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1. (WO2019063329) TURBINENGEHÄUSE MIT STUTZEN SOWIE VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINES TURBINENGEHÄUSES MIT STUTZEN
Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

Beschreibung

Turbinengehäuse mit Stutzen sowie Verfahren zum Herstellen eines Turbinengehäuses mit Stutzen

Die Erfindung betrifft ein Turbinengehäuse mit einem Stutzen, durch welche ein Strömungsfluid durch ein Ausschnitt im Turbinengehäuse in das Turbinengehäuse einströmen kann, wobei der Stutzen im Bereich des Ausschnittes derart ausgebildet ist, dass die turbinenachsparallele Erstreckung des Stutzens, kleiner ist als die Erstreckung des Stutzens, rechtwinklig zur Turbinenachse. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Stutzens.

Gattungsgemäße Turbinengehäuse sind beispielsweise typisch für Dampfturbinengehäuse . Dabei besteht ein Zielkonflikt, im Hinblick auf zwei unterschiedliche Anforderungen. Eine Anforderung besteht darin, die Turbine konstruktiv so kurz wie möglich auszuführen, um hierdurch einerseits Material und

Fertigungskosten einzusparen und andererseits die Rotordynamik positiv zu beeinflussen. Die andere Forderung besteht darin, dem einströmenden Medium genügend Fläche zum Einströmen bereit zu stellen, um die Einströmgeschwindigkeit in einem sinnvollen Bereich zu halten und die Umlenkung der Strömung möglichst gering zu halten. Hierdurch lässt sich ein hoher Wirkungsgrad bei gleichzeitig geringer Geräuschentwicklung realisieren .

Den beiden Forderungen wird dadurch Rechnung getragen, dass der Stutzen am Turbinengehäuse im Bereich des Ausschnittes derart ausgebildet ist, dass die turbinenachsparallele Erstreckung des Stutzens kleiner ist als die Erstreckung des Stutzens, rechtwinklig zur Turbinenachse. Das Fertigen eines solchen Stutzens ist jedoch mit hohem Aufwand verbunden. In der Vergangenheit kamen hierbei vor allem zwei mögliche Verfahren zum Einsatz. Beim ersten Verfahren wird der Stutzen gegossen. Das Gießens erlaubt die Nutzung erheblicher konstruktiver Freiheitsgrade, wodurch die turbinenachsparallele Erstreckung des Stutzens stark verringert werden, gleichzeitig kann der Einströmquerschnitt quer zur Turbinenachse weit geöffnet werden. Nachteilig am Gießverfahren ist jedoch, dass es sehr aufwendig und teuer ist. Gleichzeitig gibt es nur we-nige Hersteller, die entsprechende Turbinengehäuse für große Turbinen herstellen können.

Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung eines entsprechenden Turbinengehäuses mit Stutzen besteht in der Ausführung als Schweißkonstruktion. Hierbei kann auf die teure Stahlgusskonstruktionen oder die nur bei sehr niedrigeren Dampfzuständen verwendbaren Eisengusskonstruktion verzichtet werden. Bei den Schweißkonstruktionen gibt es wiederum zwei unterschiedliche Möglichkeiten der Herstellung. Beim ersten wird der Stutzen aus sehr vielen einzelnen Blechen, zusammengesetzt bzw. geschweißt. Nachteilig hierbei ist, dass es sehr viel Handarbeit bedarf und eine Mechanisierung/ Digitalisierung der Fertigung nicht möglich ist. Eine zweite Möglichkeit zur Herstellung der Schweißkonstruktion besteht daraus, dass zu-nächst im Gesenkt geschmiedete Schalen hergestellt werden.

Diese Teile können größer ausgebildet werden als die Einzelbleche, da die Kontur und die Größe im Gesenk hergestellt werden. Die Herstellung im Gesenk ist allerdings deutlich aufwendiger und teurer.

Ausgehend vom zuvor beschriebenen Problem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Turbinengehäuse mit einem Stutzen bereitzustellen, der die Anforderungen nach einem kurzen Turbinengehäuse mit hinreichendem Einströmquerschnitt erfüllt und welcher einfach und kostengünstig herstellbar ist. Des

Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Turbinengehäuses mit Stutzen bereit zu stellen .

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Turbinengehäuses mit Stutzen durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 4 und 5 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche .

Das erfindungsgemäße Turbinengehäuse mit einem Stutzen, durch welche ein Strömungsfluid durch einen Ausschnitt im Turbinengehäuse in das Turbinengehäuse einströmen kann, wobei der Stutzen im Bereich des Ausschnittes derart ausgebildet ist, dass die turbinenachsparallele Erstreckung des Stutzens, kleiner ist als die Erstreckung des Stutzens, rechtwinklig zur Turbinenachse, zeichnet sich dadurch aus, dass der Stutzen durch ein additives Herstellungsverfahren ausgebildet ist .

Durch das erfindungsgemäße Merkmal, kann das Turbinengehäuse ohne Ausschnitt für die Einströmung oder mit einem Ausschnitt für die Einströmung aber mit sehr großen Zugaben hergestellt werden. Die tatsächliche notwendige Form des Ausschnitts wird dann jeweils, auf 3D-Geometriedaten basierend, ausgeschnitten. Hierdurch kann ein mehr oder weniger Standardgehäuse verwendet werden und der jeweils benötigte oder die jeweils benötigten Stutzen können auf einfache Weise, individuell in Form und Größe, an das Turbinengehäuse angesetzt werden.

Unter additiven Verfahren werden dabei verschiedene Herstellungsverfahren zusammengefasst , die einen dreidimensionalen Aufbau aufweisen. Häufig werden additive Verfahren auch mit den Begriffen „Additive Manufacturing" oder „3D-Druck" be-zeichnet. Zur Herstellung des Stutzens eignet sich insbesondere Freiraumverfahren wie das Auftragsschweißen oder das Kaltgasspritzen, als auch Pulverbettverfahren wie insbesondere das selektive Laserschmelzen (SLM) oder das selektive Lasersintern (SLS) . Dabei eignet sich das Freiraumverfahren insbesondere dann, wenn der Stutzen direkt auf das Außengehäuse aufgebracht wird. Die Pulverbettverfahren sind eher dazu geeignet, den Stutzen zunächst einzeln herzustellen und anschließend beispielsweise mittels stoffschlüssiger oder kraftschlüssiger Verbindung mit dem Turbinengehäuse zu verbinden .

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Fertigung vollständig digitalisierbar und automatisierbar ist. Des Weiteren sind keine aufwendigen Schweißkonstruktionen oder Fertigungen mittels Gesenk notwendig, wodurch sich deutliche Kosteneinsparungen erzielen lassen. Wie bereits beschrieben ist die Form und Größe der Stutzen vollkommen vari-abel und lässt sich an die jeweiligen Anforderungen auf einfache Weise anpassen. Des Weiteren besteht ein Vorteil in der Variabilität der verwendeten Werkstoffe. So kann insbesondere für den Stutzen und das Turbinengehäuse unterschiedliche Werkstoffe verwendet werden. Auch eine ortsabhängige Werk-stoffdicke ist realisierbar. Darüber hinaus zeichnet sich das Turbinengehäuse mit dem Stutzen durch eine äußerst ansprechende Optik, analog zu einer Gussausführung aus.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Verhält-nis der turbinenachsparallelen Erstreckung a des Stutzens zur Erstreckung b des Stutzens rechtwinklig zur Turbinenachse a/b < 0,8 vorzugsweise a/b < 0,6 ist. Hierdurch wird den Forderungen nach möglichst kurzer Bauform und hinreichendem

Einströmquerschnitt für das einzuströmende Medium Rechnung getragen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Projektionsfläche des Ausschnitts im Wesentlichen eine Rechteckfläche ist. Die Rechteckfläche ermöglicht das optimale Größenverhältnis aus kurzer Bauform und großem

Einströmquerschnitt .

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Turbinengehäuses mit Stutzen nach einem der vorherigen Ansprüche zeichnet sich durch die folgenden Verfahrensschritte aus:

- Herstellen eines Turbinengehäuses ohne Ausschnitt;

- Einbringen eines Ausschnitts in das Turbinengehäuse; - Ausbilden eines Stutzens um den Ausschnitt im Turbinengehäuse mittels eines additiven Fertigungsverfahrens.

Wie bereits weiter oben beschrieben kann das Turbinengehäuse als eine Art Standardgehäuse ohne jeglichen Ausschnitt hergestellt werden. Die Ausschnitte werden dann nachfolgend in das Turbinengehäuse eingebracht und der jeweilige Stutzen um den Ausschnitt im Turbinengehäuse herum mittels des additiven Fertigungsverfahrens ausgebildet. Das Verfahren bietet somit eine weitgehende individuelle Fertigung und Anordnung des

Stutzens am Turbinengehäuse. Die tatsächlich notwendige Größe und Form des Ausschnittes wird auf 3D-Geoemtrie basierend aus dem Turbinengehäuse, beispielsweise mittels Laserstrahl- oder Wasserstrahlschneiden herausgeschnitten. Das Herausschneiden des Ausschnitts kann vollständig digitalisiert/automatisiert werden. Hierdurch können sehr exakte Ausschnitte in das Turbinengehäuse eingebracht werden. Nach dem Einbringen des Ausschnittes wird dann in einem weiteren Verfahrensschritt der Stutzen um den Ausschnitt im Turbinengehäuse herum ausgebil-det. Das Ausbilden des Stutzens erfolgt dabei mittels eines additiven Fertigungsverfahrens.

Ein zweites Verfahren zum Herstellen eines Turbinengehäuses mit Stutzen zeichnet sich durch die folgenden Verfahrens-schritt aus:

- Herstellen des Turbinengehäuses mit einem Ausschnitt;

- Erweitern des Ausschnitts im Turbinengehäuse auf das Endmaß ;

- Ausbilden des Stutzens um den Ausschnitt im Turbinengehäuse mittels additiven Fertigungsverfahren.

Das Verfahren unterscheidet sich dabei vom zuvor beschriebenen Verfahren dadurch, dass bereits Ausschnitte im Turbinen-gehäuse vorgesehen sind. Die Ausschnitte für die Einströmung im Außengehäuse sind allerdings mit sehr großen Zugaben hergestellt und in einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt das Erweitern des Ausschnittes auf das Endmaß. Durch die bereits vorgesehenen Ausschnitte im Turbinengehäuse kann der Verschnitt beim Einbringen der Ausschnitte reduziert werden, wodurch die Fertigungskosten für das Turbinengehäuse geringer ausfallen. Die Ausschnitte mit dem entsprechenden Aufmaß sind an den Stellen vorgesehen, an denen später der Stutzen vorgesehen ist, wobei noch nicht festgelegt werden muss, welche Größe der später anzubringende Stutzen aufweist. Der Ausschnitt wird so klein gewählt, dass alle möglichen Größen von Stutzen an das Turbinengehäuse angebracht werden können. Nach Ausbilden des Ausschnitts auf das notwendige Maß erfolgt wiederum das Ausbilden des Stutzens mittels additiven Fertigungsverfahrens um den Ausschnitt im Turbinengehäuse.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht dabei vor, dass der Stutzen unmittelbar mittels eines additiven Herstellungsverfahrens auf das Turbinengehäuse aufgebracht wird. Als additives Herstellungsverfahren eignen sich hierzu besonders die sogenannten Freiraumverfahren, insbesondere Auftragsschweißen oder Kaltgasspritzen. Ein nachfolgendes Befestigen des Stut-zens am Turbinengehäuse entfällt dabei.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Stutzen separat mittels eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt wird und anschließend am Turbinengehäuse be-festigt wird. Als additives Herstellungsverfahren eignet sich hier insbesondere das Pulverbettverfahren und dabei im speziellen das selektive Laserschmelzen (SLM) oder das selektive Lasersintern (SLS) . Der so hergestellte Stutzen muss anschließend noch um den Ausschnitt im Turbinengehäuse herum befestigt werden.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht dabei vor, dass der Stutzen stoff- und/oder kraftschlüssig am Turbinengehäuse befestigt wird. Als Stoffschlüssige Verbindung kommt dabei ins-besondere ein Löten oder Schweißen des Stutzens am Turbinengehäuse in Frage. Eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Stutzen und dem Turbinengehäuse lässt sich beispielsweise mittels einer Flanschverbindung realisieren.

Nachfolgend soll die Erfindung und weitere Vorteile der Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Es zeigt:

Figur 1 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Turbinengehäuse mit Stutzen;

Figur 2 eine Seitenansicht des in Figur 1 gezeigten Turbinengehäuses mit Stutzen.

Die Figuren zeigen jeweils nur stark vereinfachte Darstellungen der Erfindung, wobei im Wesentlichen nur die zur Erfindung notwendigen Bauteile dargestellt sind. Die Zeichnungen zeigen nicht zwangweise eine maßstabgetreue Wiedergabe des Turbinengehäuses und des Stutzens. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt ein Turbinengehäuse 1, beispielsweise ein

Dampfturbinengehäuse, mit einem Stutzen 2, durch welchen ein Strömungsfluid durch einen Ausschnitt 3 im Turbinengehäuse 1 in das Turbinengehäuse 1 einströmen kann. Der Stutzen 2 ist im Bereich des Ausschnitts 3 derart ausgebildet, dass die turbinenachsparallele Erstreckung a des Stutzens 2, kleiner ist als die Erstreckung b des Stutzens 2 rechtwinklig zur Turbinenachse 4. Der Stutzen 2 ist durch ein additives Herstellverfahren ausgebildet. Je nach ausgewählten additiven Herstellungsverfahren, kann der Stutzen unmittelbar auf das Turbinengehäuse 1 aufgebracht sein, oder zunächst separat hergestellt und anschließend am Turbinengehäuse 1 befestigt werden. Bei einer nachträglichen Befestigung des Stutzens 2 am Turbinengehäuse 1 kann die Befestigung des Stutzens 2 vorzugsweise stoff- und/oder kraftschlüssig erfolgen. Als stoff-schlüssige Verbindung eignet sich hierbei insbesondere ein

Schweißverfahren. Eine kraftschlüssige Verbindung kann insbesondere über einen hier nicht näher dargestellten Flansch erfolgen. Das Verhältnis der turbinenachsparallelen Erstreckung a des Stutzens 2 zur Erstreckung b des Stutzens 2 rechtwinklig zur Turbinenachse ist a/b < 0,8, vorzugsweise a/b < 0,6. Hierdurch wird dem Erfordernis Rechnung getragen, einerseits das Turbinengehäuse 1 in axialer Richtung möglichst kurz zu bauen und andererseits dem Strömungsfluid genügend Fläche zum Einströmen in das Turbinengehäuse 1 zu geben. Die dem Turbinengehäuse 1 abgewandte Seite des Stutzens kann insbesondere zum Anschluss von Zuleitungen als kreisrunde Form ausgebildet werden. Das additive Herstellverfahren des Stutzens 2 ermög-licht dabei eine vollkommende Variabilität sowohl in Form als auch in Größe des Stutzens 2. Ein weiterer Vorteil des additiven Herstellungsverfahrens liegt darin, dass die verwendeten Werkstoffe variieren können und entsprechend den Anforderungen ausgewählt werden können. Zudem ist eine ortsabhängige Werkstoffdicke des Stutzens 2 realisierbar.

Eine entsprechende Form eines Stutzens 2 ist insbesondere aus Figur 2 erkennbar. Der Stutzen 2 ist im unteren, dem Turbinengehäuse 2 zugewandten Bereich so ausgebildet, dass die Projektionsfläche des Ausschnitts im Wesentlichen eine rechtwinklige Fläche ist. Im dem Turbinengehäuse 2 abgewandten Bereich ist der Stutzen 2 hingegen im Wesentlichen kreisförmigen ausgebildet, so dass die Zuleitungen welche in der Regel einen runden Querschnitt aufweisen, leicht an den Stutzen 2 anschließbar sind. Der Ausschnitt im Turbinengehäuse 1 kann vollkommen digitalisiert/ automatisiert werden und beispielsweise durch Laser- oder Wasserstrahlschneiden ausgebildet werden. Auch das Ausbilden des Stutzens 2 mittels additiven Herstellverfahren kann vollkommen digitalisiert/automatisiert erfolgen. Hierdurch verkürzen sich die Herstellungszeiten und die Herstellungskosten deutlich.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Turbinengehäuses 1 mit Stutzen 2 liegt darin, dass das Turbinengehäuse 1 weitgehend als Standardteil hergestellt werden kann und die entsprechenden Ausschnitte individuell eingebracht werden können. Das Ausbilden des Stutzens 2 um die Ausschnitte erfolgt anschließend ebenfalls vollständig individuell mittels additiven Herstellverfahrens. Form und Größe des Stutzens 2 sind dabei im Wesentlichen frei wählbar, ebenso der zu verwendende Werkstoff, der lediglich passen zu den Anforderungen ausgewählt werden muss. Neben den rein technischen Gesichts-punkten bietet das Turbinengehäuse 1 mit Stutzen 2, welcher durch ein additives Herstellverfahren ausgebildet ist, auch optische Vorteile, da ein solches Turbinengehäuse mit Stutzen eine äußerst ansprechende Optik analog zu einer Gussausführung aufweist.