WO2009062471A2 - Component having an annular or tubular shape - Google Patents

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    • F01D11/18—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing by self-adjusting means using stator or rotor components with predetermined thermal response, e.g. selective insulation, thermal inertia, differential expansion
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    • F05D2300/5021—Expansivity
    • F05D2300/50212—Expansivity dissimilar

Definitions

  • the invention relates to a component having a ring-like or tubular shape, which is exposed during operation to changing temperatures and is adapted in its thermal behavior to at least one adjacent component, according to the preamble of patent claim 1.
  • the housing When accelerating a gas turbine while increasing the working gas temperature, the housing usually expand faster than the rotors, so that there is an unwanted Laufspaltveriererung. Conversely, with a reduction of the thermal load, the gaps can become so small that the rotors rub against the stators. Therefore, when designing such machines, it is also attempted to match the instational behavior of interacting components as well as possible. For example, thermally insulating coatings on the hot gas side can delay the thermal behavior of the adjacent components. Of course, it is also possible to influence the component behavior via the selection of materials, whereby the generally high mechanical and thermal loads must be taken into account.
  • the object of the invention is to propose a novel component with a ring-like or tubular shape, which is flexibly and precisely adapted to the behavior of at least one adjacent component for transient operating states with significantly changing temperatures in its thermal behavior.
  • This object is achieved by the characterizing features of claim 1, in conjunction with the generic features in the preamble thereof.
  • the component has a first, radially inner and second, radially outer, each designed as a self-contained ring or closed tube element, wherein the first element rests with its outer periphery on the inner circumference of the second element.
  • the two elements differ izi at least one of their physical characteristics expansion coefficient ⁇ , istleitiere ⁇ and heat capacity C in such a way that the contact pressure between the two elements increases when heated, decreases when heated.
  • the outer element is almost always on train, the inner element always charged to pressure.
  • the design should be selected so that the elements rest against each other without play at the lowest expected operating temperature.
  • the thermal behavior of the component can be changed virtually continuously with only two combined elements.
  • the radially inner element of the material is similar or equal to an adjacent or adjacent component.
  • the radially inner element will generally have the larger volume or mass fraction.
  • the radially outer element is responsible for increasing the thermal inertia of the component.
  • the goal is to achieve the desired effect with the least possible volume and mass of the outer element. It should be noted that the permanent tensile load of the outer element results in special requirements for the material or the material combination.
  • FIG. 1 is a partial longitudinal section through a housing in the region of a blade ring
  • Fig. 2 is a partial longitudinal section through a bladed rotor with a spacer between pulleys.
  • FIG. 1 shows a construction which can be used, for example, in the high-pressure compressor of a gas turbine engine.
  • unobstructed blades 11 move with their blade tips relative to a provided with a squish coating 8, static housing.
  • the tubular, thin-walled housing is provided in the present case at the right end with a flange 7.
  • the housing forms a component 1, which comprises two interacting elements 3 and 4.
  • the radially inner element 3 represents the actual housing wall, which is usually made of metal, for example of a titanium alloy.
  • the housing wall is provided with a type of outer bandage, namely the element 4.
  • the resting with a certain pressure on the housing wall and therefore even under tensile stresses standing element 4 is exemplified as a fiber composite part.
  • the element 4 is effective both in a heating of the housing wall and when cooling the housing wall in terms of increasing the thermal inertia.
  • the two elements 3, 4 in at least one of their physical characteristics expansion coefficient ⁇ , varnishleitress ⁇ and heat capacity C must be different.
  • q ⁇ 3 is chosen to be greater than ⁇ ⁇ 4.
  • ⁇ ⁇ 3 is selected to be greater than ⁇ 4.
  • the spacer element 2 shows an application of the invention in a dynamic, rotary system.
  • Two rotor disks 9, 10 provided with rotor blades 12, 13 are positioned axially and radially relative to each other via a spacer, a so-called spacer.
  • the spacer element 2 comprises two components 5, 6 arranged coaxially with one another and coupled via a press connection.
  • the radially inner element 5 is similar or identical in terms of its material to the rotor disk material.
  • the radially outer element 6 is made of another, suitable material or composite material.
  • the element 6 are radially opposite from the outside vanes 14 with their tips at a small radial distance. Also, this running gap should be as small and constant as possible in all operating conditions. In the case of cooling of the rotor, the execution of the component 2 prevents radial play to the rotor disks 9, 10 and thus possible imbalances.

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Abstract

The invention relates to a component having an annular or a tubular shape and the thermal inertia thereof can be adapted to at least one adjacent component. Said component comprises a first, radial inner element and a second, radial outer element. Said first element rests with the outer periphery thereof on the inner periphery of the second element and both elements differ in at least one of their physical characteristic variables; expansion coefficient α, thermal conductivity λ and thermal capacity C in such a manner that the contact pressure between both elements increases when warned and decreases when cooled.

Description

Bauteil mit ringartiger oder rohrartiger Form Component with ring-like or tubular shape
Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit ringartiger oder rohrartiger Form, welches im Betrieb wechselnden Temperaturen ausgesetzt ist und in seinem thermischen Verhalten an mindestens ein benachbartes Bauteil angepasst ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a component having a ring-like or tubular shape, which is exposed during operation to changing temperatures and is adapted in its thermal behavior to at least one adjacent component, according to the preamble of patent claim 1.
Für den Wirkungsgrad von Turbomaschinen, insbesondere von Gasturbinen, sind möglichst kleine, definierte Laufspalte zwischen rotierenden und statischen Bauteilen besonders wichtig. Die Bauteile in solchen Maschinen sind hohen mechanischen Belastungen, wie z.B. Fliehkräften und Gaskräften, ausgesetzt sowie hohen thermischen Belastungen. In Summe führen diese Belastungen zu Maß- und Formabweichungen dieser Bauteile. Bei in- stationären Betriebszuständen können sich zusammenwirkende Bauteile sehr unterschiedlich verhalten, so dass es zu ungewollten, zeitweiligen Laufspaltänderungen im Sinne einer Vergrößerung oder Verkleinerung kommen kann. Beschaufelte Laufscheiben verhalten sich aufgrund der großen, zu erwärmenden bzw. abzukühlenden Masse der Laufscheiben thermisch träge. Dünnwandige, massearme Gehäuse verhalten sich demgegenüber thermisch schnell. Beim Beschleunigen einer Gasturbine unter Erhöhung der Arbeitsgastemperatur dehnen sich die Gehäuse in der Regel schneller aus als die Rotoren, so dass es zu einer ungewollten Laufspaltvergrößerung kommt. Umgekehrt können bei einer Reduktion der thermischen Belastung die Laufspalte so klein werden, dass die Rotoren an den Statoren anstreifen. Daher wird bei der Konstruktion derartiger Maschinen versucht, auch das instatio- näre Verhalten zusammenwirkender Bauteile möglichst gut anzugleichen. Beispielsweise können thermisch isolierende Beschichtungen auf der Heißgasseite das thermische Verhalten der angrenzenden Bauteile verzögern. Eine Beeinflussung des Bauteilverhaltens ist natürlich auch über die Materialauswahl möglich, wobei die in der Regel hohen mechanischen und thermischen Belastungen zu berücksichtigen sind.For the efficiency of turbomachines, especially of gas turbines, the smallest possible defined gaps between rotating and static components are particularly important. The components in such machines are subject to high mechanical stresses, e.g. Centrifugal forces and gas forces, exposed and high thermal loads. In sum, these loads lead to dimensional and form deviations of these components. In stationary operating conditions, cooperating components can behave very differently, so that unwanted, temporary gap changes in the sense of enlargement or reduction can occur. Bladed discs behave thermally inert due to the large, to be heated or cooled mass of the discs. In contrast, thin-walled, low-mass housings behave thermally fast. When accelerating a gas turbine while increasing the working gas temperature, the housing usually expand faster than the rotors, so that there is an unwanted Laufspaltvergrößerung. Conversely, with a reduction of the thermal load, the gaps can become so small that the rotors rub against the stators. Therefore, when designing such machines, it is also attempted to match the instational behavior of interacting components as well as possible. For example, thermally insulating coatings on the hot gas side can delay the thermal behavior of the adjacent components. Of course, it is also possible to influence the component behavior via the selection of materials, whereby the generally high mechanical and thermal loads must be taken into account.
Angesichts dieser Probleme besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein neuartiges Bauteil mit ringartiger oder rohrartiger Form vorzuschlagen, welches für instationäre Betriebs- zustände mit deutlich wechselnden Temperaturen in seinem thermischen Verhalten flexibel und präzise an das Verhalten mindestens eines benachbarten Bauteils anpassbar ist. Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 kennzeichnenden Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff. Das Bauteil weist ein erstes, radial inneres und zweites, radial äußeres, jeweils als in sich geschlossener Ring oder geschlossenes Rohr ausgeführtes Element auf, wobei das erste Element mit seinem Außenumfang am Innenumfang des zweiten Elements anliegt. Die beiden Elemente unterscheiden sich izi mindestens einer ihrer physikalischen Kenngrößen Ausdehnungskoeffizient α, Wärmeleitzahl λ und Wärmekapazität C in der Weise, dass der Kontaktdruck zwischen den beiden Elementen bei Erwärmung zunimmt, bei Erwärmung abnimmt. Dabei wird das äußere Element praktisch immer auf Zug, das innere Element immer auf Druck belastet. Die Auslegung ist so zu wählen, dass die Elemente bei der tiefsten zu erwartenden Betriebstemperatur spielfrei aneinander anliegen. Über den Werkstoff, die Geometrie sowie das Volumen- und Masseverhältnis lässt sich das thermische Verhalten des Bauteils mit nur zwei kombinierten Elementen praktisch stufenlos verändern. In der Regel wird es so sein, dass das radial innere Element vom Werkstoff her einem angrenzenden bzw. benachbarten Bauteil ähnlich oder gleich ist. Das radial innere Element wird in der Regel den größeren Volumen- bzw. Masseanteil aufweisen. Primär das radial äußere Element ist für die Erhöhung der thermischen Trägheit des Bauteils verantwortlich. Dabei ist das Ziel, mit möglichst wenig Volumen und Masse des äußeren Elements den gewünschten Effekt zu erreichen. Dabei ist zu beachten, dass sich aus der permanenten Zugbelastung des äußeren Elements besondere Anforderungen an den Werkstoff bzw. die Werkstoffkombination ergeben.In view of these problems, the object of the invention is to propose a novel component with a ring-like or tubular shape, which is flexibly and precisely adapted to the behavior of at least one adjacent component for transient operating states with significantly changing temperatures in its thermal behavior. This object is achieved by the characterizing features of claim 1, in conjunction with the generic features in the preamble thereof. The component has a first, radially inner and second, radially outer, each designed as a self-contained ring or closed tube element, wherein the first element rests with its outer periphery on the inner circumference of the second element. The two elements differ izi at least one of their physical characteristics expansion coefficient α, Wärmeleitzahl λ and heat capacity C in such a way that the contact pressure between the two elements increases when heated, decreases when heated. In this case, the outer element is almost always on train, the inner element always charged to pressure. The design should be selected so that the elements rest against each other without play at the lowest expected operating temperature. Using the material, the geometry as well as the volume and mass ratio, the thermal behavior of the component can be changed virtually continuously with only two combined elements. As a rule, it will be the case that the radially inner element of the material is similar or equal to an adjacent or adjacent component. The radially inner element will generally have the larger volume or mass fraction. Primarily the radially outer element is responsible for increasing the thermal inertia of the component. The goal is to achieve the desired effect with the least possible volume and mass of the outer element. It should be noted that the permanent tensile load of the outer element results in special requirements for the material or the material combination.
Bevorzugte Ausgestaltungen des Bauteils sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Preferred embodiments of the component are characterized in the subclaims.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:The invention will be explained in more detail with reference to the drawings. In a simplified, not to scale representation:
Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch ein Gehäuse im Bereich eines Laufschaufelkranzes, Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch einen beschaufelten Rotor mit einem Abstandselement zwischen Laufscheiben. Figur 1 zeigt eine Konstruktion, welche beispielsweise im Hochdruckverdichter eines Gasturbinentriebwerks verwendbar ist. Dabei bewegen sich deckbandlose Laufschaufeln 11 mit ihren Schaufelspitzen relativ zu einem mit einem Anstreifbelag 8 versehenen, statischen Gehäuse. Das rohrartige, dünnwandige Gehäuse ist im vorliegenden Fall am rechten Ende mit einem Flansch 7 versehen. Das Gehäuse bildet ein Bauteil 1, welches zwei zusammenwirkende Elemente 3 und 4 umfasst. Das radial innen liegende Element 3 stellt die eigentliche Gehäusewand dar, welche in der Regel aus Metall, beispielsweise aus einer Titanlegierung besteht. Zur Erhöhung der thermischen Trägheit bei instationären Betriebszu- ständen ist die Gehäusewand mit einer Art äußerer Bandage, nämlich dem Element 4, versehen. Das mit einem gewissen Druck auf der Gehäusewand aufliegende und daher selbst unter Zugspannungen stehende Element 4 ist hier beispielhaft als Faserverbundteil ausgeführt. Das Element 4 ist sowohl bei einer Erwärmung der Gehäusewand als auch bei Abkühlung der Gehäusewand im Sinne einer Erhöhung der thermischen Trägheit wirksam. Dazu müssen sich die beiden Elemente 3, 4 in wenigstens einer ihrer physikalischen Kenngrößen Ausdehnungskoeffizient α, Wärmeleitzahl λ und Wärmekapazität C unterscheiden. Im Falle eines unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten q wird α3 größer als α α4 gewählt. Im Falle einer unterschiedlichen Wärmeleitzahl λ wird λ3 größer als λ4 gewählt. Im Falle einer unterschiedlichen Wärmekapazität C wird C3 kleiner als C4 gewählt. Bei Verwendung eines homogenen, z.B. metallischen Werkstoffs sind durch die Werkstoffwahl praktisch alle drei Koeffizienten D 3 D 5 C vorgegeben. Durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen sind mehr Variationsmöglichkeiten gegeben, so können Partikel, Fasern, Gewebe etc. mit definierten mechanischen sowie thermischen Eigenschaften eingebettet werden. Durch Variation des Volumen- bzw. Gewichtsanteils dieser Zusatzstoffe sind weitreichende Veränderungen der Eigenschaften möglich. Die Verwendung hochfester, in Umfangsrichtung verlaufender Fasern bietet sich auch im Hinblick auf die permanente Zugbelastung an. Die kraftschlüssige Relativpositionierung der Elemente 3 und 4 kann durch formschlüssige Zusatzelemente weiter abgesichert werden. Weiterhin ist auch ein Verkleben, Verlöten oder Verschweißen der Elemente möglich. Im Unterschied zu der statischen Anwendung gemäß Figur 1 zeigt die Figur 2 eine Anwendung der Erfindung in einem dynamischen, rotatorischen System. Zwei mit Laufschaufeln 12, 13 versehene Rotorscheiben 9, 10 sind über ein Abstandselement, einen sogenannten Spacer, relativ zueinander axial und radial positioniert. Dieses Abstandselement bildet ein erfindungsgemäß ausgebildetes Bauteil 2. Das Bauteil 2 umfasst 2 koaxial ineinander angeordnete, über eine Pressverbindung gekoppelte Elemente 5, 6. Das radial innere Element 5 ist hinsichtlich seines Werkstoffs dem Rotorscheibenwerkstoff ähnlich oder gleich. Das radial äußere Element 6 besteht aus einem anderen, geeigneten Werkstoff oder Werkstoffverbund. Die erfindungsgemäße Wirkung entspricht der in Fig. 1 bereits beschriebenen, wobei hier zusätzlich die Einflüsse der Fliehkraft zu berücksichtigen sind. Es sei noch erwähnt, dass dem Element 6 radial von außen Leitschaufeln 14 mit ihren Spitzen in kleinem radialem Abstand gegenüber stehen. Auch dieser Laufspalt soll in allen Betriebszuständen möglichst klein und konstant sein. Im Falle der Abkühlung des Rotors verhindert die Ausführung des Bauteils 2 radiales Spiel zu den Rotorscheiben 9, 10 hin und somit mögliche Unwuchten. Fig. 1 is a partial longitudinal section through a housing in the region of a blade ring, Fig. 2 is a partial longitudinal section through a bladed rotor with a spacer between pulleys. FIG. 1 shows a construction which can be used, for example, in the high-pressure compressor of a gas turbine engine. In this case, unobstructed blades 11 move with their blade tips relative to a provided with a squish coating 8, static housing. The tubular, thin-walled housing is provided in the present case at the right end with a flange 7. The housing forms a component 1, which comprises two interacting elements 3 and 4. The radially inner element 3 represents the actual housing wall, which is usually made of metal, for example of a titanium alloy. In order to increase the thermal inertia in transient operating states, the housing wall is provided with a type of outer bandage, namely the element 4. The resting with a certain pressure on the housing wall and therefore even under tensile stresses standing element 4 is exemplified as a fiber composite part. The element 4 is effective both in a heating of the housing wall and when cooling the housing wall in terms of increasing the thermal inertia. For this purpose, the two elements 3, 4 in at least one of their physical characteristics expansion coefficient α, Wärmeleitzahl λ and heat capacity C must be different. In the case of a different coefficient of expansion q α3 is chosen to be greater than α α4. In the case of a different thermal conductivity λ λ3 is selected to be greater than λ4. In the case of a different heat capacity C, C3 is chosen smaller than C4. When using a homogeneous, eg metallic material practically all three coefficients D 3 D 5 C are given by the choice of materials. The use of composite materials gives more variation possibilities, so particles, fibers, fabrics, etc. with defined mechanical and thermal properties can be embedded. By varying the volume or weight fraction of these additives far-reaching changes in the properties are possible. The use of high-strength, circumferentially extending fibers is also suitable with regard to the permanent tensile load. The non-positive relative positioning of the elements 3 and 4 can be further secured by positive additional elements. Furthermore, a bonding, soldering or welding of the elements is possible. In contrast to the static application according to FIG. 1, FIG. 2 shows an application of the invention in a dynamic, rotary system. Two rotor disks 9, 10 provided with rotor blades 12, 13 are positioned axially and radially relative to each other via a spacer, a so-called spacer. The spacer element 2 comprises two components 5, 6 arranged coaxially with one another and coupled via a press connection. The radially inner element 5 is similar or identical in terms of its material to the rotor disk material. The radially outer element 6 is made of another, suitable material or composite material. The effect according to the invention corresponds to that already described in FIG. 1, wherein the influences of the centrifugal force are additionally to be taken into account here. It should be noted that the element 6 are radially opposite from the outside vanes 14 with their tips at a small radial distance. Also, this running gap should be as small and constant as possible in all operating conditions. In the case of cooling of the rotor, the execution of the component 2 prevents radial play to the rotor disks 9, 10 and thus possible imbalances.

Claims

Patentansprüche claims
1.Bauteil mit ringartiger oder rohrartiger Form, welches im Betrieb wechselnden Temperaturen ausg< inneres (3, 5) und ein zweites, radial äußeres (4, 6), jeweils als in sich geschlossener Ring oder geschlossenes Rohr ausgeführtes Element aufweist, dass das erste Element (3, 5) mit seinem Außenumfang am Innenumfang des zweiten Elements (4, 6) anliegt, und dass die beiden Elemente (3, 4; 5, 6) sich in mindestens einer ihrer physikalischen Kenngrößen Ausdehnungskoeffizient α, Wärmeleitzahl λ und Wärmekapazität C in der Weise unterscheiden, dass der Kontaktdruck zwischen den beiden Elementen (3, 4; 5, 6) bei Erwärmung zunimmt, bei Abkühlung hingegen abnimmt.1.Bauteil with ring-like or tubular shape, which in operation changing temperatures out <inner (3, 5) and a second, radially outer (4, 6), each designed as a self-contained ring or closed tube element that the first Element (3, 5) rests with its outer circumference on the inner circumference of the second element (4, 6), and that the two elements (3, 4, 5, 6) in at least one of its physical characteristics expansion coefficient α, thermal conductivity λ and heat capacity C differ in such a way that the contact pressure between the two elements (3, 4, 5, 6) increases when heated, on cooling, however, decreases.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausdehnungskoeffizient α des radial inneren Elements (3, 5) größer ist, als der Ausdehnungskoeffizient α des radial äußeren Elements (4, 6).2. Component according to claim 1, characterized in that the expansion coefficient α of the radially inner element (3, 5) is greater than the expansion coefficient α of the radially outer element (4, 6).
3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitzahl λ des radial inneren Elements (3, 5) größer ist, als die Wärmeleitzahl λ des radial äußeren E- lements (4, 6).3. Component according to claim 1 or 2, characterized in that the thermal conductivity λ of the radially inner element (3, 5) is greater than the thermal conductivity λ of the radially outer element (4, 6).
4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekapazität C des radial inneren Elements (3, 5) kleiner ist, als die Wärmekapazität C des radial äußeren Elements (4, 6).4. Component according to one of claims 1 to 3, characterized in that the heat capacity C of the radially inner element (3, 5) is smaller than the heat capacity C of the radially outer element (4, 6).
5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der beiden Elemente (3, 4; 5, 6) aus Metall besteht.5. Component according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one of the two elements (3, 4, 5, 6) consists of metal.
6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der beiden Elemente (3, 4; 5, 6) aus Keramik besteht. 6. Component according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one of the two elements (3, 4, 5, 6) consists of ceramic.
7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zirmindest eines der beiden Elemente (3, 4; 5, 6) aus faserverstärktem Kunststoff, faserverstärktem Metall oder faserverstärkter Keramik besteht.7. Component according to one of claims 1 to 6, characterized in that zirmindest one of the two elements (3, 4; 5, 6) consists of fiber-reinforced plastic, fiber-reinforced metal or fiber-reinforced ceramic.
8. Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern Glasfasern, Aramidfasern, Kohlenstoffasern, Siliziumkarbidfasern und/oder Borfasern sind.8. Component according to claim 7, characterized in that the reinforcing fibers are glass fibers, aramid fibers, carbon fibers, silicon carbide fibers and / or boron fibers.
9. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Gehäuse für einen beschaufelten Rotor bildet, insbesondere ein Verdichtergehäuse einer Gasturbine.9. Component according to one of claims 1 to 8, characterized in that it forms a housing for a bladed rotor, in particular a compressor housing of a gas turbine.
10. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Abstandselement zwischen beschaufelten Rotorscheiben (9, 10), einen sogenannten Spacer, bildet. 10. Component according to one of claims 1 to 8, characterized in that it forms a spacer element between bladed rotor discs (9, 10), a so-called spacer.
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