gefüllt, welches konvektionsfähig ist. Das Innengehäuse 2 und
das Außengehäuse 3 lassen sich jeweils in einen ersten, oberen
Teilbereich 5 und in einen zweiten, unteren Teilbereich 6
aufteilen.Figure 1 shows a schematic representation of a
Betrachtet man nun einen Wärmestrom durch das Turbinengehäuse
1, so ergibt sich ein innerer Wärmestrom Qi durch das Innengehäuse
2 sowie ein äußerer Wärmestrom Qa durch das Außengehäuse
3. Innerhalb der beiden Gehäuse 2, 3 vollzieht sich ein
Leitungswärmestrom, der jeweils abhängig ist von der Wärmeleitfähigkeit.
Beispielsweise ist das Außengehäuse 3 ein unter
Verwendung von Kugelgraphit hergestelltes Gußgehäuse
(GGG-40). Die dazugehörige Wärmeleitfähigkeit beträgt ungefähr
30 W/mK. Die Dicke des Außengehäuses 3 beträgt etwa 100
bis 150 mm. Zwischen dem Innengehäuse 2 und dem Außengehäuse
3 tritt zum einen eine Wärmeübertragung durch einen Wärmekonvektionsstrom
QK sowie durch einen Strahlungswärmestrom QS
auf. Letzterer wirkt von der Innengehäuse-Außenfläche 7 zur
Außengehäuse-Innenfläche 8. Die Außengehäuse-Innenfläche 8 im
ersten, oberen Teilbereich 5 weist eine erste Absorptionszahl
a1 auf, die kleiner ist als eine zweite Absorptionszahl a2 in
einem Teil des zweiten, unteren Teilbereiches 6. Entweder
wird dazu die Außengehäuse-Innenfläche 8 im zweiten, unteren
Teilbereich 6 oder im ersten, oberen Teilbereich 5 besonders
behandelt. Die hier dargestellte, besonders vorteilhafte Lösung
sieht das Auftragen eines ersten Materials 9 auf der
Außengehäuse-Innenfläche im zweiten Teilbereich 6 vor. Das
erste Material 9 bildet eine dünne Schicht mit geringer Materialdicke,
so daß die aufgrund der gegenüber der ersten Absorptionszahl
a1 größeren zweiten Absorptionszahl a2 bessere
Strahlungswärmeaufnahme nicht durch einen zu hohen Wärmeleitungswiderstand
wieder aufgehoben wird. Das erste Material 9
erstreckt sich hier in einem Winkelbereich von etwa 90°. Der
Winkelbereich kann jedoch auch erheblich kleiner oder aber
auch größer ausfallen, beispielsweise in Abhängigkeit von einem
Wärmegefälle über die Länge der Turbine. Dadurch, daß das
erste Material 9 Strahlungswärme besser aufnimmt als ein
zweites Material 10 im ersten Teilbereich 5, nimmt der zweite
Teilbereich 6 einen erheblich größeren Wärmestrom auf als
ohne das erste Material 9. Dieses wirkt dem Wärmekonvektionsstrom
QK im ersten Teilbereich 5 entgegen und führt zu einer
geringeren Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Teilbereich
5 und dem zweiten Teilbereich 6 beim Abschalten der
Turbine. Als äußerst belastbares erstes Material 9 hat sich
Zirkoniumoxid (ZrO2) erwiesen, welches vorteilhafterweise
durch Plasmaspritzen aufgebracht ist. Eine derartige Schicht
ist selbst bei geringer Dicke in der Lage, auch bei aggressiveren
Medien im Zwischenraum 4 standzuhalten. Bei einer
Strahlungstemperatur von ungefähr 350° C, wie sie für einen
längeren Zeitraum beim Abschalten einer Turbine auftritt, besitzt
außerdem diese Oxidkeramik eine Absorptionszahl von ungefähr
0,9. Dieses liegt erheblich höher als eine Absorptionszahl
von ungefähr 0,25 bei einem Außengehäuse 3 aus dem
oben erwähntem Material. Weiterhin ist zu beachten, daß die
erste Absorptionszahl a1 und auch die zweite Absorptionszahl
a2 von der Temperatur abhängig sind. Bei zeitlicher Änderung
der Temperatur während des Abkühlvorganges nach Abschalten
der Turbine erfüllt Zirkoniumoxid auch die Anforderung, über
einen breiten Temperaturbereich eine hohe Absorptionszahl
aufzuweisen.If one now considers a heat flow through the
Figur 2 zeigt ein XY-Koordinatensystem. Die X-Achse gibt eine
gemessene Temperatur der Außengehäuse-Innenfläche 8 aus Figur
1 an. Die Y-Achse gibt den Ort der Messung in Gradzahlen wieder.
Zur Verdeutlichung des Ortes der Messung ist in Figur 3
eine schematisierte Ansicht des Außengehäuses 3 mit einer Unterteilung
entsprechend einem Berechnungsgitter angegeben.
Entsprechend der Y-Achse in Figur 2 verläuft die Gradangabe
von minus 90° beginnend im zweiten, unteren Teilbereich 6 aus
Figur 1 hochlaufend zu der Angabe von plus 90° im ersten,
oberen Teilbereich 5 entsprechend der Figur 1. Aufgrund der
unterschiedlichen Absorptionszahlen ergibt sich allein aufgrund
der geänderten Strahlungsbedingungen ein Temperaturunterschied
zwischen dem ersten Teilbereich 5 und dem zweiten
Teilbereich 6 von maximal Δ T = 27 K. Dieser aufgrund der
Strahlung bewirkte Temperaturunterschied Δ T gleicht einen
ansonsten um mindestens 50 K großen Temperaturunterschied
zwischen dem ersten Teilbereich 5 und zweiten Teilbereich 6
bei Nichtverwendung unterschiedlicher Absorptionszahlen zumindest
teilweise aus. Um dieses Ergebnis sicherzustellen,
ist es vorteilhaft, daß die erste Absorptionszahl a1 im ersten
Teilbereich 5 einen Wert von unterhalb 0,5 und die
zweite Absorptionszahl a2 im zweiten Teilbereich 6 einen Wert
oberhalb von 0,5 aufweisen.Figure 2 shows an XY coordinate system. The X axis indicates a measured temperature of the outer housing
Figur 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung, um die Wärmestrahlung
zum Ausgleich von Temperaturunterschieden auszunutzen.
Dabei sind zur Vereinfachung in Figur 4 gleiche Bauteile wie
in Figur 1 auch mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zum einen
weist die Außengehäuse-Innenfläche 8 im ersten Teilbereich
5 ein drittes Material 11 auf. Die dritte Absorptionszahl
a3 dieses dritten Materials 11 ist kleiner als die Absorptionszahl
a4 der Außengehäuse-Innenfläche 8 im zweiten
Teilbereich 6. Zum anderen weist die Innengehäuse-Außenfläche
7 im zweiten Teilbereich 6 eine viertes Material 12 auf. Die
Innengehäuse-Außenfläche 7 im ersten Teilbereich 5 hat eine
erste Emissionszahl e1, welche einen kleineren Wert hat als
eine zweite Emissionszahl e2 und dieses vierten Materials 12.
Bevorzugt ist es, daß die erste Emissionszahl e1 einen Wert
unterhalb von 0,5 und die zweite Emissionszahl e2 einen Wert
oberhalb von 0,5 aufweisen. Auf diese Weise fließt im zweiten
Teilbereich 6 ein höherer Strahlungswärmestrom QS von der Innengehäuse-Außenfläche
7 zu der Außengehäuse-Innenfläche 8
als in dem ersten Teilbereich 5. Auch dieses führt wiederum
dazu, daß dem Wärmekonvektionsstrom QK durch eine Vergleichmäßigung
der Temperaturen im Außengehäuse 3 entgegen gewirkt
wird.FIG. 4 shows a further embodiment in order to use the thermal radiation to compensate for temperature differences. For simplification in FIG. 4, the same components as in FIG. 1 are also provided with the same reference symbols. On the one hand, the outer housing
Claims (11)
- Turbine housing (1)having an inner housing (2) which is surrounded by an outer housing (3), the inner housing (2) and the outer housing (3) each having a first, upper partial region (5) and a second, lower partial region (6), andhaving an inner-housing outer surface (7) and an outer-housing inner surface (8) which are positioned opposite one another, with a distance between them,
- Turbine housing (1) according to Claim 1, characterized in that at least a part of the second partial region (6) of the outer-housing inner surface (8) has a greater absorption coefficient (a2) than a part of the first partial region (5) of the outer-housing inner surface (8).
- Turbine housing (1) according to Claim 2, characterized in that the outer-housing inner surface (8), in the second partial region (6), has a first material (9) which has a greater absorption coefficient (a2) than the absorption coefficient (a1) of a second material (10) of the outer-housing inner surface (8) in the first partial region (5).
- Turbine housing (1) according to Claim 3, characterized in that the first material (9) is applied to the outer-housing inner surface (8).
- Turbine housing (1) according to Claim 4, characterized in that the first material (9) is an oxide ceramic.
- Turbine housing (1) according to Claim 2, characterized in that a third material (11), the absorption coefficient (a3) of which is lower than an absorption coefficient (a1) of the outer-housing inner surface (8) in the second partial region (6), is applied to the outer-housing inner surface (8) in the first partial region (5).
- Turbine housing (1) according to Claim 4, 5 or 6, characterized in that the material (9; 11) is applied by means of plasmaspraying.
- Turbine housing (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a first absorption coefficient (a1) in the first partial region (5) is below 0.5 and a second absorption coefficient (a2) in the second partial region (6) is above 0.5.
- Turbine housing (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the inner-housing outer surface (7), in the first partial region (5), has a first emission coefficient (e1) which is lower than a second emission coefficient (e2) of the second partial region (6) on the inner-housing outer surface (7).
- Turbine housing (1) according to Claim 9, characterized in that the first emission coefficient (e1) is below 0.5 and the second emission coefficient (e2) is above 0.5.
- Turbine housing (1) according to Claim 9 or 10, characterized in that a fourth material (12) is applied to the inner-housing outer surface (7).
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