Befestigungsmittel für ein Turbinen- oder Ventilgehäuse

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

Die Erfindung betrifft ferner ein Turbinengehäuse für eine Dampf- oder Gasturbine mit einem ersten Gehäuseteil und einem zweiten Gehäuseteil sowie einem derartigen Befestigungsmit tels zum Verbinden der beiden Gehäuseteile in einem flansch artigen Teilfugenbereich der Gehäuseteile.

Ferner betrifft die Erfindung ein Ventilgehäuse.

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

Unter Turbinengehäuse wird hier das Innengehäuse der Dampf oder Gasturbine verstanden, das in der Regel von einem Außen gehäuse umgeben ist.

Beim Betrieb einer Dampfturbine werden möglichst hohe Dampf zustände angestrebt. Das heißt es wird angestrebt, die Dampf turbine 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 Spannun gen bei gleichzeitig herrschenden hohen Temperaturen ausge setzt. 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 Dampf turbinen sind teilweise mit speziellen einteiligen Einström- gehäusen ohne Verschraubung versehen. Bei anderen im Stand der Technik bekannten Dampfturbinen ist ein häufiges Schrau- bennachziehen und damit ein Öffnen der Turbine schon nach re lativ kurzer Betriebszeit, nämlich eventuell schon nach 30000 Stunden anstatt 100.000 Stunden Betriebszeit notwendig.

Eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Turbine mit einem Befestigungsmittel dahingehend zu ver bessern, dass das Befestigungsmittel auch bei hohen Druckdif ferenzen, 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.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem gattungsgemäßen Befestigungsmittel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 ge löst.

Die Aufgabe ist ferner mit einem Turbinengehäuse für eine Dampf- oder Gasturbine gelöst, das mit einem derartigen er findungsgemäßen Befestigungsmittel versehen ist.

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

Der Grundwerkstoff derart ausgebildet, dass das Verhältnis von N/B (in Gewichts-%) zwischen 0,30 und 3,0 liegt.

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 ver lässlich verwendet werden kann. Wenn das Befestigungsmittel als Schraube ausgebildet ist, ist ein frühzeitiges Schrauben- nachziehen nicht notwendig. Der bei der erfindungsgemäßen Schraube als Ausführungsform des Befestigungsmittels verwen dete Werkstoff weist im Vergleich mit im Stand der Technik bekannten Schraubenwerkstoffen höhere Ausgangsfestigkeit, hö heren Schraubenanzug und somit höhere Relaxationsendspannun gen auf. Die erfindungsgemäße Schraube ermöglicht den Bau ei ner K-Turbine (Kombination aus Hochdruck- und Mitteldrucktur binenzylinder in einem einzigen Gehäuse) für ultrasuperkriti sche Dampfzustände (300 bar/600°C) . Auch beim Einsatz in an deren Dampfturbinen, wie etwa Hochdruck-, Mitteldruck-, oder eingehäusigen Mitteldruck- und Niederdruckdampfturbinen erge ben sich Verbesserungspotentiale in der Neuentwicklung.

In dem Grundwerkstoff/der Legierung wird kein Wolfram einge setzt, um zu vermeiden, dass während der Beaufschlagung eines Bauteils aus der neuen Legierung Ausscheidungen z.B. vom Typ Laves-Phase auftreten die schnell wachsen können und die Sta bilität des Gefüges insofern beeinflussen dass die Zeitstand festigkeit und die Relaxationsfestigkeit stark absinken.

Zusätzlich ändert sich mit der Ausscheidung W-haltiger neuer Phasen die Verformungsfähigkeit dem Grundwerkstoff der Legie rung, sodass an Radien, Kerben und Übergängen die Gefahr von Anrissen entsteht und damit ein Bauteil im Betrieb gefährdet wird .

Die Einstellung des auf die Grundmatrixzusammensetzung abge stimmten N/B-Verhältnisses ist essentiell, um die Langzeitei genschaften im Ausgangszustand einzustellen und über lange Zeiten bei höher Temperatur aufrechtzuerhalten. Das Ziel ist die Bereitstellung von ausreichend N für die Ausscheidung von V- oder Nb-Nitriden des Typs MX und M2X für die Matrixstabi lität, und von B für die Unterdrückung des Wachstums von Koh lenstoff haltigen M23C6-Ausscheidungen bei Zeit- und Tempera turbeaufschlagung .

Da B und N auch eine hohe chemische Affinität zueinander ha ben und bei ungünstigen N/B-Verhältnissen grobe BN- Ausscheidungen entstehen können, stehen dann N und B nicht mehr für die Langzeitfestigkeit des Gefüges zur Verfügung.

Die groben BN-Ausscheidungen haben keine festigkeitssteigern- de Wirkung mehr, das Grundgefüge wird dadurch wesentlich ge schwächt .

Das Befestigungsmittel kann als Schraube oder als Stift schraube ausgebildet sein. Ferner kann das Befestigungsmittel als Mutter oder als Überwurfmutter ausgebildet sein.

In bevorzugter Ausführungsform ist das Befestigungsmittel als Teilfugenschraube ausgebildet, die das erste Gehäuseteil mit dem zweiten Gehäuseteil in einem flanschartigen Teilfugenbe reich verbindet. Die Teilfugenschraube kann als Bolzenschrau be oder auch als durchgehende Schraube ausgeführt sein.

Um die Festigkeit des Befestigungsmittels bei hohen Dampfzu ständen zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn der Werk stoff 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 Ver formung von 0,2% wird beim Werkstoff des Befestigungsmittels erst bei Beanspruchung von 700 MPa bei Raumtemperatur er reicht. Eine Schraubenvorspannung kann zusätzlich zu Erhöhung der Relaxationsendspannung als Variable berücksichtigt wer den .

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 Befestigungsmit tels die folgenden Schritte umfasst: Erschmelzen der Werk stoffbestandteile, Vorwärmebehandeln und Weiterverarbeiten der Schmelze zum Rundprofil sowie Vergütungsbehandeln des Rundprofils mit Anlassparametern von T < 720°C. Bei der Er schmelzung 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 Abschrecktem peratur sollte zwischen 1050°C und 1150°C liegen. Vorteilhaf- terweise 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.

In zweckmäßiger Ausführungsform weist das Befestigungsmittel den Werkstoff XI lCrCoWBN9-3-3 auf. Insbesondere besteht das Befestigungsmittel zu 100% aus diesem Werkstoff. Durch Ver wendung dieses Werkstoffs wird das Befestigungsmittel bezüg lich seiner Festigkeit bei hohen Dampftemperaturen verbes sert, sodass es zum Verbinden zweier Gehäuseteile einer ent sprechenden Dampfturbine bei hohen Dampfzuständen optimal ge eignet ist.

Ein Werkstoff mit einer derartigen Zusammensetzung weist ver besserte Eigenschaften bezüglich Festigkeit, Zugfestigkeit, Dehnung, Einschnürung und Zeitstandfestigkeit auf. Damit ver bessert sich die Eignung der aus diesem Werkstoff gefertigten Befestigungsmittels zur Verbindung zweier Gehäuseteile einer mit hohen Dampfzuständen beaufschlagten Dampfturbine entspre chend .

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

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 Teilfu genbereichs eines Turbinengehäuses mit einer Teilfugen schraube . Die Figur zeigt einen Ausschnitt eines Turbinengehäuses 12 einer Dampfturbine 10 im Bereich einer Teilfuge 18. Mit Tur binengehäuse 12 ist hier das Innengehäuse der Dampfturbine 10 bezeichnet, das von einem Außengehäuse umgeben ist.

Die Erfindung kann auch für ein Ventilgehäuse eingesetzt wer den .

Das Turbinengehäuse 12 weist ein oberes oder erstes Gehäuse teil 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 Ge häuseteils 16 sind mit einer Schraubenbohrung 20 mit Innenge winde versehen.

Die Schraubenbohrung 20 ist zur Aufnahme einer Teilfugen schraube 22 ausgebildet. Die Teilfugenschraube ist eine Aus führungsform eines Befestigungsmittels 22. Weitere Ausfüh rungsformen des Befestigungsmittels 22 wären Stiftschrauben oder Muttern, insbesondere Überwurfmuttern. Dabei erstreckt sich die Schraubenbohrung 20 vollständig durch den Gehäu seflansch 15 des ersten Gehäuseteils 14 und teilweise in dem Gehäuseflansch 17 des zweiten Gehäuseteils 16. Die Teilfugen schraube 22 kann von oben her d.h. von der Oberseite des Ge häuseflansches 15 des ersten Gehäuseteils 14 her in die

Schraubenbohrung 20 eingeschraubt werden. Die Teilfugen schraube 22 ist in dem vorliegenden Beispiel als Sechskant schraube 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 die se eine feste Verbindung zwischen dem ersten Gehäuseteil 14 und dem zweiten Gehäuseteil 16 über die jeweiligen Gehäu- seflansche 15 und 17 her. Die Teilfugenschraube 22 kann neben der in der Figur gezeigten Gestaltungsform auch in verschie denen anderen Gestaltungsformen ausgeführt sein. Zum Beispiel kann die Teilfugenschraube 22 auch als Bolzenschraube mit entsprechenden Schraubenmuttern an ihren jeweiligen Stirnsei ten ausgebildet sein.

Die Teilfugenschraube 22 ist aus einem Grundwerkstoff ausge bildet .

Die chemische Zusammensetzung des Grundwerkstoffes der Teil fugenschraube 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.

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

Die Schraube (22) weist den XI lCrCoWBN9-3-3 auf, insbesondere besteht die Schraube zu 100% aus diesem Werkstoff.

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 Raumtempe ratur qualifiziert.

Die Herstellung der Schraube (22) umfasst folgende Schritte: Erschmelzen der Werkstoffbestandteile, Vorwärmebehandeln und Weiterverarbeiten der Schmelze zum Rundprofil sowie Vergü tungsbehandeln 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.