BEFESTIGUNGSMITTEL FÜR EIN TURBINEN- ODER VENTILGEHÄUSE

Abstract

 Ein Befestigungsmittel (22) zum Verbinden eines ersten Gehäuseteils (14) einer Dampf- oder Gasturbine (10) mit einem zweiten Gehäuseteil (16) der Turbine ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube (22) aus einem Grundwerkstoff mit hoher Relaxationsfestigkeit ausgebildet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Befestigungsmittel zum Verbinden eines ersten Gehäuseteils einer Dampf- oder Gasturbine mit einem zweiten Gehäuseteil der Dampf- oder Gasturbine.

[0002] Die Erfindung betrifft ferner ein Turbinengehäuse für eine Dampf- oder Gasturbine mit einem ersten Gehäuseteil und einem zweiten Gehäuseteil sowie einem derartigen Befestigungsmittels zum Verbinden der beiden Gehäuseteile in einem flanschartigen Teilfugenbereich der Gehäuseteile.

[0003] Ferner betrifft die Erfindung ein Ventilgehäuse.

[0004] Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Turbine für ein thermisches Kraftwerk mit einem derartigen Turbinengehäuse.

[0005] Unter Turbinengehäuse wird hier das Innengehäuse der Dampf- oder Gasturbine verstanden, das in der Regel von einem Außengehäuse umgeben ist.

[0006] Beim Betrieb einer Dampfturbine werden möglichst hohe Dampfzustände angestrebt. Das heißt es wird angestrebt, die Dampfturbine bei möglichst hohen Dampfdrücken mit sehr hohen Dampftemperaturen zu betreiben. Dabei werden zur Verbindung zweier Gehäuseteile der Dampfturbine eingesetzte Schrauben als Ausführungsform eines Befestigungsmittels hohen Spannungen bei gleichzeitig herrschenden hohen Temperaturen ausgesetzt. Im Stand der Technik werden diese Schrauben daher aus hochwarmfestem Werkstoff gefertigt. Dabei werden Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzungen als Schraubenwerkstoff verwendet. Die im Stand der Technik verwendeten Schrauben sind jedoch lediglich bei Turbinengehäusen verwendbar, die auf relativ geringe Druckdifferenzen von weniger als 250 bar ausgelegt sind. Auf höhere Druckdifferenzen ausgelegte Dampfturbinen sind teilweise mit speziellen einteiligen Einströmgehäusen ohne Verschraubung versehen. Bei anderen im Stand der Technik bekannten Dampfturbinen ist ein häufiges Schraubennachziehen und damit ein Öffnen der Turbine schon nach relativ kurzer Betriebszeit, nämlich eventuell schon nach 30000 Stunden anstatt 100.000 Stunden Betriebszeit notwendig.

[0007] Eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Turbine mit einem Befestigungsmittel dahingehend zu verbessern, dass das Befestigungsmittel auch bei hohen Druckdifferenzen, insbesondere bei Druckdifferenzen von über 250 bar sowie hohen Temperaturen des Strömungsmediums zum Verbinden eines ersten Gehäuseteils mit einem zweiten Gehäuseteil der Turbine eingesetzt werden kann.

[0008] Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem gattungsgemäßen Befestigungsmittel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

[0009] Die Aufgabe ist ferner mit einem Turbinengehäuse für eine Dampf- oder Gasturbine gelöst, das mit einem derartigen erfindungsgemäßen Befestigungsmittel versehen ist.

[0010] Darüber hinaus ist die Aufgabe mit einer Turbine für ein thermisches Kraftwerk mit einem derartigen Turbinengehäuse gelöst.

[0011] Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Grundwerkstoffes weist das Befestigungsmittel eine derartige Festigkeit auf, dass sie bei hohen Druckdifferenzen von über 250 bar sowie hohen Temperaturen zur Verbindung zweier Gehäuseteile verlässlich verwendet werden kann. Wenn das Befestigungsmittel als Schraube ausgebildet ist, ist ein frühzeitiges Schraubennachziehen nicht notwendig. Der bei der erfindungsgemäßen Schraube als Ausführungsform des Befestigungsmittels verwendete Werkstoff weist im Vergleich mit im Stand der Technik bekannten Schraubenwerkstoffen höhere Ausgangsfestigkeit, höheren Schraubenanzug und somit höhere Relaxationsendspannungen auf. Die erfindungsgemäße Schraube ermöglicht den Bau einer K-Turbine (Kombination aus Hochdruck- und Mitteldruckturbinenzylinder in einem einzigen Gehäuse) für ultrasuperkritische Dampfzustände (300 bar/600°C). Auch beim Einsatz in anderen Dampfturbinen, wie etwa Hochdruck-, Mitteldruck-, oder eingehäusigen Mitteldruck- und Niederdruckdampfturbinen ergeben sich Verbesserungspotentiale in der Neuentwicklung.

[0012] Das Befestigungsmittel kann als Schraube oder als Stiftschraube ausgebildet sein. Ferner kann das Befestigungsmittel als Mutter oder als Überwurfmutter ausgebildet sein.

[0013] In bevorzugter Ausführungsform ist der Grundwerkstoff derart ausgebildet, dass das Verhältnis von N/B (in Gewichts-%) zwischen 0,30 und 3,0 liegt.

[0014] In bevorzugter Ausführungsform ist das Befestigungsmittel als Teilfugenschraube ausgebildet, die das erste Gehäuseteil mit dem zweiten Gehäuseteil in einem flanschartigen Teilfugenbereich verbindet. Die Teilfugenschraube kann als Bolzenschraube oder auch als durchgehende Schraube ausgeführt sein.

[0015] Um die Festigkeit des Befestigungsmittels bei hohen Dampfzuständen zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn der Werkstoff des Befestigungsmittels im Temperaturbereich von 400°C bis 650°C festigkeitsoptimiert ist, insbesondere mit einer Festigkeit Rpo, 2 bei Raumtemperatur von mindestens 700 MPa qualifiziert ist. D.h., die Dehngrenze einer plastischen Verformung von 0,2% wird beim Werkstoff des Befestigungsmittels erst bei Beanspruchung von 700 MPa bei Raumtemperatur erreicht. Eine Schraubenvorspannung kann zusätzlich zu Erhöhung der Relaxationsendspannung als Variable berücksichtigt werden.

[0016] Um insbesondere die vorgenannten Materialparameter, wie etwa die angestrebte Festigkeit bei 400°C bis 650°C zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Herstellung des Befestigungsmittels die folgenden Schritte umfasst: Erschmelzen der Werkstoffbestandteile, Vorwärmebehandeln und Weiterverarbeiten der Schmelze zum Rundprofil sowie Vergütungsbehandeln des Rundprofils mit Anlassparametern von T ≤ 720°C. Bei der Erschmelzung ist es vorteilhaft, ESU-Stahl zu verwenden und durchgreifend zu verschmieden. Die Vergütungsbehandlung wird vorzugsweise als Ölvergütung ausgeführt. Über die gesamte Au-ßenfläche des Befestigungsmittels sollte eine vollständige Umwandlung in der Martensitstufe erfolgen. Die Abschrecktemperatur sollte zwischen 1050°C und 1150°C liegen. Vorteilhafterweise kann eine zweifache Anlassbehandlung durchgeführt werden, wobei dann folgendes zu beachten ist: Für das erste Anlassen wird zweckmäßigerweise eine Temperatur von 570°C verwendet. Die Temperatur der zweiten Anlassbehandlung sollte über der der ersten Anlassbehandlung liegen.

[0017] In zweckmäßiger Ausführungsform weist das Befestigungsmittel den Werkstoff X11CrCoWBN9-3-3 auf. Insbesondere besteht das Befestigungsmittel zu 100% aus diesem Werkstoff. Durch Verwendung dieses Werkstoffs wird das Befestigungsmittel bezüglich seiner Festigkeit bei hohen Dampftemperaturen verbessert, sodass es zum Verbinden zweier Gehäuseteile einer entsprechenden Dampfturbine bei hohen Dampfzuständen optimal geeignet ist.

[0018] Ein Werkstoff mit einer derartigen Zusammensetzung weist verbesserte Eigenschaften bezüglich Festigkeit, Zugfestigkeit, Dehnung, Einschnürung und Zeitstandfestigkeit auf. Damit verbessert sich die Eignung der aus diesem Werkstoff gefertigten Befestigungsmittels zur Verbindung zweier Gehäuseteile einer mit hohen Dampfzuständen beaufschlagten Dampfturbine entsprechend.

[0019] Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.

[0020] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll das Ausführungsbeispiel nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.
Diese zeigt eine Schnittansicht eines flanschartigen Teilfugenbereichs eines Turbinengehäuses mit einer Teilfugenschraube.

[0021] Die Figur zeigt einen Ausschnitt eines Turbinengehäuses 12 einer Dampfturbine 10 im Bereich einer Teilfuge 18. Mit Turbinengehäuse 12 ist hier das Innengehäuse der Dampfturbine 10 bezeichnet, das von einem Außengehäuse umgeben ist.

[0022] Die Erfindung kann auch für ein Ventilgehäuse eingesetzt werden.

[0023] Das Turbinengehäuse 12 weist ein oberes oder erstes Gehäuseteil 14 und ein unteres oder zweites Gehäuseteil 16 auf. Die Teilfuge 18 befindet sich zwischen dem ersten Gehäuseteil 14 und dem zweiten Gehäuseteil 16. Im Bereich der Teilfuge 18 ist das erste Gehäuseteil 14 und das zweite Gehäuseteil 16 flanschartig ausgebildet. Ein Gehäuseflansch 15 des ersten Gehäuseteils 14 sowie ein Gehäuseflansch 17 des zweiten Gehäuseteils 16 sind mit einer Schraubenbohrung 20 mit Innengewinde versehen.

[0024] Die Schraubenbohrung 20 ist zur Aufnahme einer Teilfugenschraube 22 ausgebildet. Die Teilfugenschraube ist eine Ausführungsform eines Befestigungsmittels 22. Weitere Ausführungsformen des Befestigungsmittels 22 wären Stiftschrauben oder Muttern, insbesondere Überwurfmuttern. Dabei erstreckt sich die Schraubenbohrung 20 vollständig durch den Gehäuseflansch 15 des ersten Gehäuseteils 14 und teilweise in dem Gehäuseflansch 17 des zweiten Gehäuseteils 16. Die Teilfugenschraube 22 kann von oben her d.h. von der Oberseite des Gehäuseflansches 15 des ersten Gehäuseteils 14 her in die Schraubenbohrung 20 eingeschraubt werden. Die Teilfugenschraube 22 ist in dem vorliegenden Beispiel als Sechskantschraube ausgeführt und weist einen Schraubenkopf 24 sowie einen Schraubenschaft 26 mit einem an das Innengewinde der Schraubenbohrung 20 angepassten Außengewinde auf. In der in der Figur gezeigten vollständig in die Schraubenbohrung 20 eingeschraubten Stellung der Teilfugenschraube 22 stellt diese eine feste Verbindung zwischen dem ersten Gehäuseteil 14 und dem zweiten Gehäuseteil 16 über die jeweiligen Gehäuseflansche 15 und 17 her. Die Teilfugenschraube 22 kann neben der in der Figur gezeigten Gestaltungsform auch in verschiedenen anderen Gestaltungsformen ausgeführt sein. Zum Beispiel kann die Teilfugenschraube 22 auch als Bolzenschraube mit entsprechenden Schraubenmuttern an ihren jeweiligen Stirnseiten ausgebildet sein.

[0025] Die Teilfugenschraube 22 ist aus einem Grundwerkstoff ausgebildet.

[0026] Die chemische Zusammensetzung des Grundwerkstoffes der Teilfugenschraube 22 weist folgende chemische Elemente auf:

C: 0,08 bis 0,15 Gewichts-%,

Mn: 0,20 bis 0,60 Gewichts-%,

Cr: 8,5 bis 10,5 Gewichts-%,

W: 2,5 bis 3,5 Gewichts-%,

Co: 2,5 bis 3,5 Gewichts-%,

N: 0,003 bis 0,020 Gewichts-%,

B: 0,005 bis 0,015 Gewichts-%,

V: 0,10 bis 0,30 Gewichts-%,

Al: höchstens 0,010 Gewichts-%,

Nb: 0,02 bis 0,08 Gewichts-%,

Ni: < 0,20 Gewichts-%,

Mo: < 0,20 Gewichts-%,

Si: höchstens 0,10 Gewichts-%,

P: höchstens 0,010 Gewichts-%,

S: höchstens 0,005 Gewichts-%,

Fe: Rest.

[0027] Der Grundwerkstoff ist derart ausgebildet, dass das Verhältnis von N/B (in Gewichts-%) zwischen 0,3 und 3,0 liegt.

[0028] Die Schraube (22) weist den X11CrCoWBN9-3-3 auf, insbesondere besteht die Schraube zu 100% aus diesem Werkstoff.

[0029] Der Grundwerkstoff der Schraube (22) ist im Temperaturbereich von 400°C bis 650°C festigkeitsoptimiert, insbesondere mit einer Festigkeit Rpo,2 von mindestens 700 MPa bei Raumtemperatur qualifiziert.

[0030] Die Herstellung der Schraube (22) umfasst folgende Schritte: Erschmelzen der Werkstoffbestandteile, Vorwärmebehandeln und Weiterverarbeiten der Schmelze zum Rundprofil sowie Vergütungsbehandeln des Rundprofils mit Anlassparametern von T ≤ 720 °C.

C = Kohlenstoff, Mn = Mangan, Cr = Chrom, W = Wolfram,

Co = Cobalt, N = Stickstoff, B = Bor, V = Vanadium,

Al = Aluminium, Nb = Niob, Ni = Nickel, Mo = Molybdän,

Si = Silizium, P = Phosphor, S = Schwefel, Fe = Eisen.

Ansprüche

1. Befestigungsmittel (22) zum Verbinden eines ersten Gehäuseteils (14) einer Dampf- oder Gasturbine (10) mit einem zweiten Gehäuseteil (16) der Dampf- oder Gasturbine (10), wobei das Verbindungsmittel (22) aus einem Grundwerkstoff ausgebildet ist,
wobei der Grundwerkstoff folgende Zusammensetzung aufweist:

C: 0,08 bis 0,15 Gewichts-%,

Mn: 0,20 bis 0,60 Gewichts-%,

Cr: 8,5 bis 10,5 Gewichts-%,

W: 2,5 bis 3,5 Gewichts-%,

Co: 2,5 bis 3,5 Gewichts-%,

N: 0,003 bis 0,02 Gewichts-%,

B: 0,001 bis 0,015 Gewichts-%,

V: 0,10 bis 0,30 Gewichts-%,

Al: höchstens 0,010 Gewichts-%,

Nb: 0,02 bis 0,08 Gewichts-%,

Ni: < 0,20 Gewichts-%,

Mo: < 0,20 Gewichts-%,

Si: höchstens 0,10 Gewichts-%,

P: höchstens 0,010 Gewichts-%,

S: höchstens 0,005 Gewichts-%,

Fe: Rest.

2. Befestigungsmittel nach Anspruch 1,
wobei der Grundwerkstoff 0 bis 5 Gew-% W aufweist.

3. Befestigungsmittel (22) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der Grundwerkstoff 0,0051 bis 0,0099 Gew-% N aufweist.

4. Befestigungsmittel (22) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der Grundwerkstoff 0,051 Gew.-% bis 0,0200 Gew.-% N und 0,0010 Gew.-% bis 0,0049 Gew.-% B aufweist.

5. Befestigungsmittel (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Grundwerkstoff derart ausgebildet ist, dass das Verhältnis von N/B (in Gewichts-%) zwischen 0,30 und 3,0 liegt.

6. Befestigungsmittel (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Befestigungsmittel (22) als Schraube (22) ausgebildet ist.

7. Befestigungsmittel (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei das Befestigungsmittel (22) als Mutter, insbesondere Überwurfmutter ausgebildet ist.

8. Befestigungsmittel (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Befestigungsmittel (22) als Teilfugenschraube (22) ausgebildet ist, die das erste Gehäuseteil (14) mit dem zweiten Gehäuseteil (16) in einem flanschartigen Teilfugenbereich verbindet (15, 17).

9. Befestigungsmittel (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Grundwerkstoff des Befestigungsmittels (22) im Temperaturbereich von 400°C bis 650°C festigkeitsoptimiert ist,
insbesondere mit einer Festigkeit Rpo,2 von mindestens 700 MPa bei Raumtemperatur qualifiziert ist.

10. Befestigungsmittel (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Herstellung des Befestigungsmittels (22) die folgenden Schritte umfasst:
Erschmelzen der Werkstoffbestandteile, Vorwärmebehandeln und Weiterverarbeiten der Schmelze zum Rundprofil sowie Vergütungsbehandeln des Rundprofils mit Anlassparametern von T ≤ 720 °C.

11. Befestigungsmittel (22) nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
wobei das Befestigungsmittel (22) den Werkstoff X11CrCoWBN9-3-3 aufweist, insbesondere zu 100% daraus besteht.

12. Turbinengehäuse für eine Dampf- oder Gasturbine mit einem ersten Gehäuseteil (14) und einem zweiten Gehäuseteil (16) sowie einem Befestigungsmittel (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Verbinden der beiden Gehäuseteile (14, 16) in einem flanschartigen Teilfugenbereich (15, 17) der Gehäuseteile (14, 16).

13. Ventilgehäuse für eine Dampf- oder Gasturbine, wobei das Ventilgehäuse eine Ventilgehäuse-Oberteil und ein Ventilgehäuse-Unterteil aufweist sowie ein Befestigungsmittel (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Verbinden des Ventilgehäuse-Oberteils mit dem Ventilgehäuse-Unterteil.

14. Turbine für ein thermisches Kraftwerk mit einem Turbinengehäuse nach Anspruch 12.

15. Turbine für ein thermisches Kraftwerk mit einem Ventilgehäuse nach Anspruch 13.

16. Turbine für ein thermisches Kraftwerk mit einem Turbinengehäuse nach Anspruch 12 und einem Ventilgehäuse nach Anspruch 13.

Zeichnung