Gehäuse für eine Strömungsmaschine

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Gehäuse (1) für eine Strömungsmaschine, vorzugsweise eine Dampfturbine, wobei das Gehäuse (1) im Wesentlichen um eine Rotationsachse (2) ausgebildet ist und in seiner 12-Uhr-Position eine Versteifungsrippe (6) aufweist, die trapezförmig ausgebildet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für eine Strömungsmaschine, wobei das Gehäuse im Wesentlichen um eine Rotationsachse ausgebildet ist, wobei das Gehäuse eine Versteifungsrippe aufweist.

[0002] Unter einer Dampfturbine als Ausführungsform einer Strömungsmaschine im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird jede Turbine oder Teilturbine verstanden, die von einem Arbeitsmedium in Form von Dampf durchströmt wird. Im Unterschied dazu werden Gasturbinen mit Gas und/oder Luft als Arbeitsmedium durchströmt, das jedoch völlig anderen Temperatur- und Druckbedingungen unterliegt als der Dampf bei einer Dampfturbine. Im Gegensatz zu Gasturbinen weist bei Dampfturbinen z.B. das einer Teilturbine zuströmende Arbeitsmedium mit der höchsten Temperatur gleichzeitig den höchsten Druck auf. Ein offenes Kühlsystem, das zum Strömungskanal offen ist, ist bei Gasturbinen auch ohne externe Zuführung von Kühlmedium realisierbar. Für eine Dampfturbine sollte eine externe Zuführung für Kühlmedium vorgesehen sein. Der Stand der Technik betreffend Gasturbinen kann schon deswegen nicht für die Beurteilung des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes herangezogen werden.

[0003] Eine Dampfturbine umfasst üblicherweise einen mit Turbinenschaufeln besetzten drehbar gelagerten Rotor, der innerhalb eines Gehäuses bzw. Gehäusemantels angeordnet ist. Bei Durchströmung des vom Gehäusemantel gebildeten Innenraums des Strömungskanals mit erhitztem und unter Druck stehendem Dampf wird der Rotor über die Schaufeln durch den Dampf in Rotation versetzt. Die Turbinenschaufeln des Rotors werden auch als Laufschaufeln bezeichnet. Am Innengehäuse sind darüber hinaus üblicherweise stationäre Leitschaufeln aufgehängt, welche entlang einer axialen Ausdehnung des Körpers in die Zwischenräume der Rotorschaufeln greifen.

[0004] Der Gehäusemantel einer derartigen Dampfturbine kann aus einer Anzahl von Gehäusesegmenten gebildet sein. Unter einem Gehäusemantel der Dampfturbine ist insbesondere das stationäre Gehäusebauteil einer Dampfturbine oder einer Teilturbine zu verstehen, das entlang der Längsrichtung der Dampfturbine einen Innenraum in Form eines Strömungskanals aufweist, der zur Durchströmung mit dem Arbeitsmedium in Form von Dampf vorgesehen ist. Dies kann je nach Dampfturbinenart ein Innengehäuse und/oder ein Leitschaufelträger sein.

[0005] Dampfturbinen werden mit einem sogenannten Innengehäuse ausgebildet, wobei das Innengehäuse um den Rotor angeordnet ist und die sogenannten Leitschaufeln trägt. Zwischen dem Rotor und dem Innengehäuse wird der sogenannte Strömungskanal ausgebildet, in dem die thermische Energie von einströmendem Dampf in Rotationsenergie im Wesentlichen umgewandelt wird. Um das Innengehäuse ist ein unter Bildung eines Zwischenraums angeordnetes Außengehäuse ausgebildet. In der Regel umfasst das Innengehäuse ein Innengehäuseoberteil und ein Innengehäuseunterteil. Das Innengehäuseoberteil und das Innengehäuseunterteil werden über einen Flansch, der in der horizontalen Richtung angeordnet ist, mittels bekannter Befestigungsmittel miteinander befestigt.

[0006] In der Regel sind solche Innengehäuse vergleichsweise große Bauteile mit einem hohen Gewicht. Das Innengehäuse wird gegossen und weist daher ebenso ein relativ hohes Gewicht auf. Das Gehäuse ist entlang einer Rotationsachse länglich ausgebildet. Aus Festigkeitsgründen wird daher in einer 12-Uhr-Position des Innengehäuses und auf der 6-Uhr-Position des Innengehäuses Zusatzmaterial berücksichtigt, das als Versteifungsrippe bezeichnet wird. Diese Versteifungsrippe ist im Wesentlichen eine sprunghafte Materialverdickung des Innengehäuses an einer lokalen Stelle. Diese lokale Stelle ist, wie weiter oben beschrieben, an der 12-Uhr- bzw. 6-Uhr-Position des Innengehäuses angeordnet. Infolge der Schwerkraft wird ein Durchbiegen des Innengehäuses vorzugsweise im Gehäusemittelteil vermieden.

[0007] Im Betrieb der Dampfturbine ist es wichtig, dass die Radialspiele zwischen den Spitzen der Laufschaufeln und dem Innengehäuse möglichst gering sind, wobei die Radialspiele während des gesamten Betriebstemperaturbereichs von 20°C (Raumtemperatur) bis 650°C genügend groß sind. Somit wäre es wünschenswert, dass das Innengehäuse eine erhöhte Festigkeit aufweist.

[0008] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Radialspiele zu verbessern und eine Verbesserung der Gießbarkeit von Gehäusen für eine Strömungsmaschine bereitzustellen.

[0009] Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Gehäuse für eine Strömungsmaschine, wobei das Gehäuse im Wesentlichen um eine Rotationsachse ausgebildet ist, wobei das Gehäuse eine Versteifungsrippe aufweist, wobei die Versteifungsrippe im Querschnitt gesehen eine Trapezform aufweist.

[0010] Gemäß dem Stand der Technik wird derzeit die Versteifungsrippe ähnlich wie die Teilfuge des Gehäuses konstruiert. Die Versteifungsrippe weist gemäß dem Stand der Technik im Querschnitt gesehen eine rechteckige Form auf.

[0011] Erfindungsgemäß wird nunmehr vorgeschlagen, die Versteifungsrippe gemäß einer A-Form auszubilden. Das bedeutet, dass durch die A-Form bzw. Trapezform Material von der Spitze der Versteifungsrippe, wo es keinen nutzbaren Vorteil gibt, nach unten näher zur Gehäuseoberfläche verlagert wird, wo es Einfluss auf die mechanische Steifigkeit des Innengehäuses hat. Durch die Form der trapezförmigen Rippe wird des Weiteren die Ovalität von Gehäusen bei gleichem Materialeinsatz verbessert. Soll sogar die gleiche Ovalität wie bei einer herkömmlichen Versteifungsrippe erzielt werden, könnte sogar der Gesamtmaterialeinsatz für die Versteifungsrippe reduziert werden.

[0012] Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass dadurch die Gießbarkeit des Gehäuses verbessert wird, da an der Schnittstelle zwischen der umlaufenden Kontur, die durch die Gehäuseoberfläche gebildet wird und der Versteifungsrippenkontur, die durch eine Versteifungsrippenoberfläche gebildet wird, eine Rissanfälligkeit herabsetzen.

[0013] Die Versteifungsrippe ist hierbei als eine lokale Materialverdickung zu verstehen, die einen vergleichsweise sprunghaften Anstieg zeigt gegenüber der Gehäusedicke bzw. Gehäusekontur.

[0014] Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0015] So ist es vorteilhaft, dass die Trapezform gleichschenklig ausgebildet ist. Eine Trapezform kann durch zwei parallele Seiten und zwei Schenkel beschrieben werden. In dieser vorteilhaften Weiterbildung sind die Schenkel gleichschenklig ausgebildet, d.h., dass die Schenkel die gleiche Länge aufweisen. Durch diese symmetrische Ausbildung der Versteifungsrippe können unerwünschte Verkrümmungen in Umfangsrichtung vermieden werden.

[0016] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Gehäuse entlang einer Rotationsachse ausgebildet und weist eine Länge L auf, wobei die Versteifungsrippe sich über eine Länge 1 entlang der Rotationsachse erstreckt, wobei gilt: 1 > 80% L. Durch diese vorteilhafte Weiterbildung wird die Versteifungsrippe quasi komplett über die Länge des Gehäuses ausgebildet. Durch diese Maßnahme wird die Steifigkeit insgesamt erhöht.

[0017] In einer besonderen vorteilhaften Weiterbildung ist der Querschnitt der Versteifungsrippe, der trapezförmig ausgebildet ist, entlang der Länge L unverändert. Das bedeutet, die Länge der oberen Seite und die Länge der Schenkel sind unverändert entlang der Rotationsachse.

[0018] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung beträgt der Winkelbereich zwischen einem Schenkel der Trapezform und einer Senkrechten zu einer Seite einen Wert zwischen 10° und 30°. Vorzugsweise beträgt der Winkel 17°.

[0019] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Versteifungsrippe im eingebauten Zustand im Wesentlichen in der 12-Uhr-Position angeordnet.

[0020] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher beschrieben. Dabei haben mit denselben Bezugszeichen versehene Komponenten die gleiche Funktionsweise.

[0021] Es zeigen:

FIG 1

eine perspektivische Ansicht eines Gehäuseoberteils;

FIG 2

eine Seitenansicht des Gehäuses;

FIG 3

eine Querschnittsansicht einer Versteifungsrippe.

[0022] Die FIG 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Gehäuses 1 für eine Strömungsmaschine, wie beispielsweise eine Dampfturbine. Das Gehäuse 1 erstreckt sich im Wesentlichen über eine Länge L. Innerhalb des Gehäuses ist ein nicht dargestellter Rotor um eine Rotationsachse 2 drehbar gelagert. Das in FIG 1 dargestellte Gehäuseoberteil wird mit einem Gehäuseunterteil (nicht dargestellt) über einen Flansch 3 mittels bekannter Befestigungsmittel, z. B. Schrauben, miteinander verbunden. Der Flansch 3 ist dabei als ein Materialvorsprung in einer radialer Richtung 4 ausgebildet. Das Gehäuse 1 umfasst eine Gehäuseoberfläche 5, die im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 2 ausgebildet ist.

[0023] Das Gehäuse 1 ist ein Gussteil mit einem vergleichsweise hohen Gussgewicht. Die Länge L erstreckt sich hierbei über mehrere Meter. Zur Erhöhung der Steifigkeit wird dazu eine Versteifungsrippe 6 in einer 12-Uhr-Position 7 am Gehäuse 1 angebracht. Diese Versteifungsrippe 6 ist über eine Länge 1 entlang der Rotationsachse 2 ausgebildet. Im in der FIG 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Länge L des Gehäuses identisch mit der Länge 1 der Versteifungsrippe 6. Die Versteifungsrippe 6 ist durch einen Materialvorsprung in radialer Richtung 4 charakterisiert. Das bedeutet, dass entlang der Gehäuseoberfläche 5 an einer Unstetigkeitsstelle 8 eine sprunghafte Materialsteigerung ausgebildet ist. Diese aus Zusatzmaterial ausgebildete Versteifungsrippe 6 weist im Querschnitt eine Trapezform auf. Die Trapezform ist charakterisiert durch eine in Umfangsrichtung im Wesentlichen parallele Seite S und einem ersten Schenkel 9 und einem zweiten Schenkel 10.

[0024] Der erste Schenkel 9 ist hierbei genauso lang wie der zweite Schenkel 10. Die Trapezform weist eine untere Seite 11 auf, die eine gedachte Verlängerung der Gehäuseoberfläche 5 darstellt.

[0025] Die FIG 2 offenbart eine Seitenansicht des Gehäuses 1. Die untere Seite 11 wird hierbei durch eine gestrichelte Linie dargestellt.

[0026] Die FIG 3 zeigt die Trapezform der Versteifungsrippe 6. Zwischen dem ersten Schenkel 9 und einer ersten Orthogonalen 12, die senkrecht auf der Seite S steht, ist ein Winkel α ausgebildet, der Werte zwischen 10° und 30° annimmt und vorzugsweise 17° beträgt.

[0027] Zwischen dem zweiten Schenkel 10 und einer zweiten Orthogonalen 13, die ebenfalls senkrecht auf der Seite S steht, ist ein zweiter Winkel β ausgebildet, der ebenfalls Werte zwischen 10° und 30°, vorzugsweise 17° annimmt. In einer speziellen Ausführungsform sind die Winkel α und β gleich groß, so dass die Trapezform eine gleichschenklige Trapezform darstellt.

[0028] Gemäß FIG 1 ist das Gehäuse entlang der Rotationsachse 2 ausgebildet, wobei gilt: der Querschnitt der Trapezform, wie in der Figuren 1-3 dargestellt, bleibt dabei entlang der Länge 1 unverändert.

[0029] Zwischen der unteren Seite 11 und der Seite S ist eine Höhe h ausgebildet, wobei die Höhe h zwischen 1,0 und 3,0 der Länge S aufweist.

[0030] Die Versteifungsrippe 6 wird gemäß FIG 1 und FIG 2 auf der 12-Uhr-Position 7 angeordnet. Solch eine erfindungsgemäße Versteifungsrippe 6 kann auch an einem nicht näher dargestellten Gehäuseunterteil in einer 6-Uhr-Position angeordnet werden.

Ansprüche

1. Gehäuse (1) für eine Strömungsmaschine,
wobei das Gehäuse (1) im Wesentlichen um eine Rotationsachse (2) ausgebildet ist,
wobei das Gehäuse (1) eine Versteifungsrippe (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Versteifungsrippe(6) im Querschnitt gesehen eine Trapezform aufweist

2. Gehäuse (1) nach Anspruch 1,
wobei die Trapezform gleichschenklig ist.

3. Gehäuse (1) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei das Gehäuse (1) entlang der Rotationsachse (2) ausgebildet ist und die Länge L aufweist und die Versteifungsrippe (6) sich über die Länge 1 entlang der Rotationsachse (2) erstreckt, wobei 1 > 80% L ist.

4. Gehäuse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Querschnitt der Versteifungsrippe (6) sich entlang der Länge 1 unverändert erstreckt.

5. Gehäuse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Winkel (α, β) zwischen einem Schenkel der Trapezform und einer Senkrechten zu einer Seite Werte zwischen 10° und 30°, vorzugsweise 17° annimmt.

6. Gehäuse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Höhe h der Trapezform zwischen 1,0 und 3,0 der Länge S der Seite ist.

7. Gehäuse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Versteifungsrippe (6) im eingebauten Zustand im Wesentlichen in der 12-Uhr-Position angeordnet ist.

Zeichnung